Методические указания по теме "Коммутация каналов, пакетов и сообщений"

Министерство образования Московской области Государственное бюджетное профессиональное образовательное учреждение Московской области «Авиационный техникум имени В.А. Казакова» Филиал МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ по теме «Технологии коммутации каналов, пакетов и сообщений» по дисциплине «Технология физического уровня передачи данных»  название дисциплины для специальностей среднего профессионального образования  09.02.06 Сетевое и системное администрирование код и наименование специальности СПО Раменское, 2019 год Рассмотрено и одобрено предметно­цикловой комиссией ___________________________________ ___________________________________ ___________________________________ Протокол №____ от «___» _________________ 20____ г. Председатель ПЦК _____________ _____________________          подпись                                         ФИО Утверждено Зав. филиалом  ______________ С.Я. Колтунова «___» ______________ 20____ г. Разработчик (составитель) преподаватель Логвиненко Ольга Александровна ___________                                                                         должность                                           ФИО                                                             подпись 2 Содержание Лекция «Задача коммутации. Коммутация каналов. Коммутация пакетов».......4 Глоссарий:...............................................................................................................10 Лабораторная работа «Коммутация, маршрутизация».......................................11 Тест: "Коммутация каналов"..................................................................................14 Тест: "Коммутация пакетов"..................................................................................16 Тест: "Коммутация сообщений".............................................................................18 3 Введение Методические   указания   составлены   в   соответствии   с   требованиями   ФОС   по специальности   «Сетевое   и   системное   администрирование»,   рабочей   программы   по дисциплине «Технология физического уровня передачи данных» и включают в себя: — лекцию; — наглядный материал в виде презентации; — лабораторную работу; — тесты.   Лекция «Задача коммутации. Коммутация каналов. Коммутация пакетов» Цель   урока:  ознакомиться   с   понятием   «коммутация»,   задачами   коммутации, принципами   организации   обмена   данными   с   использованием   технологий   «коммутация каналов», «коммутация пакетов», «коммутация сообщений» Задачи: —   ознакомиться   с   понятием   «коммутация»,   основными   и   частными   задачами коммутации; —   ознакомиться   с   технологией   «коммутация   каналов»:   принципы   организации передачи данных; —   ознакомиться   с   технологией   «коммутация   пакетов»:   принципы   организации передачи данных; —   ознакомиться   с   технологией   «виртуальные   каналы»:   принципы   организации передачи данных; — ознакомиться с технологией «коммутация сообщений»: принципы организации передачи данных; —   провести   сравнительный   анализ   технологий   «коммутация   каналов»   и «коммутация пакетов» Понятие «коммутация» 1. В компьютерных сетях «коммутация»  — это процесс соединения абонентов такой сети через транзитные узлы.  Последовательность  транзитных   узлов  отправителя к получателю называется маршрутом. (сетевых   интерфейсов)   на   пути   от Абонентами   могут   выступать  отдельные  вычислительные   устройства   (хосты), сегменты локальных сетей, факс­аппараты или телефонные собеседники.  Общая задача коммутации заключается в соединении конечных узлов через сеть транзитных узлов и включает в себя подзадачи: Подзадача   1.   Определение  информационных   потоков,   для   которых   требуется прокладывать пути. Информационным потоком (data flow, data stream) называется последовательность данных, объединенных набором общих признаков, который выделяет эти данные из общего сетевого трафика: последовательность бит, пакеты, кадры, ячейки.  Подзадача 2. Определение маршрутов для потоков. Под   маршрутом   понимается   последовательность   транзитных   узлов   (сетевых интерфейсов)   на   пути   от   отправителя   к   получателю.   Выбор   маршрута   зависит   от: пропускной   способности,   загруженности,   задержек   каналов   связи,   количества промежуточных транзитных узлов и их надежности. Подзадача 3. Сообщение о найденных маршрутах узлам сети. Сообщение о маршруте должно нести каждому транзитному устройству примерно такую информацию: «Если придут данные, относящиеся к потоку n, то нужно передать их на интерфейс F». Подзадача   4.   Продвижение,   то   есть   распознавание   информационных  потоков  и локальная коммутация на каждом транзитном узле. Подзадача 5. Мультиплексирование и демультиплексирование потоков. Мультиплексирование   (multiplexing)   —   образование   из   нескольких  отдельных потоков   общего   агрегированного   потока,   который   можно   передавать   по   одному физическому каналу связи.   Демультиплексирование суммарного агрегированного потока, поступающего на один интерфейс, на несколько составляющих потоков.   —   разделение   (demultiplexing) Для   организации   коммутации   используются   такие   сетевые   устройства,   как концентраторы, коммутаторы и маршрутизаторы.  Соответствие   перечисленных   устройств   уровням   сетевой   модели   показано   на рисунке 1. Рисунок 1 — Функции сетевых устройств (модель OSI) Коммутация каналов circuit switching 2. Коммутация каналов появилась намного раньше коммутации пакетов и ведет свое происхождение от первых телефонных сетей. Первые сеансы связи между компьютерами были осуществлены через телефонную сеть, то есть с применением технологии коммутации каналов.   Даже   сейчас   пользователи,   которые   получают   доступ   в   Интернет   по   модему, продолжают обслуживаться этими сетями, так как их данные доходят до оборудования провайдера по местной телефонной сети. В качестве информационных потоков в сетях с коммутацией каналов выступают данные,   которыми   обмениваются   пары   абонентов.   Признаком   потока   является   пара адресов   (телефонных   номеров)   абонентов,   связывающихся   между   собой.   Для   всех возможных потоков заранее определяются маршруты. Маршруты в сетях с коммутацией каналов либо задаются вручную администратором сети, либо находятся автоматически с привлечением специальных программных и аппаратных средств. Маршруты фиксируются в таблицах, в которых признакам потока ставятся в соответствие идентификаторы выходных интерфейсов   коммутаторов.   На   основании   этих   таблиц   происходят   продвижение   и мультиплексирование данных. Единицей   измерения   пропускной   способности   канала   является   «элементарный канал». Любая линия связи в сети с коммутацией каналов имеет пропускную способность, кратную элементарному каналу, принятому для данного типа сети.  Канал,   построенный   путем   коммутации   (соединения)   элементарных   каналов, называют составным каналом (рисунок 2). 5 Рисунок 2 — Составной канал (технология «коммутация каналов») Характеристики составного канала:  — на всем своем протяжении состоит из одинакового количества элементарных каналов;  —  имеет  постоянную  и   фиксированную  пропускную  способность   на  всем  своем протяжении;  — создается временно на период сеанса связи двух абонентов;  — на время сеанса связи все элементарные каналы, входящие в составной канал, поступают   в   исключительное   пользование   абонентов,   для   которых   был   создан   этот составной канал;  —   в   течение   всего   сеанса   связи   абоненты   могут   посылать   в   сеть   данные   со скоростью, не превышающей пропускную способность составного канала; —   данные,   поступившие   в   составной   канал,   гарантированно   доставляются вызываемому абоненту без задержек, потерь и с той же скоростью (скоростью источника) вне зависимости от того, существуют ли в это время в сети другие соединения или нет;  —   после   окончания   сеанса   связи   элементарные   каналы,   входившие   в соответствующий   составной   канал,   объявляются   свободными   и   возвращаются   в   пул распределяемых ресурсов для использования другими абонентами. Обмен   данными   в   сети   с   коммутацией   каналов   предваряется   процедурой установления   соединения.   В   соответствии   с   этой   процедурой   абонент,   являющийся инициатором   сеанса   связи,   посылает   в   коммутационную   сеть   запрос,   представляющий собой сообщение, в котором содержится адрес вызываемого абонента. Цель запроса — проверить,   можно   ли   образовать   составной   канал   между   вызывающим   и   вызываемым абонентами. Установить связь возможно, если соблюдаются два условия:  — свободно   необходимое количество элементарных каналов в каждой линии связи, лежащей на пути от одного абонента к другому;  — вызываемого абонента не занят. Запрос перемещается по маршруту, определенному для информационного потока данной   пары   абонентов.   При   этом   используются   глобальные   таблицы   коммутации, ставящие   в   соответствие   глобальному   признаку   потока   (адресу   вызываемого   абонента) идентификатор   выходного   интерфейса   коммутатора   (таблицы   маршрутизации).   Если   в результате прохождения запроса от одного абонента к другому выяснилось, что ничто не препятствует   установлению   соединения,   происходит   фиксация   составного   канала.   Для этого   во   всех   коммутаторах   вдоль   пути   создаются   записи   в   локальных   таблицах коммутации, в которых указывается соответствие между локальными признаками потока: номерами элементарных каналов, зарезервированных для этого сеанса связи. Только после этого   составной   канал   считается   установленным,   и   абоненты   могут   начать   свой   сеанс связи. 6 В   приведенном   выше   примере   речь   идет   об   установлении   соединения   в автоматическом динамическом режиме: 1. В   сеть   поступает   служебное   сообщение   —   запрос,   который   несет   адрес вызываемого абонента и инициирует создание составного канала.  2. По подготовленному составному каналу передается основной поток данных, для передачи которого уже не требуется никакой вспомогательной информации, в том числе адреса вызываемого абонента. Коммутация данных в коммутаторах выполняется на основе локальных признаков — номеров элементарных каналов. Запросы на установление соединения   не   всегда   завершаются   успешно.   Если   на   пути   между   вызывающим   и вызываемым абонентами отсутствуют свободные элементарные каналы или вызываемый узел занят, то происходит отказ в установлении соединения. Если   необходимо   установить   составной   канал   на   более   чем   один   сеанс,   то используется   статический   ручной   режим.   Создание   такого   долговременного   канала   не могут инициировать абоненты, он создается администратором сети. Статический ручной режим мало пригоден для традиционной телефонной сети с ее короткими сеансами связи, однако   он   вполне   оправдан   для   создания   высокоскоростных   телекоммуникационных каналов между городами и странами на более или менее постоянной основе Достоинства технологии «коммутация каналов»: — Сети с коммутацией каналов наиболее эффективно передают пользовательский трафик   в   том   случае,   когда   скорость   его   постоянна   в   течение   всего   сеанса   связи   и максимально   соответствует   фиксированной   пропускной   способности   физических   линий связи сети. —   Низкий   и   постоянный   уровень   задержки   передачи   данных   через   сеть.   Это позволяет качественно передавать данные, чувствительные к задержкам (называемые также трафиком реального времени) — голос, видео, различную технологическую информацию. Недостатки технологии «коммутация каналов»: —   Эффективность   работы   сети   снижается,   когда   информационные   потоки, генерируемые   абонентами,   приобретают   пульсирующий   характер   (например,   трафик   в компьютерных сетях). — Отказ сети в обслуживании запроса на установление соединения. Такая ситуация может сложиться из­за того, что на некотором участке сети соединение нужно установить вдоль   канала,   через   который   уже   проходит   максимально   возможное   количество информационных   потоков.   Отказ   может   случиться   и   на   конечном   участке   составного канала — например, если абонент способен поддерживать только одно соединение, что характерно   для   многих   телефонных   сетей.   При   поступлении   второго   вызова   к   уже разговаривающему   абоненту   сеть   передает   вызывающему   абоненту   короткие   гудки   — сигнал "занято".  —   Обязательная   задержка   перед   передачей   данных   из­за   фазы   установления соединения. 3. Коммутация пакетов (packet switching) Сеть с коммутацией пакетов не создает заранее для своих абонентов отдельных каналов связи, выделенных исключительно для них. Данные могут задерживаться и даже теряться по пути следования. Информационный поток разбивается на пакеты. Каждый пакет снабжен заголовком, в котором содержатся  адрес  назначения  и другая  вспомогательная информация (длина поля   данных,   контрольная   сумма   и   др.),   используемая   для   доставки   пакета   адресату. Помимо заголовка у пакета может иметься еще одно дополнительное поле, размещаемое в конце   пакета,   которое   называется   концевиком.   В   концевике   помещается   контрольная сумма, которая позволяет проверить, была ли искажена информация при передаче через сеть или нет. 7 Пакеты поступают в сеть без предварительного резервирования линий связи и не с фиксированной   заранее   заданной   скоростью,   как   это   делается   в   сетях   с   коммутацией каналов,   а   с   той   скоростью,   в   котором   их   генерирует   источник.   Сеть   с   коммутацией пакетов   в   отличие   от   сети   с   коммутацией   каналов   всегда   готова   принять   пакет   от конечного узла. Еще одно отличие пакетных коммутаторов от коммутаторов в сетях с коммутацией каналов   состоит   в   том,   что   они   имеют   внутреннюю   буферную   память   для   временного хранения пакетов. В сети Интернет используется два протокола пакетной передачи данных:  TCP  и UDP.  TCP  (Transmission Control Protocol) – транспортный протокол передачи данных в сетях TCP/IP, предварительно устанавливающий соединение с сетью. UDP  (User Datagram Protocol)– транспортный протокол, передающий сообщения­ датаграммы (дейтаграммы) без необходимости установки соединения в IP­сети. Сравнение протоколов представлено в таблице 1: Критерий Гарантия доставки пакетов Последовательность передачи пакетов Нумерация пакетов при передаче Режим передачи Соединение Скорость передачи данных Надежность передачи данных Наличие функции восстановления  данных Области применения TCP Гарантирует доставку пакетов данных в неизменных виде и без потерь Соблюдается Да UDP Не гарантирует В произвольном порядке Нет В одном пакете можно отправлять информацию и подтверждать В одном пакете можно отправлять информацию без подтверждения получение предыдущего пакета получения Требует заранее установленного соединения Ниже Высокая Есть Соединения не требует Выше Низкая Нет Электронная почта, совместное использование файлов и программ, загрузка Потоковая передача видео и голосовых данных Достоинства технологии «коммутация пакетов»: —   Высокая   общая   пропускная   способность   сети   при   передаче   пульсирующего трафика. —   Возможность   динамически   перераспределять   пропускную   способность физических каналов связи между абонентами в соответствии с реальными потребностями их трафика. Недостатки технологии «коммутация пакетов»: —   Неопределенность   скорости   передачи   данных   между   абонентами   сети, обусловленная тем, что задержки в очередях буферов коммутаторов сети зависят от общей загрузки сети. — Переменная величина задержки пакетов данных, которая может быть достаточно продолжительной в моменты мгновенных перегрузок сети.   потери   данных   из­за —   Возможные   переполнения   буферов. 8 Виртуальные каналы (virtual circuit) 4. Перед тем, как начать передачу данных между двумя конечными узлами, должен быть установлен виртуальный канал, который представляет собой единственный маршрут, соединяющий   эти   конечные   узлы.   Виртуальный   канал   может   быть   динамическим   или постоянным.  Динамический   виртуальный   канал   устанавливается   при   передаче   в   сеть специального   пакета   запроса   на   установление   соединения.   Этот   пакет   проходит   через коммутаторы и  организует  виртуальный канал.  Коммутаторы  запоминают  маршрут для данного   соединения   и   при   поступлении   последующих   пакетов   данного   соединения отправляют   их   всегда   по   проложенному   маршруту.   Постоянные   виртуальные   каналы создаются администраторами сети путем ручной настройки коммутаторов. При   отказе   коммутатора   или   канала   на   пути   виртуального   канала   соединение разрывается, и виртуальный канал нужно прокладывать заново. При этом он должен обойти участки сети с отказами. При   использовании   метода   виртуальных   каналов   время,   затраченное   на установление виртуального канала, компенсируется последующей быстрой передачей всего потока пакетов. Коммутаторы распознают принадлежность пакета к виртуальному каналу по специальной метке номеру виртуального канала, а не анализируют адреса конечных узлов, как это делается при коммутации пакетов. В отличие от технологии «коммутация каналов» виртуальные каналы устанавливают логическое, а не физическое соединение. Кроме того, по виртуальному каналу передаются пакеты, а не потоки данных. Таблица   коммутации   при   использовании   виртуального   канала   содержит   записи только о проходящих через коммутатор виртуальных каналах. Достоинства технологии виртуальных каналов: — Адрес  назначение короче, чем при пакетной  передаче данных,  что позволяет уменьшить задержки и увеличить пропускную способность —   Сети,   поддерживающие   виртуальные   каналы,   больше   подходят   для   передачи долговременных потоков. —   Отсутствие   перегрузок   при   наличии   достаточного   количества   ресурсов   для каждого виртуального канала. Недостатки: —   Уязвимость   в   случае   выхода   из   строя   или   временного   выключения маршрутизатора. Даже если он будет быстро починен и снова включен, все виртуальные каналы, проходившие через него, будут прерваны. Коммутация сообщений 5. Под  коммутацией сообщений  понимается передача единого блока данных между транзитными компьютерами сети с временной буферизацией этого блока на диске каждого компьютера. Сообщение в отличие от пакета имеет произвольную длину, которая определяется не   технологическими   соображениями,   а   содержанием   информации,   составляющей сообщение.  Обычно   передаются   сообщения,   не   требующие   немедленного   ответа,   чаще   всего сообщения электронной почты. Режим передачи с промежуточным хранением на диске называется режимом «хранение­и­передача» (store­and­forward). Достоинства технологии «коммутация сообщений»: —   Не   требуется   предварительно   устанавливать   соединение   между взаимодействующими абонентами.  —   Каналы   связи   на   всем   пути   передачи   могут   иметь   разные   пропускные способности,   поскольку   буферирование   сообщений   в   узлах   сети   позволяет   сгладить различие в пропускных способностях входного и выходного каналов узла. 9 Недостатки технологии «коммутация сообщений»: —   Необходимость хранения в промежуточных   узлах,   что   требует   значительной   ёмкости   буферной   памяти,   которая рассчитывается   как   произведение   ёмкости   одного   буфера   на   максимально   возможное количество сообщений, которые одновременно могут находиться в узле. передаваемых сообщений         — Задержка в промежуточных узлах может оказаться значительной, особенно из­за большого времени ожидания освобождения выходного канала связи при большой загрузке сети, что приводит к увеличению времени доставки сообщений. —   Монополизация   среды   передачи   (канала   связи)   на   длительный   промежуток времени при передаче длинных сообщений приводит к неоправданно большим задержкам коротких сообщений в связи с ожиданием освобождения канала, длительность которого может многократно превышать время непосредственной передачи этих сообщений. Сравнение технологий коммутация каналов и коммутация пакетов  6. Сравнение   технологий   коммутация   каналов   и   коммутация   пакетов   приведена   в таблице Список использованной литературы: 1.   https://www.intuit.ru/studies/courses/913/1/lecture/14 «Коммутация Лекция   каналов   и   пакетов» 2. Таненбаум Э., Уэзеролл Д. Компьютерные сети, пятое издание. Издательство Питер, 2012 3. Олифер   В.,   Олифер   Н.   Компьютерные   сети.   Принципы,   технологии, протоколы. 5­е издание. Издательство Питер, 2016. Глоссарий: TCP (Transmission Control Protocol) – транспортный протокол передачи данных в сетях TCP/IP, предварительно устанавливающий соединение с сетью.................................................................................................... ................................................................................................................................... UDP (User Datagram Protocol)– транспортный протокол, передающий сообщения- датаграммы (дейтаграммы) без необходимости установки соединения в IP-сети.................................................................................................. ................................................................................................................................... «коммутация» — это процесс соединения абонентов такой сети через транзитные узлы.............................................................................................. ................................................................................................................................... Демультиплексирование (demultiplexing) — разделение суммарного агрегированного потока, поступающего на один интерфейс, на несколько составляющих потоков.............................................................................................. ................................................................................................................................... 10 элементарных каналов, называют Единицей измерения пропускной составным каналом.................................................................................................... способности канала является «элементарный канал».............................................................................................. ................................................................................................................................... ................................................................................................................................... Мультиплексирование (multiplexing) — образование из нескольких Информационным потоком (data отдельных потоков общего flow, data stream) называется последовательность данных, агрегированного потока, который можно передавать по одному объединенных набором общих физическому каналу связи........................................................................................ признаков, который выделяет эти данные из общего сетевого ................................................................................................................................... трафика: последовательность бит, пакеты, кадры, ячейки............................................................................................... Последовательность транзитных узлов (сетевых интерфейсов) на ................................................................................................................................... пути от отправителя к получателю называется маршрутом.............................................................................................. Канал, построенный путем коммутации (соединения) ................................................................................................................................... 11