Принцип комутації пакетів

Телекомунікаційні мережі з комутацією каналів було розроблено й оптимізовано для досягнення найвищої якості передавання мовленнєвих повідомлень. Навіть те, що дуплексний канал при цьому використовується тільки на 50%, вважається цілком допустимим. Низька ефективність використання каналів у мережі з комутацією каналів пояснюється тим, що після налаштування з'єднання між кінцевими пристроями ресурс (пропускна здатність) скомутованого каналу та його складових частин на час сеансу зв'язку є недоступним для інших застосовань, навіть у тому випадку, коли дані тимчасово не передаються.

Використовуючи такі телекомунікаційні мережі для передавання даних між комп'ютерами, виявлено, принаймні, два недоліки:

• з'єднання типу термінал-хост (наприклад, у процесі взаємодії ПК користувача з мережевим комп'ютером) звільняє канал на значний час, але телекомунікаційна мережа не може використовувати його в цей час для іншого застосовання;

• мережа з комутацією каналів забезпечує передавання даних з постійною швидкістю. Це означає, що будьякій парі термінал-хост надано однакову фіксовану швидкість, що обмежує можливості мережі для під’єднання хостів і терміналів різної продуктивності.

Упровадження телекомунікаційної мережі з асинхронним режимом перенесення може усунути ці недоліки шляхом використання так званого «естафетного» способу передавання повідомлень (або його частин) від вузла до вузла за маршрутом перенесення інформації в мережі. При цьому не потрібно жорсткого закріплення ресурсів ліній зв'язку, через які проходить маршрут.

Як уже розглядалося в розділі 4, комп'ютерні повідомлення (дані), згідно зі стеком протоколів моделі OSI/ISO, розподіляються на невеликі блоки, які, досягаючи мережевого рівня, перетворюються на пакети, отримуючи заголовок Зп, який містить адреси джерела й споживача інформації, номер блоку в повідомленні та вказівку на його приналежність до даних повідомлень (рис. 7.6).

Перед відправленням у лінію пакет оформлюються у вигляді фрейму. Фрейм – це сегмент повідомлення із заголовками канального рівня. Таке формування прийнято ще називати кадром. Заголовок кадру ЗФ, містить інформацію, яка використовується для ідентифікації адреси порту призначення кадру (фрейму).

Для того, щоб на приймальному кінці лінії зв'язку відокремити один фрейм від іншого у процесі побітового передавання їх каналом, між фреймами вставляються розділові прапори. Прапор (Ф) – це поле, яке містить 8 біт, наприклад, 01111110. На приймальному вузлі прийнята послідовність бітів групується у фреймі, прапори видаляються, а з фрейму витягується пакет. Він розміщується в запам’ятовувальний пристрій (ЗП) вузла та обробляється: перевіряється на відсутність помилок та перекручень. У разі виявлення помилок і неможливості їх виправити, приймальний вузол повторює передавання фрейму.

Вилучений з ЗП пакет відповідно до таблиці адрес, збереженої на вузлі комутації, прямує у вихідну лінію та оформлюється в новий фрейм. Таким естафетним способом сегмент інформаційного повідомлення передається мережею до вузла призначення (вхідного вузла).

На вхідному вузлі пакети накопичуються, з них витягуються сегменти, з яких далі збираються повідомлення.

Таким чином, функція розбиття повідомлення на сегменти здійснюється на вихідному вузлі, а збирання – на вхідному.

Незважаючи на те, що лініями зв'язку пакети передаються у вигляді фреймів (кадрів), у проміжних вузлах відбувається комутація саме пакетів. Тому такий метод комутації у вузлах мережі отримав назву «комутація пакетів» (Packet Switching, PS), а мережі, відповідно, – з комутацією пакетів.

Комутація пакетів (КП) має кілька переваг над комутацією каналів (КК):

• ефективність використання ліній при КП є набагато вищою, оскільки ресурси ліній та вузлів мережі можуть динамічно розподілятися між багатьма пакетами від різних застосовань;

• у мережі з комутацією пакетів може здійснюватися перетворення швидкості передавання даних. Це дає змогу обмінюватися повідомленнями абонентських пунктів, під’єднаних до мережі каналами різної пропускної здатності (смуги пропускання);

• користувачам гарантовано під’єднання навіть, якщо мережу перевантажено. При цьому лише можуть виникнути затримки з доставкою пакетів або зменшення швидкості передавання;

• у мережах з КП можна використовувати систему пріоритетів. Пакети з високим пріоритетом доставлятимуться з меншими затримками.

Передавання пакетів між вузлами телекомунікаційної мережі можна реалізувати по-різному, а саме:

• за допомогою датаграм;

• з використанням віртуального виклику;

• з використанням віртуального каналу;

• з використанням віртуального з'єднання.

Технологія Х.25

Міжнародна організація зі стандартизації (ISO) та ITU-T уперше затвердили метод передавання й комутації пакетів у вигляді Рекомендацій Х.25. Отже зазначений метод (протокол) дістав назву «технологія Х.25». Крім пакету розміром 128 байт, який приймається усталено, допускаються також інші розміри пакету: 16, 32, 256, 512, 1024, 2048, 4096 байт. Крім довжин пакетів, рекомендовано також формати пакетів і кадрів (фреймів), а також протокол їх передавання та приймання.

Технологія Х.25 дістала популярність як технологія передавання даних з комутацією пакетів, яка дає змогу вирішувати проблеми «поганих» каналів зв'язку з великим рівнем перешкод, якими, наприклад, є аналогові телефонні лінії.

Для забезпечення необхідної достовірності передавання інформації в технології Х.25 упроваджено багаторівневу систему виявлення й коректування помилок. Кожен ВК мережі Х.25 на шляху руху пакета перевіряє цілісність пакету, читає контрольну суму, розміщену в заголовку пакету, обчислює її нове значення й порівнює їх. Якщо кількість помилок є незначною, ВК здатний відновити пакет і передати його далі.

При цьому вузол надсилає підтвердження попереднього вузла про коректний прийом пакету. Якщо ж відновити пакет неможливо, робиться запит про його повторне передавання.

Розбиття повідомлення на пакети й складання повідомлення з пакетів в технології Х.25 прийнято називати функцією розбиття/збірки (Packet Assembler and Disassembler, PAD). Функція PAD може виконуватися в будь-якому мережевому пристрої або вузлі, який забезпечує доступ до мережі Х.25. Слід зазначити, що якщо джерелом повідомлення є ЕОМ (робоча станція), функція PAD може виконуватися безпосередньо в ній.

Високий рівень перешкод на лініях призводить до зменшення швидкості передавання, а тому гранична швидкість передавання в мережах Х.25 складає 64 кбіт/с. Крім того, ця швидкість не залишається постійною величиною й залежить від рівня перешкод і викликаних ними помилок.

Першу мережу передавання пакетів ARPA введено в експлуатацію наприкінці 60-х рр. у США. Фінансування проекту здійснювалося Управлінням перспективних наукових досліджень (Advance Research Project Agency) США.

Абревіатура, складена з перших літер назви цього управління, визначила назву мережі. Максимальний розмір пакету складав у мережі ARPA 1024 біт (128 байт), а максимальний розмір повідомлення не перевищував 8 пакетів.

Метод передавання й комутації пакетів реалізовано не тільки в протоколі Х.25, але і, наприклад, у стеку протоколів TCP/IP, який вперше застосовано також у мережі ARPA.

Надалі ARPA перетворилась в Інтернет.

Технологія ретрансляції фреймів (Frame Relay)

У швидкісних телекомунікаційних мережах, які використовують волоконно-оптичне середовище для передавання даних, рівень помилок є набагато нижчим, порівняно з каналами аналогової телефонії. А тому надмірність кодування (застосування складних кодів для виявлення й виправлення помилок) пакетів стає непотрібною, спрощується система заголовків, якою була перенасичена обсягами інформації для відновлення пакетів.

У 90-х рр. ITU-T затверджує новий протокол із сімейства протоколів Х.25, який отримав назву протоколу ретрансляції фреймів (кадрів) - Frame Relay (FR). У цьому протоколі немає тієї надмірності, яка була характерною для протоколу Х.25, по-перше, тому, що він спеціально розроблявся для використання на лініях зв'язку з низьким рівнем перешкод, а, по-друге, в ньому усунуто систему контролю помилок всього фрейму. Замість цього лише перевіряється цілісність отриманого фрейму, й тільки для адресного поля здійснюється контроль помилок. Завдяки всьому цьому Frame Relay забезпечує під’єднання користувачів до телекомунікаційної мережі на швидкості 2 Мбіт/с і вищій. Основною перевагою технології Frame Relay стала низька надлишковість службової інформації в пакеті, що помітно збільшило продуктивність передавання даних у мережі. За іншими критеріями протокол Frame Relay є подібним до протоколу Х.25. Розміри фреймів можуть мати змінну довжину, оскільки самі пакети допускають використання різних довжин і, як наслідок, варіації затримок у процесі передавання фреймів. А це не зовсім прийнятно для передавання мовленнєвих та відеоповідомлень, які вимагають регулярних швидкостей.

Сферою більш ефективного застосування технології Frame Relay є взаємодія локальних мереж LAN через глобальні телекомунікаційні мережі, а також забезпечення високошвидкісних користувальницьких інтерфейсів UNI.

Оскільки Frame Relay є різновидом протоколів Х.25, він добре поєднується з мережами Х.25.

Передавання фреймів мережею уможливлюється завдяки використанню віртуального каналу, віртуального під’єднання, а також датаграмного режиму.

З метою керування потоками фреймів у перевантажених мережах, на мережах FR застосовується система так званих "кредитів". Кредит CIR (Committed Intormation Rate) видається користувачеві, та є своєрідним дозволом на передавання даних зі швидкістю, яка не перевищує вказану. При цьому CIR, який вимірюється в кілобітах на секунду, визначається термінами дозволеного обсягу даних В, який можна надіслати користувачем у мережу за час Т: CIR = B/T.

Значення CIR є середнім гарантованим мережею значенням швидкості передавання даних за умови неперевантажень мережі. Кредит CIR видає адміністрація мережі, він може бути однаковим для всіх користувачів або враховувати запит конкретного користувача.