Сети связи с коммутацией пакетов

Сети дальней связи с коммутацией каналов первоначально предназначались для передачи голосовых сигналов, и до сих пор большую часть информационного обмена в этих сетях составляют голосовые сообщения. Основная отличительная особенность сетей с коммутацией каналов состоит в том, что ресурсы сети выделяются для конкретного сеанса связи. Для телефонных соединений такая схема гарантирует высокую степень использования, так как большую часть времени говорит или одна, или другая сторона. Но когда сети с коммутацией каналов начали все шире применяться для передачи данных, проявились два недостатка.

− В типичном сеансе передачи данных "терминал—хост" (например, подключение персонального компьютера к серверу базы данных) большую часть времени канал не занят. Поэтому для передачи данных коммутация каналов неэффективна.

− В сети с коммутацией каналов предполагается передача данных с постоянной скоростью. Таким образом, оба сообщающихся устройства должны работать с одинаковой скоростью передачи данных. Поскольку серверы и рабочие станции могут быть очень разными, это условие значительно ограничивает область применения коммутации каналов.

Чтобы понять, как эти проблемы решаются в сети с пакетной коммутацией, рассмотрим механизм коммутации пакетов. Данные передаются в виде коротких пакетов. Обычно длина пакета ограничена 1000 октетами (байтами). Если отправитель должен послать более длинное сообщение, оно разбивается на ряд пакетов, как показано на рис. 4. Каждый пакет содержит часть данных пользователя (или все данные, если сообщение невелико) и некоторую управляющую информацию. Эта информация включает, как минимум, сведения, необходимые, чтобы провести пакет через сеть и доставить нужному получателю. На каждом узле по пути следования пакета он принимается, на короткое время сохраняется и передается на следующий узел.

Рис. 4. Применение пакетов

Использование данной технологии представлено на рис. 5. Передающий компьютер или другое устройство посылает сообщение как последовательность пакетов (а). Каждый пакет содержит управляющую информацию, которая указывает целевую станцию (компьютер, терминал, и т.д.). В первую очередь пакеты передаются узлу, к которому присоединена передающая станция. По мере того, как пакеты прибывают на этот узел, они ненадолго сохраняются, после чего определяется следующий маршрутный участок на пути к адресату, и пакеты передаются дальше. Передача начинается в тот момент, когда нужная линия становится доступной (б). Со временем все пакеты пройдут через сеть и поступят к нужному адресату.

Рис. 5. Коммутация пакетов: использование дейтаграмм

Технология коммутации пакетов имеет определенные преимущества перед технологией коммутации каналов.

− Линия используется более эффективно, так как каждый канал между двумя узлами может поочередно использоваться несколькими пакетами. Пакеты стоят в очереди и передаются по каналу с максимально возможной скоростью. При коммутации каналов, напротив, время передачи по каналу установлено заранее по принципу уплотнения с временным разделением. Следовательно, большую часть выделенного времени канал может простаивать, так как соединение, для которого он выделен, неактивно.

− В сети с пакетной коммутацией можно изменять скорость передачи данных. Две станции с разной скоростью передачи могут обмениваться пакетами, поскольку каждая из них соединяется со своим узлом на "своей" скорости передачи данных.

− Когда в сети с коммутацией каналов увеличивается нагрузка, некоторые соединения блокируются, т.е. сеть не принимает новые запросы на соединение, пока нагрузка не уменьшится. Сеть с пакетной коммутацией, напротив, продолжает принимать пакеты, но задержка при доставке увеличивается.

− Можно применять приоритеты. Иначе говоря, если на узле ожидает очереди на передачу некоторое количество пакетов, пакеты с более высоким приоритетом будут переданы первыми. Следовательно, эти пакеты будут доставлены с меньшей задержкой, чем низкоприоритетные.

Технология коммутации пакетов имеет также определенные недостатки по сравнению с коммутацией каналов.

− При каждом проходе пакета через узел коммутационной сети возникает задержка, отсутствующая при коммутации каналов. Эта задержка не меньше длины пакета в битах, деленной на входящую пропускную способность канала в битах в секунду; т.е. времени, уходящего на помещение пакета во внутренний буфер. Кроме того, могут возникать дополнительные задержки, связанные с обработкой и организацией очереди в узле.

− Поскольку пакеты, передаваемые данным источником данному адресату, могут иметь различный размер, передаваться по различным маршрутам и задерживаться в узлах на различное время, общее время задержки пакета может значительно варьироваться. Это явление, именуемое дрожью, может быть нежелательным для некоторых приложений (например, приложений реальной связи, в том числе передачи речи по телефону и видео реального времени).

− Для передачи пакетов через сеть к каждому пакету необходимо добавить служебную информацию, включающую адрес назначения и, часто, информацию по упорядочению пакетов. Все это снижает процент использования доступной пропускной способности. В сети с коммутацией каналов данные служебные издержки становятся ненужными сразу же после настройки канала.

− При передаче с коммутацией пакетов требуется большая обработка, чем при коммутации каналов, когда обработка на промежуточных узлах практически отсутствует.