2. Komutacja

2. Komutacja

2.1. Techniki komutacji

Techniką komutacji nazywamy sposób transferu informacji od węzła źródłowego do węzła końcowego poprzez węzły tranzytowe. Rozróżniamy następujące techniki [7]:

  • komutację kanałów,
  • komutację pakietów,
  • komutację komórek,
  • komutację ramek.

2.2. Komutacja kanałów

Technika komutacji kanałów nazywana jest także techniką komutacji łączy lub techniką komutacji obwodów. Charakteryzuje się przesyłaniem danych między dwoma terminalami po fazie zestawiania połączenia. Polega to na przydzieleniu danemu połączeniu dedykowanej sekwencji połączonych kanałów od terminala źródłowego do terminala docelowego i zarezerwowaniu jej na cały czas trwania połączenia. Przesyłanie informacji w takich sieciach dokonywane jest w trzech następujących po sobie etapach:

  • ustanawianie połączenia,
  • transfer danych,
  • rozłączanie połączenia.

Widać zatem, że zanim nastąpi transmisja danych użytkowych musi nastąpić faza zestawiania połączenia a po zakończeniu przesyłania tych danych, faza jego rozłączania. Zajmuje to zasoby centrali na dodatkowy nie związany z samym transferem informacji czas. Zajęte kanały nie mogą być w tym czasie użytkowane przez inne połączenia. Efektywność takiego typu komutacji nie jest wysoka. Z drugiej strony daje to możliwość zapewnienia wysokiej jakości transmisji poprzez zestawiony i trwały kanał o nie zmiennych parametrach. Niestety koszty eksploatacji są wysokie.

2.3. Komutacja pakietów

Technika komutacji pakietów należy do najbardziej elastycznych technik komutacji stosowanych we współczesnych sieciach. Polega ona na przesyłaniu danych przez sieć w postaci pakietów. W odróżnieniu od techniki komutacji łączy pozwala użytkownikom nawiązywać połączenia z wieloma innymi użytkownikami jednocześnie.
Pakiety powstają w wyniku podzielenia informacji użytkownika na części o stałej długości (wyjątkiem jest ostatnia część, której długość może być mniejsza) i opatrzenie tych „wycinków” w nagłówek N, też o stałej długości (rys. 2.1). Nagłówek zawiera informacje, które umożliwiają pakietowi dojście z punktu źródłowego do docelowego, węzłom sieci sprawdzenie poprawności zawartych w pakiecie danych a w punktom docelowym właściwie zestawić i odtworzyć podzieloną informację. W nagłówku zatem, w zależności od organizacji sieci, znajdują się następujące informacje: adresy źródłowy i docelowy, numer pakietu, wskaźnik ostatniego pakietu a także identyfikator zawartej w pakiecie informacji.

Rys.2.1. Podział informacji na pakiety

Transmisja pakietów od użytkownika źródłowego do użytkownika docelowego polega na przesyłaniu ich kolejno między węzłami sieci występującymi po drodze. Zanim pakiet zostanie nadany do następnego węzła w sieci musi być odebrany w całości przez dany węzeł i umieszczony w jego pamięci buforowej. Pamięć ta jest dzielona na części o jednakowej wielkości, równej maksymalnej długości pakietu. Dzięki takiej konstrukcji zostało znaczny sposób uproszczone zarządzanie pamięcią. Gdy pakiet zostanie odebrany, sprawdzana jest jego poprawność. Jest to istotna właściwość techniki komutacji pakietów. Gdy pakiet nie zawiera błędów to, między innymi na podstawie informacji zawartych w nagłówku, kieruje się go do kolejnego węzła w sieci. Pakiety mogą być przesyłane przez sieć jedną z dwóch niżej opisanych metod:

  • metodą połączeniową,
  • metodą bezpołączeniową.

2.3.1. Metoda połączeniowa

Metoda połączeniowa charakteryzuję się tym, że przesyłanie pakietów jest poprzedzone zestawieniem połączenia wirtualnego, na które składa się sekwencja następujących po sobie węzłów i kanałów. Kanał logiczny powstały w ten sposób służy do przesyłania nim kolejno pakietów powstałych przez podzielenie informacji. Połączenie wirtualne, ma przypisany swój unikalny numer, który zastępuje konieczność stosowania w nagłówku informacji zawierających adres źródłowy i docelowy. W celu jednoznacznej identyfikacji pakietów w nagłówku musi zostać umieszczona informacja o numerze połączenia wirtualnego.
Aby pakiety należące do jednego połączenia wirtualnego zawsze były kierowane tą samą trasą, w poszczególnych węzłach sieci musi być zawarta informacja o adresach węzłów występujących w danym kanale logicznym przypisanych do przebiegających przez ten węzeł aktywnych kanałów wirtualnych. Węzeł potrafi jednoznacznie określić kolejny punkt, do którego należy przesłać odebrany pakiet.
Połączenia wirtualne mogą być zestawiane na dwa sposoby, jako wirtualne połączenia tymczasowe SVC (Switched Virtual Circuit) i wirtualne połączenia stałe PVC (Permanent Virtual Circuit).

Tymczasowe połączenie wirtualne SVC

Tymczasowe połączenie wirtualne jest zestawiane na pewien określony czas. Istnieją trzy rozróżnialne fazy w czasie trwania takiego połączenia:

  • faza zestawiania połączenia,
  • faza transmisji pakietów zawierających dane,
  • faza rozłączania.

Do ustanowienia połączenia wirtualnego służy specjalny pakiet służbowy, który wyznacza trasę przechodząc przez sieć od użytkownika źródłowego do użytkownika docelowego. Każdy węzeł będący na trasie zapamiętuje odpowiednie dane, w tym między innymi numer ustanawianego połączenia. Po ustanowieniu połączenia następuje transmisja pakietów z danymi. Pakiety należące do jednego połączenia są jednoznacznie identyfikowane dzięki jego numerowi zawartemu w nagłówku każdego z pakietów. Rozłączenie połączenia podobnie jak jego tworzenie odbywa się dzięki specjalnemu pakietowi służbowemu, który wędrując wzdłuż logicznego kanału powoduje usunięcie z węzłów informacji o numerze zestawionego wcześniej połączenia.

Stałe połączenie wirtualne PVC

Stałe połączenia wirtualne są ustanawiane na dłuższy czas funkcjonowania sieci przez administratora między dwoma użytkownikami. Wyeliminowane zatem zostają fazy zestawiania połączenia i jego rozłączania. Między użytkownikami należącymi do jednego połączenia wirtualnego realizowany jest jedynie transfer plików. Jest to metoda efektywna ale i kosztowna. Przydatna jest dla procesów działających przez długi czas i/lub transmitujących pliki o dużej pojemności.

2.3.2. Metoda bezpołączeniowa

Pakiety przesyłane metodą bezpołączeniową wędrują po sieci samodzielnie, nie będąc związane z żadnym kanałem wirtualnym. Węzły dobierając trasę dla pakietu korzystają z adresu docelowego zawartego w nagłówku pakietu. Może się zatem zdarzyć, że poszczególne pakiety składające się na jedną informację, będą wędrować po sieci różnymi drogami. Możliwa jest sytuacja, że pakiety będą docierać do punktu docelowego w innej kolejności niż zostały wysłane. Za odtworzenie poprawnej kolejności odpowiada system użytkownika docelowego, który jest także odpowiedzialny za wykrywanie pakietów zawierających błędy i pakietów utraconych oraz ewentualne żądanie ich retransmisji.

2.4. Komutacja ramek i komutacja komórek

Techniki komutacji ramek i komórek można potraktować jako odmiany komutacji pakietów, przystosowane do sieci o strukturze zbudowanej na łączach o dobrej jakości, zwykle światłowodowych. Powstały one w wyniku dostosowania komutacji pakietów do nowych technik teletransmisyjnych, jakie pojawiły się po zdefiniowaniu techniki komutacji pakietów.
Dane przesyłane przy użyciu techniki komutacji ramek dzielone na przedziały zwane ramkami i przesyłane przez sieci podobnie komutacji pakietów, to znaczy, przez łącza wirtualne typu PVC i SVC. Podstawową cechą odróżniającą tę technikę od techniki komutacji pakietów jest redukcja mechanizmów pozwalających na korekcję błędów i kontrolę przepływu. Kontrola poprawności danych dokonywana jest w urządzeniach końcowych, dzięki małemu prawdopodobieństwu przekłamań na drodze transmisyjnej. Pomimo możliwości sprawdzania ramek w węzłach sieci, ramki zawierające błędy nie są naprawiane lecz usuwane i to bez powiadamiania o tym użytkowników końcowych.
Technika komutacji komórek należy do szybkich technik transmisji. Przesyłane tą techniką dane, dzielone są na stałej długości porcje, zwane właśnie komórkami, które po opatrzeniu niewielkim nagłówkiem są przesyłane w sieci. Technika ta przeznaczona jest dla łączy o bardzo dobrej jakości, przede wszystkim światłowodowych. Sieć transmisji danych nie odpowiada za sprawdzanie poprawności przesyłanych w niej pakietów. Procedury ustalania kolejności, wykrywania uszkodzonych i zagubionych pakietów zostały przeniesione do systemów użytkowników końcowych. Technika ta korzysta zazwyczaj z trybu połączeniowego do transmisji komórek. Dzielenie zasobów między wielu użytkowników jest dokonywane dzięki multipleksacji i komutacji danych.

2.5. Porównanie sieci z poszczególnymi technikami komutacji

Najpopularniejszymi przedstawicielami poszczególnych technik są sieci wymienione poniżej.

  • Komutacja kanałów – PSTN, ISDN, GSM,
  • komutacja komórek – ATM,
  • komutacja ramek – Frame Relay,
  • komutacja pakietów – TCP/IP, X.25.

Każda z powyższych technik komutacji została zaprojektowana z myślą o różnego typu usługach możliwych do realizowania. Niektóre z nich lepiej nadają się do transmisji ruchu o wolnozmiennym natężeniu, a inne do transmisji ruchu podlegającego częstym zmianom natężenia. Istotną cechą charakteryzującą te techniki, jest złożoność przetwarzania informacji w węzłach sieci. Rys.2.2 przedstawia uporządkowanie technikkomutacji ze względu na wyżej wymienione cechy.

Rys.2.2. Uporządkowanie technik komutacji

Na przedstawionym rysunku można zauważyć, że skrajne pozycje zajmują najpopularniejsze sposoby komutacji, tj. komutacja kanałów i komutacja pakietów. Różnią się w sposób zasadniczy pod względem własności, jednak możliwe jest realizowanie jednakowych usług, w każdej z tych sieci pomimo ogromnych różnic jakie je dzielą.

2.6. Publiczna sieć telefoniczna PSTN

Najstarszą siecią telekomunikacyjną o charakterze publicznym jest sieć oparta na komutacji łączy nazywana siecią PSTN (Public Switched Telephone Network). Usługi obecnie oferowane przez wyżej wymienioną sieć można podzielić na trzy podgrupy:

  • Podstawowe – zestawianie połączeń za pomocą aparatów telefonicznych z tarczą numerową lub z tarczą tonową DTMF, taryfikacja.
  • Rozszerzone – rozmowy trójstronne, telekonferencje, przekierowywanie rozmów, gorąca linia, itp.
  • Dodatkowe – poczta głosowa, poczta elektroniczna, usługa Centrex, usługi sieci inteligentnej IN.

2.7. Publiczna sieć pakietowa PDN

Przekaz danych przez publiczne sieci pakietowe odbywa się za pomocą komutacji pakietów (X.25), ramek (Frame Relay) lub komórek (ATM). Komutacja ramek i komutacja komórek są odmianami komutacji pakietów, dlatego sieci te opisuje się ogólną nazwą PDN (Packet Data Network). W publicznych sieciach PDN dane w postaci pakietów, korzystając z usług bezpołączeniowych, mogą być transmitowane do wielu uczestników jednocześnie, czyli nie zestawiając kanału komunikacyjnego przed transmisją. Sieć PDN jest tworzona z węzłów komunikacyjnych (exchange) interpretujących adresy pakietów, które przez wydzielone kanały wędrują z terminala źródłowego do terminala docelowego. Możliwe jest także tworzenie łącza logicznego mającego w cechy podobne do sieci z komutacją łączy PSTN.