1
Techniki komutacji
SOiSK
Marek Pudełko
1
Techniki komutacji
SOiSK
Marek Pudełko
2
Techniki komutacji
• Komutacja to w elektronice zmiana
(przełączanie) drogi przepływu prądu
elektrycznego;
– np. przełączanie przepływu prądu
obciążenia z jednego zaworu na drugi;
• Technika komutacji jest to sposób
transferu danych od węzła
źródłowego, poprzez węzły
tranzytowe, do węzła docelowego.
3
Rodzaje technik komutacji
• Technikę komutacji wybiera się w zależności od tego jakie
jest natężenie ruchu w sieci: zmienne czy stałe.
• Od wybranej techniki komutacji zależy złożoność
przetwarzania informacji węzłach sieci. Zależność między
wybraną techniką komutacji a częstotliwością zmian
natężenia w ruchu w sieci i stopniem złożoności operacji w
węźle ilustruje wykres.
• Rodzaje technik komutacji:
– komutacja kanałów;
– wielostrumieniowa komutacja kanałów;
– komutacja pakietów;
– komutacja ramek;
– komutacja komórek;
S ta łe n a tę ż e n ie
s tru m ie n ia
P roste procedu ry
przetw arzania w w ęzłach
K o m u tacja k anałó w
W ielo stru m ieniow a k o m u tacja
k anałó w
K o m u tacja pak ietó w
K o m u tacja k o m ó rek
K o m u tacja ram ek
z m ie n n e n a tę ż e n ie
s tru m ie n ia
S ta łe n a tę ż e n ie
s tru m ie n ia
Z ło żo ne pro cedu ry
przetw arzania w w ęzłach
4
Komutacja kanałów
• Technika ta polega na zestawieniu
odpowiedniej trasy (kanału), którą
porozumiewają się obie strony.
• Trasa przesyłania sygnału jest
sekwencją poszczególnych kanałów.
• Przesyłanie danych następuje dopiero
po ustanowieniu połączenia, czyli po
zestawieniu dedykowanej trasy
pomiędzy systemem nadawcy i
systemem odbiorcy
5
Przesył danych
1
2
3
4
5
A
B
S y stem u ży t. k o ńco w ego
W ęzeł sieci
A
1
6
Przesył danych - Zestawienie
połączenia
• Jeżeli użytkownik A chce uzyskać połączenie z użytkownikiem B
to wysyła do węzła 1 żądanie uzyskania połączenia.
• Następnie węzeł 1 (na podstawie odpowiedniej procedury)
znajduje kolejny węzeł na trasie do użytkownika B. Załóżmy, że
wybrany został węzeł 4. Węzeł 1 rezerwuje kanał łączący go z
węzłem 4 i przesyła do węzła 4 żądanie połączenia z
użytkownikiem B.
• Z kolei węzeł 4 rezerwuje kanał do węzła 5 i dołącza go do
zarezerwowanego wcześniej kanału łączącego węzły 4 i 1.
Żądanie połączenia przechodzi do węzła 5.
• W ten sposób zostaje zestawiona trasa od użytkownika A do węzła
5. Węzeł 5 dołącza następnie do utworzonego połączenia kanał
łączący go z użytkownikiem B.
• W ten sposób utworzone zostaje połączenie od użytkownika A do
użytkownika B, którym następnie są przesyłane wiadomości
służbowe pozwalające określić czy użytkownik B zgadza się na to
połączenie.
7
Przesył danych – transfer
danych
• Wymiana danych między użytkownikami
połączeniem ustanowionym w poprzedniej fazie.
8
Przesył danych – zakończenie
połączenia
• Zakończenie połączenia odbywa się
poprzez
wysłanie
odpowiednich
wiadomości kolejno do węzłów 1, 4 i 5.
• Powoduje to, że kanały wchodzące w
skład połączenia są zwalniane i mogą
posłużyć do zestawiania połączeń
pomiędzy innymi użytkownikami;
9
Komutacja kanałów – wady i
zalety
• Istotną cechą techniki komutacji kanałów jest
konieczność ustanowienia połączenia między
użytkownikami zanim zostaną przesłane dane.
• Powoduje to powstanie pewnych opóźnień w
przesyłaniu informacji oraz to, że kanały są
niewykorzystywane podczas zestawiania
połączenia, rozłączania połączenia oraz w
przerwach w transmisji przy zestawionym
połączeniu.
• W efekcie daje to spadek efektywności
wykorzystania sieci a tym samym zwiększa
koszty jej eksploatacji.
10
Komutacja kanałów -
zastosowanie
• Technika ta jest wykorzystana w
sieciach, w których przesyła się
jednocześnie dane i głos.
• Przykładem sieci z komutacją kanałów
może być sieć telefoniczna.
• Sieć ISDN również wykorzystuje
technikę komutacji kanałów.
11
Komutacja pakietów
• Jest to najbardziej elastyczna z technik
komutacji spośród obecnie stosowanych.
• Jest bardzo przydatna w sieciach, w których
użytkownik musi wymieniać dane z wieloma
innymi użytkownikami naraz i którzy przesyłają
zmienne ilości danych.
• Technika komutacji pakietów polega na tym, że
informacje są przesyłane przez sieć w postaci
pakietów:
– informacja użytkownika jest dzielona na części o
stałym rozmiarze (z wyjątkiem ostatniej).
– Następnie do każdej z nich dodawany jest nagłówek
(o stałej długości).
12
Komutacja pakietów
• Podział informacji na pakiety
Info rm acja
pak iet
nagłó w ek
info rm acja
13
Komutacja pakietów
• Pakiet składa się więc z dwóch części:
organizacyjnej (nagłówek) i informacyjnej
(dane).
• Pakiety są przesyłane między węzłami sieci.
Pakiet musi zostać w całości odebrany przed
wysłaniem go dalej. Po odebraniu pakiet jest
umieszczany w pamięci węzła (pamięć
buforowa). Pamięć ta podzielona jest na równe
części odpowiadające maksymalnej długości
pakietu, co pozwala znacznie ułatwić zarządzanie
buforami. Ponadto w węzłach dokonuje się
sprawdzenia czy pakiet nie zawiera błędów oraz
podejmuje się decyzję o dalszej trasie.
14
Metody przesyłu
• Pakiety mogą być przesyłane jedną z dwóch
metod:
–
bezpołączeniową
–
połączeniową.
• W metodzie bezpołączeniowej system sieciowy
odpowiada jedynie za przesłanie pakietów.
Wykrywanie błędów i sterowanie przepływem
realizowane jest przez nadawcę i odbiorcę.
• W metodzie połączeniowej system sieciowy
przejmuje odpowiedzialność za bezbłędne
dostarczenie pakietów we właściwej kolejności i
wykrywanie zagubionych lub uszkodzonych
pakietów.
15
Metoda bezpołączeniowa
cz1
• W metodzie bezpołączeniowej system sieciowy odpowiada
jedynie za przesłanie pakietów. Wykrywanie błędów i
sterowanie przepływem realizowane jest przez nadawcę i
odbiorcę.
• W przypadku, gdy zostanie wykryty fakt, że pakiet nie
dotarł do odbiorcy to musi on wysłać żądanie retransmisji
w celu otrzymania pakietu. Brak pakietu wykrywany jest
podczas składania z nadesłanych pakietów pierwotnej
informacji. Każdy pakiet stanowi niezależną jednostkę
danych,
zwaną
datagramem,
która
porusza
się
samodzielnie w sieci.
• Przed wysłaniem pierwszego pakietu nie ma fazy negocjacji
(co ma miejsce w metodzie połączeniowej). Każdy pakiet
zawiera adres nadawcy i odbiorcy. Na podstawie tego
drugiego węzły sieci wybierają odpowiednią trasę.
16
Metoda bezpołączeniowa
cz2
• Na podstawie tego drugiego węzły sieci wybierają
odpowiednią trasę. Nie wszystkie pakiety przechodzą
od nadawcy do odbiorcy jednakową trasą. Różnice w
przebywanych trasach mogą spowodować, że pakiety
dotrą do odbiorcy w niewłaściwej kolejności.
• Odbiorca musi sam przywrócić ich właściwą kolejność.
Odbiorca
nie
wysyła
potwierdzeń
odebranych
informacji, nie istnieją też mechanizmy kontroli
przepływu. Metoda bezpołączeniowa zapewnia zwykle
większą wydajność w sieciach, w których występuje
niewiele błędów powodujących zagubienie lub
uszkodzenie pakietów. Stacje nie muszą poświęcać
wtedy dodatkowego czasu na retransmisję.
• Protokoły bezpołączeniowe: IPX, IP (Internet
Protocol), CLNP (Connectionless Network Protocol).
17
Metoda połączeniowa cz1
• W metodzie połączeniowej system sieciowy przejmuje
odpowiedzialność za bezbłędne dostarczenie pakietów
we właściwej kolejności i wykrywanie zagubionych lub
uszkodzonych pakietów.
• Przed przesyłaniem danych między nadawcą i odbiorcą
ustanawiany jest kanał komunikacyjny (kanał
logiczny, połączenie wirtualne). Kanał ten stanowi
ustalony tor, po którym pakiety mogą być przesyłane w
sposób uporządkowany.
• Kanał określony jest przez stacje końcowe, tzn. ważne
jest utrzymywanie kontaktu między stacjami, nie zaś
rzeczywisty fizyczny tor w sieci.
• Jeśli możliwe jest ustanowienie kilku różnych tras
połączeń, trasa fizyczna może się zmieniać w trakcie
sesji komunikacyjnej zależnie od rozkładu natężenia
ruchu.
18
Metoda połączeniowa cz2
A
A
A
A
A
A
C
C
C
C
C
C
B
C
A
A
A
B
B
B
B
B
B
B
C
P o łą c z e n ie lo g ic z n e
Ź r ó d ło A
S ie ć
O d b io r c a
19
Metoda połączeniowa cz3
• Każde połączenie wirtualne ma swój numer.
Dzięki temu pakiety nie muszą zawierać w
nagłówku adresów stacji a jedynie numer kanału.
• Pakiet jest przesyłany między węzłami, z których
każdy pamięta dokąd ma przesłać pakiet
przypisany do aktualnie otwartego połączenia
wirtualnego.
• Węzły utrzymują tablice z jednym zapisem dla
każdego otwartego połączenia wirtualnego. Gdy
pakiet przybywa do węzła zawiera również
informacje o tym, z którego węzła przybył.
• Właściwą kolejność przesyłania pakietów
zapewnia numeracja pakietów w sposób
sekwencyjny.
20
Metoda połączeniowa cz4
• Istnieją dwa rodzaje połączeń wirtualnych: tymczasowe i stałe.
• Tymczasowe połączenie wirtualne (SVC - Switched Virtual
Circuit) jest zestawiane na żądanie użytkownika na zwykle krótki
czas.
• Stałe połączenia wirtualne (PVC - Permanent Virtual Circuit) są
ustanawiane przez administratorów sieci między parami
użytkowników i są dostępne przez cały czas funkcjonowania
sieci.Połączenia takie są charakteryzowane są przez następujące
parametry:
– CBC (Commited Burst Size) - największa ilość danych (w bitach), którą
usługodawca prześle w określonym przedziale czasu, w normalnych
warunkach pracy sieci;
– EBS (Excess Burst Size) - największa dopuszczalna ilość danych
powyżej ilości uzgodnionej (CBS), którą można próbować przesłać
przez sieć w określonym przedziale czasu.
– CIR (Commited Information Rate) - szybkość z jaką usługodawca
zobowiązuje się przesłać określoną ilość danych (CBS) w warunkach
normalnej pracy sieci;
– FS (Frame Size) - wielkość ramki wykorzystanej do przesyłania danych
klienta przez sieć;
21
Metoda połączeniowa -
zastosowanie
• W aplikacjach wymagających stałego ciągłego strumienia danych
wykorzystuje się usługi połączeniowe, które zapewniają większą
niezawodność i efektywniejszą obsługę błędów.
• Usługi bezpołączeniowe wymagają bardziej rozbudowanych
pakietów, natomiast połączeniowe - realizacji w węzłach
końcowych dodatkowych operacji związanych z nawiązywaniem i
utrzymywaniem
połączenia.
Metody
bezpołączeniowe
przeznaczone są do obsługi krótkich transmisji, dla których nie
opłaca się (ze względów czasowych) tworzyć połączenia.
• Sieci, w których wykorzystano technikę komutacji pakietów
nazywane są sieciami pakietowymi. Taką siecią jest np. sieć X.25.
• Publiczna sieć pakietowa jest często przedstawiana na rysunkach
w postaci chmurki, co wiąże się z mnogością i różnorodnością
połączeń w niej występujących.
• Protokoły połączeniowe to m.in.: SPX, TCP, NetBIOS, CMNP
(Connection Mode Network Protocol),
22
Wielostrumieniowa komutacja
pakietów
• Technika ta łączy ze sobą własności techniki
komutacji kanałów i zasady multipleksacji.
• Na jednej fizycznej linii łączącej użytkownika z
siecią można zrealizować wiele kanałów. Dane
przesyłane w dowolnym z tych kanałów można
następnie
przesłać
do
innego
użytkownika
postępując według zasad analogicznych do techniki
komutacji kanałów. W ten sposób każdy użytkownik
może mieć jednocześnie otwartych wiele połączeń
do innych użytkowników.
23
Komutacja ramek
• Jest nowszą wersją techniki komutacji pakietów
przeznaczoną dla sieci, które wybudowane są z
wykorzystaniem łączy o dobrej jakości.
• Dane przesyłane są w ramkach poprzez połączenia
wirtualne PVC lub SVC.
• Zredukowano tutaj mechanizmy kontroli przepływu
oraz korekcji błędów w węzłach, co zwiększyło
przepustowość sieci. Funkcje te przeniesiono do
systemów użytkowników końcowych. W węzłach
odbywa się sprawdzanie błędów i w razie ich
wykrycia
następuje
kasowanie
ramki
bez
powiadomienia o tym fakcie systemów użytkowników
końcowych.
• Technikę tę wykorzystano w sieci Frame Relay.
24
Komutacja komórek
• Jest to realizacja szybkiej komutacji pakietów.
• Dane przesyłane są w porcjach o stałej i niezbyt dużej
długości (np. 53 bajty). Możliwe są transmisje z
szybkościami rzędu setek Mbit/s i większymi.
Technika ta przeznaczona jest dla łączy o bardzo
dobrej jakości np. światłowodów.
• Za obsługę błędów, pakietów uszkodzonych lub
zaginionych
odpowiedzialne
są
systemy
użytkowników końcowych. Transmisja komórek
odbywa się zwykle w trybie połączeniowym. Technika
ta nadaje się do zastosowań wymagających działania
w czasie rzeczywistym (przekaz głosu, obrazu).
• Siecią zbudowaną w oparciu o tą technikę jest sieć
ATM.