Виды коммутации в компьютерных сетях

Обновлено: 06.07.2024

Коммуникационные сети должны обеспечивать связь своих абонентов между собой. Абонентами могут выступать ЭВМ, сегменты локальных сетей, факс-аппараты или телефонные собеседники. Как правило, в сетях общего доступа невозможно предоставить каждой паре абонентов собственную физическую линию связи, которой они могли бы монопольно «владеть» и использовать в любое время. Поэтому в сети всегда применяется какой-либо способ коммутации абонентов, который обеспечивает разделение имеющихся физических каналов между несколькими сеансами связи и между абонентами сети.

Каждый абонент соединен с коммутаторами индивидуальной линией связи, закрепленной за этим абонентом. Линии связи протянутые между коммутаторами разделяются несколькими абонентами, то есть используются совместно.

Содержание

Коммутаторы

Коммутация по праву считается одной из самых популярных современных технологий. Коммутаторы по всему фронту теснят мосты и маршрутизаторы, оставляя за последними только организацию связи через глобальную сеть. Популярность коммутаторов обусловлена прежде всего тем, что они позволяют за счет сегментации повысить производительность сети. Помимо разделения сети на мелкие сегменты, коммутаторы дают возможность создавать логические сети и легко перегруппировывать устройства в них. Иными словами, коммутаторы позволяют создавать виртуальные сети.

В 1994 году компания IDC дала свое определение коммутатора локальных сетей: коммутатор — это устройство, конструктивно выполненное в виде сетевого концентратора и действующее как высокоскоростной многопортовый мост; встроенный механизм коммутации позволяет осуществить сегментирование локальной сети, а также выделить полосу пропускания конечным станциям в сети.

Впервые коммутаторы появились в конце 1980-х годов. Первые коммутаторы использовались для перераспределения пропускной способности и, соответственно, повышения производительности сети. Можно сказать, что коммутаторы первоначально применялись исключительно для сегментации сети. В наше время произошла переориентация, и теперь в большинстве случаев коммутаторы используются для прямого подключения к конечным станциям.

Широкое применение коммутаторов значительно повысило эффективность использования сети за счет равномерного распределения полосы пропускания между пользователями и приложениями. Несмотря на то что первоначальная стоимость была довольно высока, тем не менее они были значительно дешевле и проще в настройке и использовании, чем маршрутизаторы. Широкое распространение коммутаторов на уровне рабочих групп можно объяснить тем, что коммутаторы позволяют повысить отдачу от уже существующей сети. При этом для повышения производительности всей сети не нужно менять существующую кабельную систему и оборудование конечных пользователей.

Общий термин коммутация применяется для четырех различных технологий:

конфигурационная коммутация,
коммутация кадров,
коммутация ячеек,
преобразование между кадрами и ячейками.

В основе конфигурационной коммутации лежит нахождение соответствия между конкретным портом коммутатора и определенным сегментом сети. Это соответствие может программно настраиваться при подключении или перемещении пользователей в сети.

В технологии АТМ также применяется коммутация, но в ней единицы коммутации носят название ячеек. Преобразование между кадрами и ячейками позволяет станциям в сети Ethernet, Token Ring и т.д. непосредственно взаимодействовать с устройствами АТМ. Эта технология применяется при эмуляции локальной сети.

Коммутаторы делятся на четыре категории:

Простые автономные коммутаторы сетей рабочих групп позволяют некоторым сетевым устройствам или сегментам обмениваться информацией с максимальной для данной кабельной системы скоростью. Они могут выполнять роль мостов для связи с другими сетевыми сегментами, но не транслируют протоколы и не обеспечивают повышенную пропускную способность с отдельными выделенными устройствами, такими как серверы.
Коммутаторы рабочих групп второй категории обеспечивают высокоскоростную связь одного или нескольких портов с сервером или базовой станцией.
Коммутаторы сети отдела предприятия, которые часто используются для взаимодействия сетей рабочих групп. Они представляют более широкие возможности администрирования и повышения производительности сети. Такие устройства поддерживают древовидную архитектуру связей, которая используется для передачи информации по резервным каналам и фильтрации пакетов. Физически такие коммутаторы поддерживают резервные источники питания и позволяют оперативно менять модули.
Коммутаторы сети масштаба предприятия, выполняющие диспетчеризацию трафика, определяя наиболее эффективный маршрут. Они могут поддерживать большое количество логических соединений сети. Многие производители корпоративных коммутаторов предлагают в составе своих изделий модули АТМ. Эти коммутаторы осуществляют трансляцию протоколов Ethernet в протоколы АТМ.

Виды коммутации

Существует четыре принципиально различные схемы коммутации абонентов в сетях:

Коммутация в локальных сетях передачи данных

на страницу обсуждения участника, создавшего статью
Администраторам: ссылки сюда, история (последнее изменение), журналы, удалить .
Автору статьи: Авторские права, Получение разрешений, Что делать?

При поступлении кадра в какой-либо порт процессор ЕРР буферизует несколько первых байт кадра, чтобы прочитать адрес назначения. После получения адреса назначения процессор сразу же принимает решение о передаче пакета, не дожидаясь прихода остальных байт кадра. Для этого он просматривает свой собственный кэш адресной таблицы, а если не находит там нужного адреса, обращается к системному модулю, который работает в многозадачном режиме, параллельно обслуживая запросы всех процессоров ЕРР. Системный модуль производит просмотр общей адресной таблицы и возвращает процессору найденную строку, которую тот буферизует в своем кэше для последующего использования. После нахождения адреса назначения процессор ЕРР знает, что нужно дальше делать с поступающим кадром (во время просмотра адресной таблицы процессор продолжал буферизацию поступающих в порт байтов кадра). Если кадр нужно отфильтровать, процессор просто прекращает записывать в буфер байты кадра, очищает буфер и ждет поступления нового кадра. Если же кадр нужно передать на другой порт, то процессор обращается к коммутационной матрице и пытается установить в ней путь, связывающий его порт с портом, через который идет маршрут к адресу назначения. Коммутационная матрица может это сделать только в том случае, когда порт адреса назначения в этот момент свободен, то есть не соединен с другим портом. Если же порт занят, то, как и в любом устройстве с коммутацией каналов, матрица в соединении отказывает. В этом случае кадр полностью буферизуется процессором входного порта, после чего процессор ожидает освобождения выходного порта и образования коммутационной матрицей нужного пути.

После того как нужный путь установлен, в него направляются буферизованные байты кадра, которые принимаются процессором выходного порта. Как только процессор выходного порта получает доступ к подключенному к нему сегменту Ethernet по алгоритму CSMA/CD, байты кадра сразу же начинают передаваться в сеть. Процессор входного порта постоянно хранит несколько байт принимаемого кадра в своем буфере, что позволяет ему независимо и асинхронно принимать и передавать байты кадра.

Коммутация в городских телефонных сетях

В данной статье мы рассмотрим основные методы коммутации в сетях.

Что такое коммутация?

В традиционных телефонных сетях, связь абонентов между собой выполняется с помощью коммутации каналов связи. В начале коммутация телефонных каналов связи выполнялась вручную, далее коммутацию выполняли автоматические телефонные станции (АТС).

Аналогичный принцип используется и в вычислительных сетях. В качестве абонентов выступают территориально удаленные вычислительные машины в компьютерной сети. Физически не представляется возможным предоставить каждому компьютеру свою собственную не коммутируемую линию связи, которой они пользовались бы в течении всего времени. Поэтому практически во всех компьютерных сетях всегда используется какой-либо способ коммутации абонентов (рабочих станций), выполняющий возможность доступа к существующим каналам связи для нескольких абонентов, для обеспечения одновременно нескольких сеансов связи.

Коммутация — это процесс соединения различных абонентов коммуникационной сети через транзитные узлы. Коммуникационные сети должны обеспечивать связь своих абонентов между собой. Абонентами могут выступать ЭВМ, сегменты локальных сетей, факс-аппараты или телефонные собеседники.

Рабочие станции подключаются к коммутаторам с помощью индивидуальных линий связи, каждая из которых используется в любой момент времени только одним, закрепленным за этой линией, абонентом. Коммутаторы соединяются между собой с использованием разделяемых линии связи (используются совместно несколькими абонентами).

Рассмотрим три основные наиболее распространенные способы коммутации абонентов в сетях:

Коммутация каналов

Коммутация каналов подразумевает образование непрерывного составного физического канала из последовательно соединенных отдельных канальных участков для прямой передачи данных между узлами. Отдельные каналы соединяются между собой специальной аппаратурой - коммутаторами, которые могут устанавливать связи между любыми конечными узлами сети. В сети с коммутацией каналов перед передачей данных всегда необходимо выполнить процедуру установления соединения, в процессе которой и создается составной канал.

Коммутаторы, а также соединяющие их каналы должны обеспечивать одновременную передачу данных нескольких абонентских каналов. Для этого они должны быть высокоскоростными и поддерживать какую-либо технику мультиплексирования абонентских каналов.

Достоинства и недостатки коммутации каналов:

Постоянная и известная скорость передачи данных
Правильная последовательность прихода данных
Низкий и постоянный уровень задержки передачи данных через сеть

Возможен отказ сети в обслуживании запроса на установление соединения
Нерациональное использование пропускной способности физических каналов, в частности невозможность применения пользовательской аппаратуры, работающей с разной скоростью. Отдельные части составного канала работают с одинаковой скоростью, так как сети с коммутацией каналов не буферизуют данные пользователей
Обязательная задержка перед передачей данных из-за фазы установления соединения

Коммутация пакетов

Коммутация пакетов - это особый способ коммутации узлов сети, который специально создавался для наилучшей передачи компьютерного трафика (пульсирующего трафика). Опыты по разработке самых первых компьютерных сетей, в основе которых лежала техника коммутации каналов, показали, что этот вид коммутации не предоставляет возможности получить высокую пропускную способность вычислительной сети. Причина крылась в пульсирующем характере трафика, который генерируют типичные сетевые приложения.

Коммутаторы пакетной сети отличаются от коммутаторов каналов тем, что они имеют внутреннюю буферную память для временного хранения пакетов, если выходной порт коммутатора в момент принятия пакета занят передачей другого пакета.

Коммута́ция — процесс соединения абонентов коммуникационной сети через транзитные узлы.

Общий термин “коммутация ”применяется для четырех различных технологий: Конфигурационной коммутации; Коммутации кадров; Коммутации ячеек; Преобразования между кадрами и ячейками.

Виды коммутации

Существует три принципиально различные схемы коммутации абонентов в сетях:

Принцип работы Hub'а

Сетевой концентратор или хаб (жарг. от англ. hub — центр деятельности) — сетевое устройство, предназначенное для объединения нескольких устройств Ethernet в общий сегмент сети. Устройства подключаются при помощи витой пары, коаксиального кабеля или оптоволокна.

Термин концентратор (хаб) применим также к другим технологиям передачи данных: USB, FireWire и пр.

В настоящее время хабы почти не выпускаются — им на смену пришли сетевые коммутаторы (свитчи), выделяющие каждое подключённое устройство в отдельный сегмент. Сетевые коммутаторы ошибочно называют «интеллектуальными концентраторами».

Концентратор работает на физическом уровне сетевой модели OSI, повторяет приходящий на один порт сигнал на все активные порты. В случае поступления сигнала на два и более порта одновременно возникает коллизия, и передаваемые кадры данных теряются. Таким образом, все подключённые к концентратору устройства находятся в одном домене коллизий. Концентраторы всегда работают в режиме полудуплекса, все подключённые устройства Ethernet разделяют между собой предоставляемую полосу доступа.

Многие модели концентраторов имеют простейшую защиту от излишнего количества коллизий, возникающих по причине одного из подключённых устройств. В этом случае они могут изолировать порт от общей среды передачи. По этой причине, сетевые сегменты, основанные на витой паре, гораздо стабильнее в работе сегментов на коаксиальном кабеле, поскольку в первом случае каждое устройство может быть изолировано концентратором от общей среды, а во втором случае несколько устройств подключаются при помощи одного сегмента кабеля, и, в случае большого количества коллизий, концентратор может изолировать лишь весь сегмент.

В последнее время концентраторы используются достаточно редко, вместо них получили распространение коммутаторы — устройства, работающие на канальном уровне модели OSI и повышающие производительность сети путём логического выделения каждого подключённого устройства в отдельный сегмент, домен коллизии.

Принцип работы Switch'а (коммутатора)

Сетевой коммутатор или свитч (жарг. от англ. switch — переключатель) — устройство, предназначенное для соединения нескольких узлов компьютерной сети в пределах одного сегмента сети.

Коммутатор работает на канальном уровне модели OSI, и потому в общем случае может только объединять узлы одной сети по их MAC-адресам. Коммутаторы были разработаны с использованием мостовых технологий и часто рассматриваются как многопортовые мосты.

Коммутатор хранит в памяти таблицу коммутации (хранящуюся в ассоциативной памяти), в которой указывается соответствие MAC-адреса узла порту коммутатора. При включении коммутатора эта таблица пуста, и он работает в режиме обучения. В этом режиме поступающие на какой-либо порт данные передаются на все остальные порты коммутатора. При этом коммутатор анализирует кадры (фреймы) и, определив MAC-адрес хоста-отправителя, заносит его в таблицу. Впоследствии, если на один из портов коммутатора поступит кадр, предназначенный для хоста, MAC-адрес которого уже есть в таблице, то этот кадр будет передан только через порт, указанный в таблице. Если MAC-адрес хоста-получателя не ассоциирован с каким-либо портом коммутатора, то кадр будет отправлен на все порты. Со временем коммутатор строит полную таблицу для всех своих портов, и в результате трафик локализуется. Стоит отметить малую латентность (задержку) и высокую скорость пересылки на каждом порту интерфейса.

Режимы коммутации

Существует три способа коммутации. Каждый из них — это комбинация таких параметров, как время ожидания и надёжность передачи.

С промежуточным хранением (Store and Forward). Коммутатор читает всю информацию в кадре, проверяет его на отсутствие ошибок, выбирает порт коммутации и после этого посылает в него кадр.
Сквозной (cut-through). Коммутатор считывает в кадре только адрес назначения и после выполняет коммутацию. Этот режим уменьшает задержки при передаче, но в нём нет метода обнаружения ошибок.
Бесфрагментный (fragment-free) или гибридный. Этот режим является модификацией сквозного режима. Передача осуществляется после фильтрации фрагментов коллизий (кадр размером 64 байта обрабатываются по технологии store-and-forward, остальные по технологии cut-through).

Латентность, связанная с «принятием коммутатором решения», добавляется к времени, которое требуется кадру для входа на порт коммутатора и выхода с него и вместе с ним определяет общую задержку коммутатора.

Принцип работы Router'а (маршрутизатора)

Маршрутиза́тор или роутер, рутер (от англ. router), — сетевое устройство, на основании информации о топологии сети и определённых правил принимающее решения о пересылке пакетов сетевого уровня (уровень 3 модели OSI) между различными сегментами сети.

Обычно маршрутизатор использует адрес получателя, указанный в пакетах данных, и определяет по таблице маршрутизации путь, по которому следует передать данные. Если в таблице маршрутизации для адреса нет описанного маршрута, пакет отбрасывается.

Существуют и другие способы определения маршрута пересылки пакетов, когда, например, используется адрес отправителя, используемые протоколы верхних уровней и другая информация, содержащаяся в заголовках пакетов сетевого уровня. Нередко маршрутизаторы могут осуществлять трансляцию адресов отправителя и получателя, фильтрацию транзитного потока данных на основе определённых правил с целью ограничения доступа, шифрование/дешифрование передаваемых данных и т.д.

Таблица маршрутизации содержит информацию, на основе которой маршрутизатор принимает решение о дальнейшей пересылке пакетов. Таблица состоит из некоторого числа записей — маршрутов, в каждой из которых содержится адрес сети получателя, адрес следующего узла, которому следует передавать пакеты и некоторый вес записи — метрика. Метрики записей в таблице играют роль в вычислении кратчайших маршрутов к различным получателям. В зависимости от модели маршрутизатора и используемых протоколов маршрутизации, в таблице может содержаться некоторая дополнительная служебная информация. Например:

Коммутация – важнейший аспект построения любой сети, особенно – корпоративной. Этой публикацией мы открываем цикл статей, посвященных коммутации. В первой ее части мы сосредоточимся на теоретической составляющей и начнем с определения терминов.

Коммутацией в компьютерной сети принято называть процесс объединения ее абонентов с помощью транзитных узлов. В качестве абонентов могут выступать как персональные компьютеры, так и другие офисные устройства (принтеры, факсы и т.д.), а также отдельные сегменты локальных сетей.

Необходимость коммутации сетей возникла в связи с невозможностью соединения двух абонентов в сетях общего доступа с помощью индивидуальной физической линии связи – т.к. таких число таких абонентских пар исторически всегда превышало возможности сетевой инфраструктуры. Потребовались технологии коммутации, позволяющие связывать абонентов, разделяя между ними существующие физические каналы связи. В общем случае эти технологии сводятся к тому, что за каждым абонентом закрепляется личная линия связи, которая обеспечивает его подключение к устройству-коммутатору, а линии связи между несколькими коммутаторами, используются уже совместно.

Коммутаторы делятся на два типа:

Неуправляемые коммутаторы. Обычные автономные устройства в любой локальной сети, управляющие передачей данных самостоятельно и не имеют возможности дополнительной настройки. В силу своей дешевизны и простоты настройки получили широкое распространение при монтаже в домашних условиях и малом бизнесе.
Управляемые коммутаторы. Более продвинутые устройства, которые администраторы сетей могу настраивать под заданные задачи.

Также коммутаторы можно разделить на три уровня в зависимости от тех задач, которые они выполняют в структуре локальной сети.

Уровень доступа сети. Коммутаторы доступа предоставляют точки устройств конечного пользователя. В крупных локальных сетях фреймы коммутаторов доступа не взаимодействуют друг с другом, а передаются через коммутаторы распределения.
Уровень распределения. Коммутаторы данного уровня пересылают трафик между коммутаторами доступа, но при этом не взаимодействуют с конечными пользователями.
Уровень ядра системы. Устройства данного типа объединяют каналы передачи данных от коммутаторов уровня распределения в крупных территориальных локальных сетях и обеспечивают высокую скорость коммутации потоков данных.

Теперь рассмотрим некоторые общие термины, важные для понимания процесса коммутации сетей: СКС, ЛВС и IP и широковещательный домен.

Структурированная кабельная система (СКС) – это физическая часть сети, включающая в себя, в узком смысле, кабели, переключатели, коммутационные панели и т.д., а в широком – совокупность сетей, в которую могут входить локальные вычислительные сети, (ЛВС) телефония, устройства видеонаблюдения и т.д. Как правило для настройки коммутации системному администратору не требуется глубоко погружения в физическую архитектуру сети.

Локальная вычислительная сеть (ЛВС) , часто более известна специалистам как Local Area Network (LAN), поскольку слово «вычислительная» уже долгое время является анахронизмом – это сеть конкретной компании. Если углубиться в детали, то термин LAN корректнее использовать для наименования локальной сети, находящейся под управлением одного системного администратора – как правило вся часть IT-инфраструктуры компании, берущая начало от роутера.

IP-адресация: индивидуальный сетевой адрес узла в компьютерной сети, строящийся на базе стека протоколов TCP/IP. При подключении роутера к сети роутер как правило выдает IP-адрес вида 192.168.1.x. Начальные цифры обусловлены тем, что IP-адреса можно разделить на публичные и приватные. Первые применяются в интернете, они уникальны и распределяются IANA(Internet Assigned Numbers Authority). Вторые – нужны для использования в частных сетях. Они повторяются в разных локальных сетях т.к. не выходят за их пределы.

Широковещательный домен – логический сектор сети, необходимый для широковещательной передачи данных между устройствами без задействования маршрутизаторов. Подробнее об их функции в контексте теории коммутации мы поговорим в следующих публикациях.

В следующей статье мы расскажем о некоторых характеристиках коммутаторов, определяющихся понятиями, освещенными выше, а также рассмотрим уровни модели стека сетевых протоколов Open Systems Interconnection (OSI/ISO), затрагивающие коммутацию в локальных сетях предприятий.

Коммутация каналов – телефонная сеть (X25, ATM)

Сети с коммутацией каналов можно разделить на 2 класса:

· Сеть с динамической коммутацией

· Сеть с постоянной коммутацией (сети с выделенной линией)

Коммутация каналов предполагает, что между абонентами устанавливается физический, составной, непрерывный канал связи.

Достоинства

- Гарантированная пропускная способность

- Непрерывность, синхронность, последовательность

- Гарантированная доставка данных

- Все коммутаторы (участки, каналы, связи) должны иметь одинаковую п пропускную способность (т.к. нет промежуточного хранения)

- Монопольные владения данным соединением, всеми каналами связи, которые в входят в соединение.

- Неэффективное использование каналов связи => низкая пропускная способность в всей сети в целом.

На сегодня работает только для некоторых оперативных служб чаще всего поверх коммутации пакетов.

Достоинства:

- нет монопольного владения КС, в каждый момент занят только один канал.

- КС могут иметь любые пропускные способности.

Недостаток: большой объем буфера.

3. Коммутация пакетов

- уменьшается время передачи данных, т.к. передача разных пакетов на разные участки одновременно.

- Разные КС могут иметь различные пропускные способности. Возможность разделения КС во времени между различными информационными соединениями.

- Малый объем буфера.

– пакеты передаются независимо

Способ коммутации пакетов называется дейтограммой. Используется для передачи не критичных данных.

Виртуальные каналы в сетях с коммутацией пакетов

Виртуальные соединения разделяют физический канал по времени. При способе виртуальных соединений предусмотрен механизм предварительного соединения. В этом случае перед началом передачи данных между двумя входящими узлами должен быть установлен виртуальный канал, который представляет единственный маршрут, соединяющий эти узлы.

Могут быть динамическими и постоянными.

Динамические Виртуальный канал устанавливается при передачи в сеть спец пакета – запроса на установление соединения. Этот пакет проходит через коммутаторы сети и прокладывает канал. Это значит, что коммутаторы запоминают маршрут для этого соединения и в последующем поступлении пакетов данного соединения всегда отправляют его по проложенному маршруту.

Постоянный канал задается админом сети, путем ручной настройки коммутатора. При отказе коммутатора или канала Вирт канал прекращается и прокладывается заново.

Время, затраченное на установление виртуального канала компенсируется быстрой передачей всего потока пакетов. После того как данные переданы канал разъединяется.

Способы мультиплексирование

Для эффективного использования каналов связи сущ. 3 метода мультиплексирования (разделение их между множеством абонентов) :

1. Способ частотного мультиплексирования FDM.

2. Мультиплексирования с разделением по времени TDM .

3. По длине волны WDM . (в оптоволоконных каналах связи)

Спектр человеческого голоса

Основные гармоники для передачи без искажений

По телефонному каналу передается сигнал 60-108 кГц. Напрямую голос передать нельзя, поэтому используется несущая частота.

Технология TDM . Появился в 80-х, с появлением первых цифровых каналов связи. Использовался в телефонных коммутаторах Т1.

Был предложен AT & T для первых сетей ASTM -

Метод импульсно-кодовой модуляции – цифровое кодирование аналогового сигнала

Все абонентские окончания имеют пропускную способность 64Кбит/с, причем время каждого цикла (время обоймы) <=125 мс

Каждую разницу амплитудных значений загоняем в 1 байт

Выбирается частота дискретизации – частота съема дискретных значений. f диск > 2 f человеч гармоник, >6800. = 8000

dt = 1/8000 = 125 мкс – время цикла

dt 1 = dt / N – время одного абонентского окончания в цикле

Используется в технологиях STM , ATM ( Synchronous , Asynchronous Transfer Mode ) в режимах синхронной передачи и в режиме асинхронной передачи.

Используется в коммутаторах Т1, используется в США, Канаде, Японии.

В ТДМ – 24окончания * 64 Кбит/с + 1 бит = 1,514Мбит/сек

Европа: тот же принцип

Но! Первоначально не 24 окончания, а 32.

Е1 = 32*64кбит/сек = 2048 кбит/сек, е2=4*е1, е3=4*е2, е4=4*е3

WDM – по принципу это ТДМ, тот же рисунок. Но передаем не через аналоговый сигнал, а по оптоволоконному каналу. Волны считываются циклически, разбиваются, считывается разница их частотных значений в Гц. Число абонентских окончаний равно числу диапазонов для волн, считываются и воспроизводятся. Дешифратором осуществляется разделение на мультимедиа и голос. Но – другие скорости

Каналы связи различаются по направлению передачи данных:

1. симплексные (в одну сторону – радио)

2. полудуплексные (в два направления, со временем ожидания – как рация)

3. дуплексные каналы связи (в оба направления одновременно – телефон)

Читайте также: