Методы коммутации информации. Протоколы реализации
8.1 Коммутация. Коммутация каналов
Когда, сняв телефонную трубку, абонент или компьютер набирает номер, коммутационное оборудование телефонной сети отыскивает ведущий к абоненту или компьютеру на противоположном конце провод. Иными словами, при получении телефонным коммутатором вызова он устанавливает физическое соединение между входящей и исходящими линиями. Основная идея остается неизменной: соединение между двумя конечными точками должно быть установлено до начала передачи данных и существовать в продолжении всего диалога до его завершения.
Физическое соединение между вызывающим и вызываемым абонентом устанавливается во время прохождения вызова на все время разговора.
Перерыв между набором последней цифры и получением ответного сигнала (например, "занято") может составлять порядка нескольких секунд, особенно в случае междугородних или международных звонков. Все это время телефонная система пытается установить соединение с абонентом на другом конце. После того как соединение осуществлено, задержка в передаче данных определяется исключительно временем распространения электромагнитного сигнала (5 мс на 1000 км). Кроме того, в отличие от коммутации пакетов трафику не грозят никакие перегрузки на пути следования - т. е. вы никогда не услышите сигнал "занято" после того, как удалось дозвониться, разве что кто-нибудь перережет провод.
А ведь еще не так давно соединение осуществлялось оператором на телефонной станции путем подключения кабельной перемычки к гнездам соответствующих входящей и исходящей линий, хотя автоматическая коммутация была изобретена еще в прошлом веке.
8.2 Коммутация сообщений
При использовании коммутации сообщений сообщение передается как единое целое. При этом необходимо установить максимальную длину сообщения, и в случае, когда действительная длина сообщения превышает эту величину, пользователь должен сам пакетировать сообщение, причем длина каждого пакета не должна превышать максимально допустимую.
8.3 Коммутация пакетов
Первый проект Рекомендаций Х.25 был издан МККТТ в 1974 году. Он пересматривался в 1976, 1978, 1980 и 1984 гг, а в 1985 г был издан в виде Рекомендаций, известных как "Красная книга". Стандарт Х.25 определяет процедуры обмена данными для устройств передачи данных между пользователем и узлом коммутации пакетов. Таким образом, протокол Х.25 является, практически, только спецификацией сопряжения. Он управляет взаимодействием между оконечным оборудованием данных (DTE - Date Terminal Equipment) и оборудованием передачи данных (DСЕ -Date Circuit terminating Equipment). Нижний физический уровень обеспечивает необходимое физическое соединение между DTE и ОСЕ. Оно осуществляется в соответствии с Рек. СС МСЭ Х.21. Протоколом уровня канала является версия высокоуровневого управления каналом (HDLC - High Level Date Link Control), называемая сбалансированной процедурой доступа к каналу (LAPB - Link Access Procedures Balanced).
Вследствие низкого качества каналов связи для обеспечения приемлемой семантической прозрачности сквозного соединения в сети потребовалось использование сложных протоколов, осуществляющих разграничение кадров и защиту от ошибок.
Блоку уровня канала передачи данных протокола LAPB присвоено специальное название - кадр (Frame). Типовой формат кадра показан на рис. 1:
Флаг
Поле адреса
Поле управляющих символов
Информационное поле
Поле проверочных символов
Флаг
Рисунок 8.1.
Начало и конец кадра обозначается специальной восьмиразрядной синхронизирующей комбинацией символов 01111110, именуемой флагом. За флагом следует поле адреса и поле управляющих символов. В информационном поле располагаются данные, полученные от сетевого уровня (пакет). Затем в кадре размещается поле проверочных символов, служащих для обнаружения ошибок. Кадры, предназначенные для управления процессами переноса информации, информационного поля не имеют.
Для определения границ кадров используется битовое кадрирование, т.е. специальная последовательность битов - флаг, как для указания начала и конца кадра, так и для холостого заполнения, Однако комбинация 01111110 может встретиться в адресном, управляющем, информационном поле и поле проверочной последовательности. Для того, чтобы предотвратить вставку в поток данных внутри кадра флаговой комбинации, передающая станция помещает 0 после пяти подряд идущих единиц, встретившихся в любом месте между начальными и конечными флагами кадра. Этот метод получил наименование вставки битов (Bit Stuffing). Приемник постоянно контролирует поток битов. После того, как он получит нуль с пятью далее идущими подряд единицами, приемник анализирует следующий бит. Если это нуль, он удаляет его. Однако, если седьмой бит является единицей, приемник анализирует восьмой бит. Если это нуль, то он считает, что получена флатовая последовательность 01111110. Если это единица, то получен сигнал покоя или аварийного завершения.
Таким образом, в протоколе LAPB обеспечивается кодовая прозрачность и прозрачность по данным. Протоколу безразлично, какие кодовые комбинации находятся в потоке данных. Единственное, что требуется - это поддерживать уникальность флагов.
Поле проверочных символов используется для обнаружения ошибок передачи между двумя станциями звена данных. Передающая станция осуществляет вычисления над потоком данных пользователя, а результат этого вычисления включается в кадр в качестве проверочного поля (в ряде источников проверочное поле именуется CRC - циклическая избыточная проверка). Принимающая станция производит аналогичные вычисления и сравнивает полученный результат с проверочным полем. Если имеет место совпадение, то велика вероятность того, что передача прошла без ошибок. Вычисление проверочного поля называется циклическим контролем с избыточным кодом (CRC - Cyclic Redundancy Check), для чего в соответствии с Рек. СС МСЭ V.41 используется производящий полином.
Метод CRC позволяет обнаруживать все возможные кортежи ошибок длиной не более 16 разрядов, вызываемые одиночной ошибкой, а также 99,9984% всевозможных более длинных кортежей ошибок. Если выявлена ошибка, то производится исправление по методу возвращения на N шагов назад (Go-Back-N).
Стандарт Х.25 ориентирован на предоставление пользователям для обмена данными виртуальных каналов. Виртуальный канал (также называемый в терминах Х.25 логическим каналом) является каналом, относительно которого пользователь считает, что он реально существует, хотя в действительности физическая цепь распределена для многих пользователей, а виртуальный канал, по существу, является виртуальной реальностью. В одном физическом канале при пакетной коммутации осуществляется мультиплексирование потоков пакетов многих пользователей. Пропускная способность канала считается достаточной при условии, что ни один из пользователей не замечает ухудшения качества обслуживания при работе по этому каналу других. В Х.25 для идентификации подключения оконечного оборудования данных в сеть используются номера логических каналов. Одному физическому каналу может быть назначено до 4095 логических каналов. Различают два вида соединений: виртуальный канал и постоянный виртуальный канал. Постоянный виртуальный канал аналогичен соединению, образуемому при кроссовой коммутации каналов. Он не требует посылки вызова, так как логический канал постоянно находится в состоянии передачи данных. Аналогом виртуального канала является соединение, устанавливаемое по заказу на время сессии при ручной или автоматической коммутации каналов.
Другой функцией протокола на сетевом уровне является управление потоком с помощью окна с целью защиты от перегрузок. Пакеты Х.25 имеют переменную длину, что требует достаточно сложного алгоритма управления буферным устройством коммутатора. Однако при скорости в канале, не превышающей 64 кбит/с, переменная длина пакетов не является ограничением для разработки эффективных программных средств управления накопителями.
Относительно низкая скорость обработки в узлах коммутации на уровне звена из-за ее сложности является причиной продолжительной задержки. Однако, так как сети Х.25 не были предназначены для обеспечения служб, осуществляемых в реальном масштабе времени, то относительно большое время задержки не явилось ограничением на создание таких сетей.
Протокол Х.25 является одним из самых сложных, так как узлы коммутации на уровне звена обязаны выполнять большое количество Функций: разграничение кадров, вставка битов, обеспечение кодовой прозрачности, циклическое избыточное кодирование для обнаружения ошибок, повторная передача для исправления ошибок с помощью протокола ARQ, управление потоком с помощью окна и мультиплексирование потоков пакетов различных виртуальных каналов в едином физическом канале. Все это значительно затрудняет применение метода коммутации пакетов для служб, осуществляемых в реальном масштабе времени, вследствие продолжительной задержки, возникающей из-за повторных передач, и для служб, требующих высоких скоростей передачи данных равных десяткам или сотням Мбит в секунду из-за сложности в обработке.
Однако коммутация пакетов является эффективным методом транспортирования данных для службе относительно низкой скоростью передачи.
Применение для передачи данных цифровых трактов связи с меньшим уровнем ошибок, а также необходимость обеспечения высокоскоростной передачи данных позволили сократить количество функций, решаемых узлом коммутации на уровне звена, и рассмотреть возможность практического использования в узкополосных сетях протокола Frame Relay.
При протоколе Frame Relay повторная передача кадров с целью устранения ошибок осуществляется только по сквозному каналу, т.е. между оконечными устройствами пользователей (функция управления ошибок вынесена на границу сети). Для того, чтобы не загружать каналы передачей кадров, в которых есть ошибки, на уровне звена производится только обнаружение ошибок и стирание кадров, в которых обнаружены ошибки.
В настоящее время протокол Frame Relay используется во многих пакетных сетях для обеспечения высокоскоростной передачи данных.
8.4 Коммутация пакетов в виртуальных каналах
Тот способ, с помощью которого данные, речевая и видеоинформация передаются из одного пункта в другой, зависит от типа используемого вами средства. Сетевые и телефонные средства могут быть ориентированными на подключения или нет.
Ориентированные на подключения средства предусматривают выделенную связь между двумя системами. Это физическая линия, которую вы можете установить с помощью телефонного центра коммутации перед началом передачи данных. Ориентированными на подключение являются линии с вызовом по номеру и арендуемые линии.
Датаграммные средства не являются ориентированными на подключения. Данные и оцифрованная голосовая информация помещаются в пакеты, им присваивается адрес, и они передаются по сложным межсетевым линиям. Адрес пакета определяет его наилучший маршрут через коммуникационную сеть. Пользователям системы с обоих концов кажется, что они работают через выделенную линию. Фактически, это виртуальная линия. Такая "линия" образуются, когда пакеты или ячейки данных путешествуют по сети по многим маршрутам (отсюда и название - коммутация или переключение пакетов). Выбор наилучшего маршрута позволяет оптимизировать прохождение. Такую связь предоставляют средства PDN. Сложную сеть с коммутацией пакетов часто называют облаком. Это иллюстрирует следующий рисунок.
+---------+ Виртуальная линия ¦+-------+¦ ¦¦ ¦¦ +-+---------------------+ ¦¦ ¦¦ ¦ +--------+ ¦ ¦ ¦ ¦+-------+¦ ¦ ¦ ¦ +---------+ ¦ +--+---+--+ ¦ ¦ ¦ ¦ +--+ +------+---+-------+ ¦ +---------------------- ¦ - +--+ +--++--------+ ¦ ¦ +--------+ ¦ +--+ +--+¦ +------------------+----- +------------------+ ¦ "Облако" +--------+ ¦ +---------+ ¦ ¦+-------+¦ ¦ ¦¦ ¦¦ ¦ ¦¦ ¦¦ ¦ ¦+-------+¦ ¦ +--+---+--+ ¦ +------+---+-------+¦ ¦ - +--+ +--+¦¦ ¦ +--+ +--+++ +------------------+
8.5 Выделенные аналоговые и цифровые линии