Величина определяющая задержку передачи данных в сети. Анализ задержек речи и передачи данных по сетям IP и Frame Relay

Frame Relay (FR) - протокол коммутации пакетов, используемый в глобальных сетях для высокоскоростной передачи кадров или пакетов с минимальными задержками в узле коммутации и для эффективного использования пропускной способности сети. Действует на канальном уровне модели OSI. Может применяться в ЛВС, в каналах с временным мультиплексированием, а также в сетях с коммутацией пакетов и каналов. При ретрансляции сеть направляет кадр в точку назначения в соответствии с содержащимся в нем адресом получателя. Вместо средств управления потоком включает функции извещения о перегрузках в сети, использует более длинные кадры. Главным фактором повышения скорости передачи является то, что анализ ошибок в данном случае не осуществляется и узлы ретрансляции не посылают уведомления или запросы на повтор ошибочно принятых кадров.

При организации связи на основе сети Frame Relay (FR) основным руководящим документом является стандарт FRF.11 . В нем четко сформулированы функции VFRAD, а также способы подключения к нему телефонного оборудования и место VFRAD в структуре сети. Для кодирования речи во FR желательно использовать вокодер ACELP, описанный в рекомендации ITU-T G.723.1 . Выбор этого вокодера обусловлен самым выгодным соотношением «качество речи/скорость потока». Параметры задержек некоторых вокодеров приведены в таблице 1.1.

Таблица 1.1 - Задержка некоторых вокодеров

Общая задержка в сети является величиной, состоящей из следующих компонентов:

а) задержка накопления. Эта задержка вызвана необходимостью подготовки кадра из последовательности речевых отсчетов, который будет обрабатываться вокодером. Величина данной задержки будет равна размеру (длительности) кадра выбранного типа вокодера. Время подготовки одного речевого отсчета равно 125 мкс.

б) Задержка кодирования. Для того, чтобы не вносить дополнительную задержку в результате собственно процесса кодирования, необходимо подобрать цифровой процессор обработки сигналов такой производительности, чтобы задержка кодирования была меньше или, по крайней мере, равна задержке накопления.

На рисунке 1.6 приведена схема подключения телефонного оборудования к сети Frame Relay.

Рисунок 1.6 - Схема организации телефонной связи по сети Frame Relay

Для определенности предположим, что услугами телефонной связи пользуются абоненты двух узлов. Для этого выделен постоянный виртуальный канал, в рамках которого может быть организовано до 255 речевых трактов (подканалов). Теоретически, максимальная гарантированная скорость передачи по виртуальному каналу (CIR) не может превышать величины пропускной способности физического канала связи, соединяющего узлы сети.

Предположим, что в одном виртуальном канале функционируют три речевых тракта. Это означает, что FR-кадр, согласно стандарту FRF.11, будет иметь вид, представленный на рисунке 1.7.

Рисунок 1.7 - Формат кадра Frame Relay для единственного речевого подканала.

Из рисунка видно, что общий размер кадра FR составляет 28 байт. Из них 20 байт - полезная нагрузка. Исходя из того условия, что каждый речевой кадр должен быть передан со скоростью 5,3 кбит/с, скорость передачи кадра Frame Relay по каналу связи должна составить 7,4 кбит/с (20 байт, составляющих речевой кадр, должны быть переданы со скоростью 7,4 кбит/с для своевременной доставки речевого кадра). Этот вывод показывает, что для организации трех речевых трактов потребуется 22,2 кбит/с пропускной способности канала (7,4 кбит/с·3=22,2 кбит/с), и это означает, что невозможно организовать три речевых тракта в канале 19,2 кбит/с. Возможна организация лишь двух речевых трактов. В случае организации двух речевых трактов, необходимо 14,8 кбит/с пропускной способности канала связи.

Таким образом, для удобства рассмотрения введем такое условие, что в сети организован один виртуальный канал содержащий единственный речевой тракт. В этом случае размер кадра будет составлять 28 байт и, следовательно, должен быть передан со скоростью 7,4 кбит/с.

На рисунке 1.8 представлена схема распределения задержек, возникающих при передачи речи по сети Frame Relay корпоративной сети передачи данных.

Предположим, что в сети отсутствует какая-либо дополнительная нагрузка. Таким образом, опираясь на приведенную схему распределения задержек, а также учитывая количество транзитных узлов при передаче речевого сигнала от абонента к абоненту, можно с достаточной точностью определить величину совокупной задержки передачи речевого сигнала по сети передачи данных Frame Relay в соответствии со следующим соотношением:

Т=(t накопл + t обраб + t посл) +…+ (t распр + t посл) +…+ (t распр + t посл + t обраб), (1.1)

Последовательная задержка рассчитывается из того минимально допустимого условия, что кадры Frame Relay от узла к узлу будут передаваться с постоянной скоростью 7,4 кбит/с. Задержка распространения сигнала, рассчитывалась из того условия, что передача осуществляется по коаксиальному кабелю, и в соответствии с рекомендацией ITU G.I 14 рассчитывается из соотношения:

задержка распространения (мс) = 0,004 протяженность канала связи (км).

Как было описано выше, организация речевой связи по IP-сети основана на использовании протокола Н.323. Основными устройствами, обеспечивающими передачу речи, являются шлюз Н.323, к которому может быть подключена УПАТС или отдельные телефонные аппараты, и речевой терминал. В качестве речевого терминала, в частности, может выступать персональный компьютер удаленного абонента корпоративной сети, снабженный соответствующими аппаратными и программными средствами.

Задержка распространения сигнала в IP-сети рассчитывается из того условия, что передача осуществляется по коаксиальному кабелю, и в соответствии с рекомендацией ITU-T G. 114 рассчитывается из соотношения:

задержка распространения (мс) = 0,004·протяженность канала связи (км)

Рисунок 1.8 - Схема распределения задержек в сети передачи данных Frame Relay

На рисунке 1.9 представлена схема распространения задержек при передаче речи по сети IP.

Опираясь на приведенную схему распределения задержек, а также учитывая количество транзитных узлов, при передаче речевого сигнала от абонента к абоненту, можно с достаточной точностью определить величину совокупной задержки передачи речевого сигнала по сети передачи данных IP, в соответствии со следующим соотношением:

Т=(t накопл + t обраб + t ЛВС + t посл.комм) +…+ (t распр + t посл.комм + t посл.маршр) +…+

+..+ (t распр + t посл.комм + t посл.маршр + t ЛВС + t обраб), (1.2)

где t накопл - задержка накопления (t накопл =30 мс);

t обраб - задержка обработки (t обраб =30 мс);

t посл - последовательная задержка (t посл =30 мс);

t распр - задержка распространения (t распр =30 мс).

Рисунок 1.9 - Схема распределения задержек в сети IP

Одним из отличий метода коммутации пакетов от метода коммутации каналов является неопределенность пропускной способности соединения между двумя або­нентами. В методе коммутации каналов после образования составного канала про­пускная способность сети при передаче данных между конечными узлами известна - это пропускная способность канала. Данные после задержки, связанной с уста­новлением канала, начинают передаваться на максимальной для канала скорости (рис. 2.31, а). Время передачи сообщения в сети с коммутацией каналов Тк.к. равно сумме задержки распространения сигнала по линии связи 1з.р. и задержки передачи сообщения 1з.п.. Задержка распространения сигнала зависит от скорости распростра­нения электромагнитных волн в конкретной физической среде, которая колеблет­ся от 0,6 до 0,9 скорости света в вакууме. Время передачи сообщения равно V/C, где V - объем сообщения в битах, а С - пропускная способность канала в битах в секунду.

Всети с коммутацией пакетов наблюдается принципиально другая картина.

Рис. 2.31. Задержки передачи данных в сетях с коммутацией каналов и пакетов

Процедура установления соединения в этих сетях, если она используется, зани­мает примерно такое же время, как и в сетях с коммутацией каналов, поэтому будем сравнивать только время передачи данных.

На рис. 2.31, показан пример передачи в сети с коммутацией пакетов. Предпо­лагается, что в сеть передается сообщение того же объема, что и сообщение, иллю­стрируемое рис. 2.31, а, однако оно разделено на пакеты, каждый из которых снабжен заголовком. Время передачи сообщения в сети с коммутацией пакетов обозначено

на рисунке. При передаче этого сообщения, разбитого на пакеты, по сети с коммутацией пакетов возникают дополнительные временные задержки. Во-пер­вых, это задержки в источнике передачи, который, помимо передачи собственно сообщения, тратит дополнительное время на передачу заголовков tn.s., плюс к это­му добавляются задержки tmrr, вызванные интервалами между передачей каждого следующего пакета (это время уходит на формирование очередного пакета стеком протоколов).

Во-вторых, дополнительное время тратится в каждом коммутаторе. Здесь задержки складываются из времени буферизации пакета t6.n. (коммутатор не может начать передачу пакета, не приняв его полностью в свой буфер) и времени коммутации 1к. Время буферизации равно времени приема пакета с битовой скоростью протокола. Время коммутации складывается из времени ожидания пакета в очереди и времени перемещения пакета в выходной порт. Если время перемещения пакета фиксирова­но и обычно невелико (от нескольких микросекунд до нескольких десятков микро­секунд), то время ожидания пакета в очереди колеблется в очень широких пределах и заранее неизвестно, так как зависит от текущей загрузки сети пакетами.

Проведем грубую оценку задержки в передаче данных в сетях с коммутацией пакетов по сравнению с сетями с коммутацией каналов на простейшем примере. Пусть тестовое сообщение, которое нужно передать в обоих видах сетей, составля­ет 200 Кбайт. Отправитель находится от получателя на расстоянии 5000 км. Про­пускная способность линий связи составляет 2 Мбит/с.

Время передачи данных по сети с коммутацией каналов складывается из време-

ни распространения сигнала, которое для расстояния 5000 км можно оценить при-мерно в 25 мс, и времени передачи сообщения, которое при пропускной способности

2 Мбит/с и длине сообщения 200 Кбайт равно примерно 800 мс, то есть всего пе- редача данных заняла 825 мс.

Оценим дополнительное время, которое потребуется для передачи этого сообчещения по сети с коммутацией пакетов. Будем считать, что путь от отправителя до получателя пролегает через 10 коммутаторов. Исходное сообщение разбивается на пакеты в 1 Кбайт, всего 200 пакетов. Вначале оценим задержку, которая возникав в исходном узле. Предположим, что доля служебной информации, размещенной;

заголовках пакетов, по отношению к общему объему сообщения составляет 10 %. Следовательно, дополнительная задержка, связанная с передачей заголовков пакетов, составляет 10 % от времени передачи целого сообщения, то есть 80 мс. Если принять интервал между отправкой пакетов равным 1 мс, тогда дополнительна потери за счет интервалов составят 200 мс. Итого, в исходном узле из-за пакетир вания сообщения при передаче возникла дополнительная задержка в 280 мс.

Каждый из 10 коммутаторов вносит задержку коммутации, которая может име большой разброс, от долей до тысяч миллисекунд. В данном примере примем, что на коммутацию в среднем тратится 20 мс. Кроме того, при прохождении сообщний через коммутатор возникает задержка буферизации пакета. Эта задержка рта величине пакета 1 Кбайт и пропускной способности линии 2 Мбит/с равна 4 Общая задержка, вносимая 10 коммутаторами, составит примерно 240 мс. В зультате дополнительная задержка, созданная сетью с коммутацией пакетов, сое вила 520 мс. Учитывая, что вся передача данных в сети с коммутацией канала заняла 825 мс, эту дополнительную задержку можно считать существенной.

Хотя приведенный расчет носит очень приблизительный характер, но он дела более понятными те причины, которые приводятк тому, что процесс передачи

определенной пары абонентов в сети с коммутацией пакетов является более мед­ленным, чем в сети с коммутацией каналов.

Неопределенная пропускная способность сети с коммутацией пакетов - это плата за ее общую эффективность при некотором ущемлении интересов отдельных абонентов. Аналогично, в мультипрограммной операционной системе время вы­полнения приложения предсказать заранее невозможно, так как оно зависит от количества других приложений, с которыми делит процессор данное приложение.

На эффективность работы сети существенно влияют размеры пакетов, которые передает сеть. Слишком большие размеры пакетов приближают сеть с коммутаци­ей пакетов к сети с коммутацией каналов, поэтому эффективность сети при этом падает. Слишком маленькие пакеты заметно увеличивают долю служебной инфор­мации, так как каждый пакет несет с собой заголовок фиксированной длины, а количество пакетов, на которые разбиваются сообщения, будет резко расти при уменьшении размера пакета. Существует некоторая золотая середина, которая обес­печивает максимальную эффективность работы сети, однако ее трудно определить точно, так как она зависит от многих факторов, некоторые из них к тому же посто­янно меняются в процессе работы сети. Поэтому разработчики протоколов для сетей с коммутацией пакетов выбирают пределы, в которых может находиться длина пакета, а точнее его поле данных, так как заголовок, как правило, имеет фиксиро­ванную длину. Обычно нижний предел поля данных выбирается равным нулю, что разрешает передавать служебные пакеты без пользовательских данных, а верхний предел не превышает 4-х килобайт. Приложения при передаче данных пытаются занять максимальный размер поля данных, чтобы быстрее выполнить обмен дан­ными, а небольшие пакеты обычно используются для квитанций о доставке пакета.

При выборе размера пакета необходимо учитывать также и интенсивность би­товых ошибок канала. На ненадежных каналах необходимо уменьшать размеры пакетов, так как это уменьшает объем повторно передаваемых данных при искаже­ниях пакетов.

2.4.3. Коммутация сообщений

Под коммутацией сообщений понимается передача единого блока данных между транзитными компьютерами сети с временной буферизацией этого блока на диске каждого компьютера (рис. 2.32). Сообщение в отличие от пакета имеет произволь­ную длину, которая определяется не технологическими соображениями, а содер­жанием информации, составляющей сообщение. Например, сообщением может быть текстовый документ, файл с кодом программы, электронное письмо.

Транзитные компьютеры могут соединяться между собой как сетью с коммута­цией пакетов, так и сетью с коммутацией каналов. Сообщение хранится в транзит­ном компьютере на диске, причем время хранения может быть достаточно большим, если компьютер загружен другими работами или сеть временно перегружена.

По такой схеме обычно передаются сообщения, не требующие немедленного ответа, чаще всего сообщения электронной почты. Режим передачи с промежуточ­ным хранением на диске называется режимом «хранение-и-передача (store - and - forward ).

Режим коммутации сообщений разгружает сеть для передачи графика, требую­щего быстрого ответа, например трафика службы WWW или файловой службы.

Рис. 2.32. Коммутация сообщений

Количество транзитных компьютеров стараются по возможности уменьшить. Если компьютеры подключены к сети с коммутацией пакетов, то число промежу­точных компьютеров обычно уменьшается до двух. Например, пользователь пере­дает почтовое сообщение своему серверу исходящей почты, а тот сразу старается передать сообщение серверу входящей почты адресата. Но если компьютеры связа­ны между собой телефонной сетью, то часто используется несколько промежуточ­ных серверов, так как прямой доступ к конечному серверу может быть невозможен в данный момент из-за перегрузки телефонной сети (абонент занят) или экономи­чески невыгоден из-за высоких тарифов на дальнюю телефонную связь,

Техника коммутации сообщений появилась в компьютерных сетях раньше тех­ники коммутации пакетов, но потом была вытеснена последней, как более эффек­тивной по критерию пропускной способности сети. Запись сообщения на диск занимает достаточно много времени, кроме того, наличие дисков предполагает специализированные компьютеры в качестве коммутаторов, что удорожает сеть.

Сегодня коммутация сообщений работает только для некоторых не оперативных служб, причем чаще всего поверх сети с коммутацией пакетов, как служба прикладного уровня.

В сетях для соединения абонентов используются три метода коммутации: ком­мутация каналов, коммутация пакетов и коммутация сообщений.

Как коммутация каналов, так и коммутация пакетов может быть либо динамической, либо постоянной.

В сетях с коммутацией каналов абонентов соединяет составной канал коммутаторами сети по запросу одного из абонентов.

Для совместного разделения каналов между коммутаторами сети несколы абонентскими каналами используются две технологии: частотного разделов канала (FDM) и разделения канала во времени (TDM). Частотное разделение характерно для аналоговой модуляции сигналов, а временное - для цифровог кодирования.

Сети с коммутацией каналов хорошо коммутируют потоки данных постоянной интенсивности, например потоки данных, создаваемые разговаривающими по телефону собеседниками, но не могут перераспределять пропускную способности магистральных каналов между потоками абонентских каналов динамически.

Сети с коммутацией пакетов были специально разработаны для эффективной передачи пульсирующего компьютерного трафика. Буферизация пакетов раз­ных абонентов в коммутаторах позволяет сгладить неравномерности интенсив­ности трафика каждого абонента и равномерно загрузить каналы связи между коммутаторами.

Сети с коммутацией пакетов эффективно работают в том отношении, что объем передаваемых данных от всех абонентов сети в единицу времени больше, чем при использовании сети с коммутацией каналов. Однако для каждой пары або­нентов пропускная способность сети может оказаться ниже, чем у сети с ком­мутацией каналов, за счет очередей пакетов в коммутаторах.

Сети с коммутацией пакетов могут работать в одном из двух режимов: дейта-граммном режиме или режиме виртуальных каналов.

Размер пакета существенно влияет на производительность сети. Обычно паке­ты в сетях имеют максимальный размер в 1-4 Кбайт.

Коммутация сообщений предназначена для организации взаимодействия пользо­вателей в режиме off-line, когда не ожидается немедленной реакции на сообщение. При этом методе коммутации сообщение передается через несколько транзит­ных компьютеров, где оно целиком буферизуется на диске.

Вопросы и упражнения

1. Могут ли цифровые линии связи передавать аналоговые данные?

2. Каким будет теоретический предел скорости передачи данных в битах в секун­ду по каналу с шириной полосы пропускания в 20 кГц, если мощность пере­датчика составляет 0,01 мВт, а мощность шума в канале равна 0,0001 мВт?

3. Определите пропускную способность канала связи для каждого из направле­ний дуплексного режима, если известно, что его полоса пропускания равна 600 кГц, а в методе кодирования используется 10 состояний сигнала.

4. Рассчитайте задержку распространения сигнала и задержку передачи данных для случая передачи пакета в 128 байт:

По кабелю витой пары длиной в 100 м при скорости передачи 100 Мбит/с;

Коаксиальному кабелю длиной в 2 км при скорости передачи в 10 Мбит/с;

Спутниковому геостационарному каналу протяженностью в 72 000 км при скорости передачи 128 Кбит/с.

Считайте скорость распространения сигнала равной скорости света в вакууме 300 000 км/с.

5. Какой кадр передаст на линию передатчик, если он работает с использованием техники бит-стаффинга с флагом 7Е, а на вход передатчика поступила после­довательность 24 А5 7Е 56 8С (все значения - шестнадцатеричные)?

6. Поясните, из каких соображений выбрана пропускная способность 64 Кбит/с эле­ментарного канала цифровых телефонных сетей?

7. Назовите методы компрессии, наиболее подходящие для текстовой информа­ции. Почему они неэффективны для сжатия двоичных данных?

8. Предложите коды неравной длины для каждого из символов А, В, С, D, F и О, если нужно передать сообщение BDDACAAFOOOAOOOO. Будет ли достиг­нута компрессия данных по сравнению с использованием:

в традиционных кодов ASCII?

Кодов равной длины, учитывающих наличие только данных символов?

9. Как передатчик определяет факт потери положительной квитанции в методе скользящего окна?

10. Сеть с коммутацией пакетов испытывает перегрузку. Для устранения этой ситуа­ции размер окна в протоколах компьютеров сети нужно увеличить или умень­шить?

11. Как влияет надежность линий связи в сети на выбор размера окна?

12. В чем проявляется избыточность TDM-технологии?

13. Какой способ коммутации более эффективен: коммутация каналов или ком­мутация пакетов?

14. Объясните разницу между тремя понятиями:

Логические соединения, на которых основаны некоторые протоколы;

Виртуальные каналы в сетях с коммутацией пакетов;

Составные каналы в сетях с коммутацией каналов.

Базовые технологии локальных сетей

Для того чтобы лучше понять, что представляет собой задержка в компьютерной сети, мы рекомендуем вам воспользоваться диагностической программой Traceroute. Эта программа проста и может быть использована практически в любой оконечной системе. Пользователь вводит имя хоста назначения, после чего программа осуществляет отсылку нескольких специальных пакетов на адрес этого хоста. В процессе передачи по сети пакеты вызывают генерацию сообщений на адрес отправителя

До настоящего момента основным объектом нашего внимания являлась узловая задержка, то есть задержка, обусловленная отдельными маршрутизаторами. Теперь пришло время оценить общую задержку передачи пакета от отправителя до адресата. Для этого предположим, что на пути пакета находятся N - 1 маршрутизаторов, нагрузка в сети такова, что очереди отсутствуют или пренебрежимо малы, время обработки каждого маршрутизатора и отправителя равно d(oбp), скорость передачи

В рассмотренных выше примерах мы сделали допущение о том, что наш маршрутизатор способен хранить в буфере бесконечное число пакетов. Разумеется, на практике объем буферов не только конечен, но и весьма ограничен, поскольку придание маршрутизаторам способности хранить большое количество пакетов значительно повышает их стоимость. Это, в свою очередь, означает, что на практике задержка ожидания также не может быть бесконечной. Если буфер

Наиболее сложным и интересным видом задержек, возникающих при передаче пакетов, является задержка ожидания d(ожид). Эта величина имеет настолько важное значение для сетевых технологий, что ей посвящены десятки книг и сотни научных статей. Сейчас мы не будем излишне углубляться в теорию массового обслуживания и рассмотрим задержку ожидания и ее последствия лишь в общем плане. Задержка ожидания - единственная составляющая узловой задержки,

Те, кто впервые приступает к изучению компьютерных сетей, нередко не могут уяснить разницы между задержкой передачи и задержкой распространения. Действительно, разница между этими понятиями хотя и не очевидна, но весьма важна. Задержка передачи - это суммарное время, требуемое для освобождения пакетом места в буфере и зависящее от скорости передачи по линии связи и размера пакета, но не от длины линии

После генерации сигнала, несущего информацию о передаваемом бите, этот сигнал распространяется по линии связи, достигая маршрутизатора В. Время, необходимое для передачи сигнала по линии связи, называется задержкой распространения и определяется длиной линии и физическими свойствами передающей среды (оптоволокна, меди в витой паре и т. п.). Скорость распространения сигнала лежит в пределах от 2 х 108 м/с до 3 х 108

Предполагая, что пакеты обслуживаются в порядке их поступления в очередь (такая модель обслуживания является доминирующей в сетях с коммутацией пакетов), мы приходим к выводу, что наш пакет будет передан после окончания передачи всех пакетов, стоящих в очереди перед ним. Пусть L - длина пакета, a R - скорость передачи пакета по линии связи, тогда задержка передачи равна L/R. Задержку передачи

Находясь в очереди, пакет подвергается задержке ожидания дальнейшей передачи по линии связи к маршрутизатору В. Время задержки ожидания зависит от числа пакетов, стоящих в очереди, и может значительно варьироваться в различных маршрутизаторах на пути пакета. Если загрузка линии связи невысока, то время ожидания пакета, как правило, либо нулевое, либо незначительное, однако в случае перегруженности линии оно может многократно увеличиться. Позже

Время, необходимое для чтения заголовка пакета и определения дальнейшего маршрута, составляет часть задержки узловой обработки. На задержку обработки могут также оказывать влияние и другие факторы, например необходимость проверки искажений битов пакета при передаче. Типичным временем задержки обработки в высокоскоростных маршрутизаторах являются единицы микросекунд. После окончания обработки пакета маршрутизатор при необходимости помещает его в очередь линии связи с маршрутизатором В. Мы в ознакомительных целях.
Уточнения, корректировки и обсуждения статей доступны под текстом статей, в комментариях.
Ответственность, за все изменения, внесённые в систему по советам данных статей, Вы берёте на себя.
Копирование данных статей, без указания ссылки на сайт первоисточника , строго запрещено.

Постоянная и динамическая коммутация

Как сети с коммутацией пакетов , так и сети с коммутацией каналов можно разделить на два класса:

• сети с динамической коммутацией ;
• сети с постоянной коммутацией .

В сетях с динамической коммутацией :

• разрешается устанавливать соединение по инициативе пользователя сети;
• коммутация выполняется только на время сеанса связи, а затем (по инициативе одного из пользователей) разрывается;
• в общем случае пользователь сети может соединиться с любым другим пользователем сети;
• время соединения между парой пользователей при динамической коммутации составляет от нескольких секунд до нескольких часов и завершается после выполнения определенной работы - передачи файла, просмотра страницы текста или изображения и т.п.

Примерами сетей, поддерживающих режим динамической коммутации , являются телефонные сети общего пользования, локальные сети , сети TCP/IP .

Сеть , работающая в режиме постоянной коммутации :

• разрешает паре пользователей заказать соединение на длительный период времени;
• соединение устанавливается не пользователями, а персоналом, обслуживающим сеть;
• период, на который устанавливается постоянная коммутация , составляет обычно несколько месяцев;
• режим постоянной (permanent ) коммутации в сетях с коммутацией каналов часто называется сервисом выделенных (dedicated ) или арендуемых (leased ) каналов;
• в том случае, когда постоянное соединение через сеть коммутаторов устанавливается с помощью автоматических процедур, инициированных обслуживающим персоналом, его часто называют полупостоянным (semi-permanent) соединением , в отличие от режима ручного конфигурирования каждого коммутатора .

Наиболее популярными сетями, работающими в режиме постоянной коммутации , сегодня являются сети технологии SDH , на основе которых строятся выделенные каналы связи с пропускной способностью в несколько гигабит в секунду.

Некоторые типы сетей поддерживают оба режима работы. Например, сети X.25 и ATM могут предоставлять пользователю возможность динамически связаться с любым другим пользователем сети и в то же время отправлять данные по постоянному соединению определенному абоненту.

Пропускная способность сетей с коммутацией пакетов

Одним из отличий метода коммутации пакетов от метода коммутации каналов является неопределенность пропускной способности соединения между двумя абонентами. В случае коммутации каналов после образования составного канала пропускная способность сети при передаче данных между конечными узлами известна - это пропускная способность - канала . Данные после задержки, связанной с установлением канала , начинают передаваться на максимальной для канала скорости (рис. 7.1). Время передачи сообщения в сети с коммутацией каналов Т к.к. равно сумме задержки распространения сигнала по линии связи и задержки передачи сообщения. Задержка распространения сигнала зависит от скорости распространения электромагнитных волн в конкретной физической среде, которая колеблется от 0,6 до 0,9 скорости света в вакууме. Время передачи сообщения равно V/C, где V - объем сообщения в битах, а C - пропускная способность - канала в битах в секунду.

В сети с коммутацией пакетов картина совсем иная.

Рис. 7.1.

Процедура установления соединения в этих сетях, если она используется, занимает примерно такое же время, как и в сетях с коммутацией каналов , поэтому будем сравнивать только время передачи данных.

На рис. 7.2 показан пример передачи данных в сети с коммутацией пакетов . Предполагается, что по сети передается сообщение того же объема, что и сообщение, передаваемое на рис. 7.1 однако оно разделено на пакеты , каждый из которых снабжен заголовком. Время передачи сообщения в сети с коммутацией пакетов обозначено на рисунке Т к.п. При передаче этого разбитого на пакеты сообщения по сети с коммутацией пакетов возникают дополнительные задержки. Во-первых, это задержки в источнике передачи, который, помимо передачи собственно сообщения, тратит дополнительное время на передачу заголовков t п.з. , к тому же добавляются задержки t инт, вызванные интервалами между передачей каждого следующего пакета (это время уходит на формирование очередного пакета стеком протоколов ).

Во-вторых, дополнительное время тратится в каждом коммутаторе . Здесь задержки складываются из времени буферизации - пакета t б.п. (коммутатор не может начать передачу пакета , не приняв его полностью в свой буфер ) и времени коммутации t к. Время буферизации равно времени приема пакета с битовой скоростью протокола. Время коммутации складывается из времени ожидания пакета в очереди и времени перемещения пакета в выходной порт . Если время перемещения пакета фиксировано и, как правило, невелико (от нескольких микросекунд до нескольких десятков микросекунд), то время ожидания пакета в очереди колеблется в очень широких пределах и заранее неизвестно, так как зависит от текущей загрузки сети.

Проведем грубую оценку задержки при передаче данных в сетях с коммутацией пакетов по сравнению с сетями с коммутацией каналов на простейшем примере. Пусть тестовое сообщение, которое нужно передать в обоих видах сетей, имеет объем 200 Кбайт. Отправитель находится от получателя на расстоянии 5000 км. Пропускная способность линий связи составляет 2 Мбит/c.

Время передачи данных по сети с коммутацией каналов складывается из времени распространения сигнала, которое для расстояния 5000 км можно оценить примерно в 25 мс (принимая скорость распространения сигнала равной 2/3 скорости света), и времени передачи сообщения, которое при пропускной способности 2 Мбит/c и длине сообщения 200 Кбайт равно примерно 800 мс. При расчете корректное значение К (2 10), равное 1024, округлялось до 1000, аналогично значение М (2 20), равное 1048576, округлялось до 1000000. Таким образом, передача данных оценивается в 825 мс.

Ясно, что при передаче этого сообщения по сети с коммутацией пакетов , обладающей такой же суммарной длиной и пропускной способностью - каналов , пролегающих от отправителя к получателю, время распространения сигнала и время передачи данных будут такими же - 825 мс. Однако из-за задержек в промежуточных узлах общее время передачи данных увеличится. Давайте оценим, на сколько возрастет это время. Будем считать, что путь от отправителя до получателя пролегает через 10 коммутаторов . Пусть исходное сообщение разбивается на пакеты в 1 Кбайт, всего 200 пакетов . Вначале оценим задержку, которая возникает в исходном узле. Предположим, что доля служебной информации, размещенной в заголовках пакетов, по отношению к общему объему сообщения составляет 10%. Следовательно, дополнительная задержка, связанная с передачей заголовков - пакетов , составляет 10% от времени передачи целого сообщения, то есть 80 мс. Если принять интервал между отправкой пакетов равным 1 мс, то дополнительные потери за счет интервалов составят 200 мс. Таким образом, в исходном узле из-за пакетирования сообщения при передаче возникла дополнительная задержка в 280 мс.

Каждый из 10 коммутаторов вносит задержку коммутации , которая может составлять от долей до тысяч миллисекунд. В данном примере будем считать, что на коммутацию в среднем тратится 20 мс. Кроме того, при прохождении сообщений через коммутатор возникает задержка буферизации пакета. Эта задержка при величине пакета 1 Кбайт и пропускной способности линии 2 Мбит/c равна 4 мс. Общая задержка, вносимая 10 коммутаторами , составляет примерно 240 мс. В результате дополнительная задержка, созданная сетью с коммутацией пакетов , составила 520 мс. Учитывая, что вся приложение делит процессор .

На эффективность работы сети влияют размеры пакетов , которые передает сеть . Слишком большие размеры пакетов приближают сеть с коммутацией пакетов к сети с коммутацией каналов , поэтому эффективность сети падает. Кроме того, при большом размере пакетов увеличивается время буферизации на каждом коммутаторе . Слишком маленькие пакеты заметно увеличивают долю служебной информации, так как каждый пакет содержит заголовок фиксированной длины, а количество пакетов , на которые разбиваются сообщения, при уменьшении размера пакета будет резко расти. Существует некоторая "золотая середина", когда обеспечивается максимальная эффективность работы сети, однако это соотношение трудно определить точно, так как оно зависит от многих факторов, в том числе изменяющихся в процессе работы сети. Поэтому разработчики протоколов для сетей с коммутацией пакетов выбирают пределы, в которых может находиться размер пакета , а точнее его поле данных, так как заголовок, как правило, имеет фиксированную длину. Обычно нижний предел поля данных выбирается равным нулю, что дает возможность передавать служебные пакеты без пользовательских данных, а верхний предел не превышает 4 Кбайт. Приложения при передаче данных пытаются занять максимальный размер поля данных, чтобы быстрее выполнить обмен, а небольшие пакеты обычно используются для коротких служебных сообщений, содержащих, к примеру, подтверждение доставки пакета .

При выборе размера пакета необходимо также учитывать интенсивность битовых ошибок канала . На ненадежных каналах необходимо уменьшать размеры пакетов , так как это сокращает объем повторно передаваемых данных при искажениях пакетов .