Комутація пакетів

В 1970-х гг. почалось вивчення нової форми архітектури цифрової пере­дачі даних на великі відстані — комутації пакетів. Хоча техноло­гія комутації пакетів з цього часу зазнала істотних змін, але базова технологія комутації пакетів залишається в своїй

основі такою ж, якою вона була в 1970-х гг.; комутація пакетів залишається однією з небагатьох ефективних техноло­гій передачі даних на великі відстані. Дві найновіші технології ГОМ є по суті різновидом комутації пакетів. А велика частина технології комутації пакетів використовуєтьться в Інтернеті посередництвом маршрутизаторів, підмереж в інтер­нет-аналогах комутаційних вузлов та лініий зв’язку між вузлами в мережах пакетної комутації.

Рис.2. Використання пакетів

Рис. 3.Комутація пакетів: дейтаграма

Мережа з комутацією пакетів являє собою розподілену сукупність вузлів пакетної комутації. В ідеалі вузли пакетної комутації повинні завжди мати інформацію про стан всієї мережі. Але, оскільки ці вузли розподілені, завжди є деяка затримка в часі між зміною їх статуса в даному фрагменті мережі та отриманням інформації про це в іншому місці мережі. Крім того, виникає додаткове навантаження при передачі цієї статусної інформа­ції. Для згладжування додаткового навантаження на мережу доводиться використовувати складні алгоритми. Такі алгоритми в галузі маршрутизації и управління завантаженістю каналів зв’язку застосовуються і в Інтернеті.

Основні операції

Ключова характеристика мереж з комутацією каналів — виділення мережевих ресурсів на окремий виклик. Для голосових з’єднань канал зв’язку використовується дуже ефективно,оскільки біль­шу частина часу одна з сторін розмовляє. Тим не менш, мережі з комутацією каналів мають два недоліки:

• при типовій передачі даних терминал—хост більшу частину часу лінія простоює. Тому для передачі даних технологія комута­ції каналів неефективна;

• в мережі з комутацією каналів передача даних відбувається з фіксо­ваною швидкістю. Тому кожне з двох з’єдинаних між собою пристроїв повинне передавати та отримувати дані з однаковою швидкістю. Це обмежує використання мережі при підключенні різноманітних хост-комп’ютерів та терминалів.

При комутації пакетів дані передаються короткими блоками, які називаються пакетами. Звичайно довжина пакета обмежена 1000 байтами. Якщо джерело збирається відправити більш довге повідомлення, то воно розбивається на серії пакетів (рис..2).

Кожний пакет містить порцію даних користувача плюс деяку управляючу інформацію. Управляюча інформація повинна включати відомості про маршрут пакета по мережі та необхідні відомості про адресата. В кожному попутному вузлі пакет приймається, деякий час зберігається та передається на наступний вузол.

На рис. 1.3 представлені основні операції. Передаючий комп’ютер або інший пристрій відправляє повідомлення у вигляді послідовності паке­тів (а). Кожний пакет включає в себя управляючу інформацию, що вказує на станцію-адресат. Пакети спочатку пересилаються на вузол, до якого подключена передаюча станція. По мірі надходження пакетів цей вузол недовго зберігає пакет, визначає наступний відрізок маршруту та ставить пакет в чергу на передачу лінією зв’язку. Коли лінія зв’язку доступна, кожний пакет передається на наступний вузол (б). Всі пакети проходять свій шлях по мережі та достав­ляються на станцію призначення.

Розглянемо пакет, який необхідно передати із станції А на станцію Е (рис. 1). Пакет включає в себе управляючу інформа­цію, в якій вказано, що станцією призначення є станція Е. Па­кет передається від станції А на вузол 4. На вузлі 4 пакет зберігається,

визначається наступний відрізок маршруту (скажімо, на вузол 5), а потім пакет ставиться у чергу на передачу даних по цій линії зв’язку (зв’язок 4—5). Коли зв’язок доступний, пакет передається на вузол 5, який пересилє пакет на вузол 6 і, нарешті, на станцію Е. Такий підхід має багато переваг порівняно із комутацією каналів:

• ефективність лінії зв’язку набагато вища, оскільки єдиний зв’язок від вузла до вузла може динамічно використовуватися сумісно багатьма па­кетами.

• мережа з комутацією пакетів може міняти швидкість передачі даних. Дві станції з різною швидкістю передачі даних можуть обміню­ватися пакетами, оскільки кожне підключення до її вузла відбувається із відповідним рівнем швидкості;

• коли в мережі з комутацією каналів трафік стає занадто напру­женим, деякі звернення блокуються, тобто мережа відмовляється отримувати додаткові запити до тех пір, доки не зменшиться завантаження мережі. В мережі з пакетною комутацією, пакети продовжують при­йматися, Але швидкість доставки зуменшується;

• допускається використовувати приорітетность. Тому якщо на вузлі в черзі на передачу знаходиться декілька пакетів, то в першу чергу можна передавати пакети з найвищим приорітетом. Тому затримки цих пакетів будуть менше, ніж у пакетів з меншим приорітетом.

• Комутація пакетів має також і деякі недоліки порівняно з комутацією каналів:

• Кожного разу, коли пакет передається через вузол мережі з комутацією па­кетів, відбувається деяка затримка його передачі на відміну від випадку з комутацією каналів. Величина затримки передачі дорівнює як мінімум довжині пакету в бітах, поділеної на швидкість обробки да­них каналу, виражену в бітах за секунду. Цей час потрібний на прийняття пакета у внутрішній буфер. Крім того, можуть виникати різні затримки при обробці даних та постановці їх у чергу на вузлі;

• оскільки пакети між даними джерелами та адресатами мають різну довжину, різні маршрути та затримки у часі на кому­таторах, загальний час затримки відправки пакета може істотно відрізнятися. Цей феномен, що має назву нестійкої синхронізації (jitter), дуже небажаний в деяких додатках, наприклад в додатках реального часу, включаючи телефонні переговори та видео­запис в реальному часі;

• для маршрутизації пакетів мережею службова информація, яка вклю­чає адресу доставки та інформацію про впорядкування, повинна додаватися в кожний пакет, що зменшить пропускну здатність зв’язку, необхідну для передачі користувальницьких даних. Це не потрібно в мережах з комутацією каналів после того, як ка­нал зв’язку визначено;