Коммутация каналов
Сети, построенные на принципе коммутации каналов, имеют богатую историю, они и сегодня нашли широкое применение в мире телекоммуникаций, являясь основой создания высокоскоростных магистральных каналов связи. Первые сеансы связи были осуществлены через телефонную сеть, то есть также с применением техники коммутации каналов, а пользователи, которые получают доступ в Интернет по модему, продолжают обслуживаться этими сетями, так как их данные доходят до оборудования провайдера по местной телефонной сети. Основной областью использования технологии коммутации каналов являются телефонные сети, поэтом далее коммутация каналов рассматривается на примерах работы телефонных сетей.
В сетях с коммутацией каналов решаются все те частные задачи обобщенной задачи коммутации. Узлами сети являются абоненты, а информационными потоками – данные, которыми абоненты обмениваются. Соответственно, глобальным признаком потока является пара телефонных номеров. Для всех потоков маршрут определяется заранее. Он определяется вручную или автоматически, а затем фиксируется в таблице по признакам. На основании таблиц происходит продвижение и мультиплексирование данных. Однако в сетях с коммутацией каналов решение всех этих задач имеет свои особенности.
Одной из таких особенностей является понятие элементарного канала. Элементарный канал(или просто канал) – это базовая техническая характеристика сети с коммутацией каналов, представляющая собой некоторое фиксированное в пределах данного типа сетей значение пропускной способности. Любая линия связи в сети с коммутацией каналов имеет пропускную способность, кратную элементарному каналу, принятому для данного типа сети.
Ранее термин «канал» использовался как синоним термина «линия связи». В сетях с коммутацией каналов под «каналом» подразумевается единица пропускной способности.
Значение элементарного канала или единица пропускной способности линии связи выбирается с учетом разных факторов. В телефонных сетях распространенным значением элементарного канала является скорость 64 Кбит/с – минимально достаточная скорость для качественной цифровой передачи голоса.
Особенностью сетей с коммутацией каналов является то, что пропускная способность каждой линии связи должна быть равна целому числу элементарных каналов.
На рисунке 3.6 показан фрагмент сети с коммутацией каналов. Предположим, что элементарный канал этой сети равен P бит/с. В сети существуют линии связи с разной пропускной способностью, состоящие из 2, 3, 4 и 5 элементарных каналов. Для информационного потока, генерируемого между абонентами A и B, предусмотрен маршрут через четыре коммутатора S1, S2, S3и S4. Предположим, что интенсивность потока не превосходит 2P бит/с. Тогда для обмена данными этим двум абонентам достаточно иметь в своем распоряжении по паре элементарных каналов, выделенных из каждой линии связи на маршруте. На рисунке эти элементарные каналы обозначены толстыми линиями.
Рисунок 3.6. Составной канал
Связь, построенная путем соединения (коммутации) элементарных каналов, называется составным каналом.
В рассмотренном примере для соединения абонентов был создан составной канал «толщиной» в два элементарных канала. В зависимости от требований к пропускной способности абоненты могут зарезервировать большее или меньшее (но непременно одинаковое для всех линий связи) количество элементарных каналов.
Составной канал имеет следующие свойства:
он на всём своём протяжении состоит из одинакового количества элементарных каналов,
он имеет постоянную и фиксированную пропускную способность на всём своём протяжении и на всё время его использования,
на время сеанса связи все элементарные каналы, входящие в основной канал, поступают в исключительное пользование абонентов, для которых был создан этот составной канал,
данные, поступившие в составной канал, гарантированно доставляются абоненту без задержек, потерь и с той же скоростью (скоростью источника) вне зависимости от того, имеются ил в это время в сети другие соединения или нет,
составной канал создается временно на период сеанса связи двух абонентов. После окончания сеанса связи элементарные каналы, входившие в соответствующий составной канал, объявляются свободными и возвращаются в пул распределяемых ресурсов для использования другими абонентами.
В сети может одновременно происходить несколько сеансов связи. Разделение сети между сеансами связи происходит на уровне элементарных каналов. Например (рис. 3.6), после того, как в линии связи S2-S3 было выделено два элементарных канала для абонентов A и B, оставшиеся три канала могут быть распределены между другими сеансами связи, проходящими в то же время и через ту же линию связи.
Поскольку число элементарных каналов на каждой из линий связи ограничено, очевидно, что среди абонентов возможна конкуренция за свободные каналы. Для распознавания таких ситуаций перед обменом данных в сети с коммутацией каналов осуществляется процедура установления соединения. В соответствии с этой процедурой абонент, являющийся инициатором связи (например, абонент A), посылает в коммутационную сеть запрос в виде сообщения, в котором содержится адрес вызываемого абонента (абонент B).
Цель запроса – проверить, можно ли образовать составной канал между вызывающим и вызываемым абонентами. Для этого требуется соблюдение двух условий:
наличие требуемого числа свободных элементарных каналов в каждой линии связи на пути абонентов,
незанятость вызываемого абонента в другом соединении.
Запрос перемещается по маршруту, определенному для информационного потока данной пары абонентов. При этом используются глобальные таблицы коммутации, ставящие в соответствие глобальному признаку потока номер выходного интерфейса коммутатора.
Если в результате прохождения запроса выяснилось, что ничто не препятствует установлению соединения, происходит фиксация составного канала. Для этого во всех коммутаторах вдоль пути отA до B создаются записи в локальных таблицах коммутации, в которых указывается соответствие между локальными признаками потока – номерами элементарных каналов, зарезервированными для данного сеанса связи. Только после этого составной канал считается установленным, и абоненты могут начать сеанс связи.
Запросы на установление соединения не всегда завершаются успешно. Если на пути между абонентами отсутствуют свободные элементарные каналы, или вызываемый абонент уже занят, происходит отказ в установлении соединения. Например (рис. 3.6), если во время сеанса связи абонентов A до B абонент C пошлет запрос в сеть на установление соединения с абонентом D, то он получит отказ, потому что оба необходимых ему элементарных канала, составляющих линию связи коммутаторов S3 и S4, уже выделены соединению абонентов A до B. При отказе в установлении соединения сеть информирует вызывающего абонента специальным сообщением (в случае с телефонной сетью – короткие гудки).
Так выглядит процедура установления соединения в автоматическом режиме, основанном на способности абонентов отправлять в сеть служебные сообщения – запросы на установление соединения и способности узлов обрабатывать такие сообщения. Такой режим подходит для традиционной телефонной сети с короткими сеансами связи. Однако это – не единственно возможный режим работы сети с коммутацией каналов, существует и другой статический режимустановления соединения. Этот режим характерен для случаев, когда необходимо установить составной канал не на время одного сеанса связи абонентов, а на более долгий срок, например, для создания высокоскоростного телекоммуникационного канала между городами и странами на постоянной основе. Созданием таких каналов занимаются администраторы сети.
Сети с коммутацией каналов наиболее эффективны, когда поток пользовательского трафика носит постоянный характер и максимально приближен к значению пропускной способности физических линий связи в течение всего сеанса связи. Эффективность сети снижается, когда информационные потоки приобретают пульсирующий характер. Таковым является так называемый компьютерный трафик, который генерируется пользовательскими приложениями. Например, при загрузке страницы из Интернета скорость возрастает, а после завершения снижается практически до нуля. Если для такого сеанса использовать сеть с коммутацией каналов, то большую часть времени канал будет простаивать, в то время как часть пропускной способности сети будет закреплена за абонентом, оставаясь недоступной другим пользователям сети.
Для эффективной передачи неравномерного компьютерного трафика была специально разработана технология коммутации пакетов.