Передача данных по сети. Понятие коммутации

1.

МИНИСТЕРСТВО ЦИФРОВОГО РАЗВИТИЯ,
СВЯЗИ И МАССОВЫХ КОММУНИКАЦИЙ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
Федеральное государственное бюджетное образовательное
учреждение высшего образования
«Санкт – Петербургский государственный университет телекоммуникаций
им. проф. М.А. Бонч-Бруевича»
Специальность: 09.02.07 «Информационные системы и программирование»
ОП.11 КОМПЬЮТЕРНЫЕ СЕТИ
Преподаватель
Рожков А.И.
Санкт-Петербург 2024

2.

ТЕМА 3. Передача данных
по сети.
Лекция. Понятие коммутации
План занятия:
1. Коммутация каналов, пакетов, сообщений.
2. Понятие пакета

3.

1. Коммутация каналов, пакетов, сообщений
Коммутация
—
процесс
соединения
коммуникационной сети через транзитные узлы.
абонентов
Любая сеть связи поддерживает некоторый способ коммутации
своих абонентов между собой. Этими абонентами могут быть
удаленные компьютеры, локальные сети или просто собеседники,
общающиеся с помощью телефонных аппаратов
На
практике
невозможно
предоставить
каждой
паре
взаимодействующих абонентов свою, отдельную физическую линию
связи. Поэтому в любой сети всегда применяется какой-либо
способ
коммутации
абонентов,
который
обеспечивает
доступность имеющихся физических каналов одновременно для
нескольких сеансов связи между абонентами сети.

4.

Основным назначением узлов коммутации является прием,
анализ (в сетях с маршрутизацией еще и выбор маршрута) и
отправление данных.
Узлы коммутации сети содержат устройства коммутации —
коммутаторы (англ. switch). Если они выполняют коммутацию на
основе
иерархических
сетевых
адресов,
их
называют
маршрутизаторами (англ. router).
Возможные виды коммутации при передаче данных

5.

Сети с коммутацией каналов имеют более богатую историю, они
ведут свое происхождение от первых телефонных сетей.
Сети с коммутацией пакетов появились в конце 60-х годов как
результат экспериментов с первыми глобальными компьютерными
сетями.
Сети с коммутацией сообщений послужили прототипом
современных сетей с коммутацией пакетов и сегодня они в чистом
виде практически не существуют.
Каждая из этих схем имеет свои преимущества и недостатки, но по
долгосрочным
прогнозам
многих
специалистов
будущее
принадлежит технологии коммутации пакетов, как более гибкой и
универсальной.

6.

Как сети с коммутацией пакетов, так и сети с коммутацией
каналов можно разделить на два класса по другому признаку - на
сети с динамической коммутацией и сети с постоянной
коммутацией:
• сети с динамической коммутацией разрешают устанавливать
соединение по инициативе пользователя сети. Коммутация
выполняется на время сеанса связи, а затем (по инициативе
одного из пользователей) связь разрывается. Обычно период
соединения между парой пользователей составляет от нескольких
секунд до нескольких часов и завершается при выполнении
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.

7.

• сети с постоянной коммутацией разрешают паре пользователей
заказать соединение на длительный период времени.
Соединение
устанавливается
не
пользователями,
а
персоналом, обслуживающим сеть. Время, на которое
устанавливается постоянная коммутация, измеряется обычно
несколькими месяцами. Режим постоянной коммутации в сетях
с
коммутацией
каналов
часто
называется
сервисом
выделенных (dedicated) или арендуемых (leased) каналов.
Некоторые типы сетей поддерживают оба режима работы.

8.

Коммутация каналов
Коммутация
каналов
подразумевает
образование
непрерывного
составного
физического
канала
из
последовательно соединенных отдельных канальных участков
для прямой передачи данных между узлами.
Отдельные каналы соединяются между собой специальной
аппаратурой - коммутаторами, которые могут устанавливать связи
между любыми конечными узлами сети. В сети с коммутацией
каналов перед передачей данных всегда необходимо выполнить
процедуру установления соединения, в процессе которой и
создается составной канал.

9.

Коммутаторы, а также соединяющие их каналы, должны
обеспечивать
одновременную
передачу
данных
нескольких
абонентских каналов. Для этого они должны быть высокоскоростными
и
поддерживать
какую-либо
технику
мультиплексирования
абонентских каналов.
Мультиплексирование
(англ.
multiplexing,
muxing)—
уплотнение канала, т.е. передача нескольких потоков (каналов)
данных с меньшей скоростью (пропускной способностью) по
одному каналу, при помощи устройства под названием
мультиплексор.
Мультиплексор
—
комбинационное
устройство,
обеспечивающее передачу в желаемом порядке цифровой
информации, поступающей по нескольким входам на один выход.
Может быть реализован как аппаратно так и программно.

10.

Пропускная способность (bandwidth) — это количественная
характеристика, отражающая возможности передачи данных по
конкретному средству подключения. В цифровых сетях под пропускной
способностью понимается объем данных, который можно передать
из одной точки в другую за определенное время. Обычно
пропускная способность измеряется в килобитах в секунду
(Кбит/с), мегабитах в секунду (Мбит/с) или гигабитах в секунду
(Гбит/с).
Иногда под пропускной способностью понимают скорость доставки
битов, хотя это не совсем точно. Например, и в сети Ethernet 10
Мбит/с, и в сети Ethernet 100 Мбит/с биты передаются со скоростью
распространения электрического сигнала. Разница заключается в
количестве битов, передаваемых в секунду.

11.

В настоящее время для мультиплексирования абонентских
каналов используются две техники:
• техника частотного мультиплексирования (Frequency Division
Multiplexing, FDM);
• техника мультиплексирования с разделением времени (Time
Division Multiplexing, TDM).

12.

Коммутация пакетов
Коммутация пакетов - это техника коммутации абонентов, при
которой все передаваемые пользователем сети сообщения
разбиваются в исходном узле на сравнительно небольшие части,
называемые пакетами.
Необходимо уточнить, что сообщением называется логически
завершенная порция данных - запрос на передачу файла, ответ на
этот запрос, содержащий весь файл, и т. п.
Сообщения могут иметь произвольную длину, от нескольких байт
до многих мегабайт. Напротив, пакеты обычно тоже могут иметь
переменную длину, но в узких пределах, например от 46 до 1500 байт.

13.

Каждый пакет снабжается заголовком, в котором указывается
адресная информация, необходимая для доставки пакета узлу
назначения, а также номер пакета, который будет использоваться
узлом
назначения
для
сборки
сообщения.
Пакеты
транспортируются в сети как независимые информационные блоки.
Коммутаторы сети принимают пакеты от конечных узлов и на
основании адресной информации передают их друг другу, а в
конечном итоге – узлу назначения.

14.

Коммутаторы пакетной сети отличаются от коммутаторов
каналов тем, что они имеют внутреннюю буферную память для
временного хранения пакетов, если выходной порт коммутатора
в момент принятия пакета занят передачей другого пакета. В этом
случае пакет находится некоторое время в очереди пакетов в
буферной памяти выходного порта, а когда до него дойдет очередь, то
он передается следующему коммутатору. Такая схема передачи
данных позволяет сглаживать пульсации трафика на магистральных
связях между коммутаторами и тем самым использовать их наиболее
эффективным образом для повышения пропускной способности сети в
целом.

15.

Коммутация сообщений
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. Например,
сообщением может быть текстовый документ, файл с кодом
программы, электронное письмо.

16.

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
трафика, требующего быстрого ответа, например трафика службы
WWW или файловой службы.
Техника коммутации сообщений появилась в компьютерных
сетях раньше техники коммутации пакетов, но потом была
вытеснена последней, как более эффективной по критерию
пропускной способности сети.

17.

2. Понятие пакета
Пакетный способ передачи данных был разработан Полом Бэрэном
в 1960 г. и сейчас является основой работы любой сети.
Суть его состоит в том, что любые данные передаются в виде
последовательности дискретных порций - пакетов.
Пакет данных (информационный пакет) – это блок данных,
обрабатываемый сетевыми программами как единое целое.

18.

Обычно пакет состоит из 2-х частей:
• первая часть – это набор служебных данных, которые
требуются для реализации соответствующего протокола. Эта
часть пакета называется заголовком.
• вторая часть пакета – это собственно та полезная информация,
которая должна быть передана.
Таким образом, любой пакет в упрощенном виде имеет следующую
структуру:
Информационный пакет = Заголовок + Данные

19.

Более точно структура и размеры пакета в каждой сети жестко
определены стандартом на данную сеть и связаны, прежде всего, с
аппаратными особенностями данной сети, выбранной топологией и
типом среды передачи информации. Кроме того, эти параметры
зависят от используемого протокола (порядка обмена информацией).
Чаще всего пакет содержит в себе следующие основные поля
или части:
• Стартовая комбинация битов или преамбула, которая
обеспечивает предварительную настройку аппаратуры адаптера
или другого сетевого устройства на прием и обработку пакета.
Это поле может полностью отсутствовать или же сводиться к
единственному стартовому биту.

20.

• Сетевой адрес (идентификатор) принимающего абонента, то
есть индивидуальный или групповой номер, присвоенный
каждому принимающему абоненту в сети. Этот адрес позволяет
приемнику распознать пакет, адресованный ему лично, группе, в
которую он входит, или всем абонентам сети одновременно (при
широком вещании).
• Сетевой адрес (идентификатор) передающего абонента, то есть
индивидуальный номер, присвоенный каждому передающему
абоненту. Этот адрес информирует принимающего абонента, откуда
пришел данный пакет. Включение в пакет адреса передатчика
необходимо в том случае, когда одному приемнику могут
попеременно приходить пакеты от разных передатчиков.

21.

• Служебная информация, которая может указывать на тип
пакета, его номер, размер, формат, маршрут его доставки, на то,
что с ним надо делать приемнику и т.д.
• Данные (поле данных) – это та информация, ради передачи
которой используется пакет. В отличие от всех остальных полей
пакета поле данных имеет переменную длину, которая, собственно, и
определяет полную длину пакета. Существуют специальные
управляющие пакеты, которые не имеют поля данных. Их можно
рассматривать как сетевые команды. Пакеты, включающие поле
данных, называются информационными пакетами. Управляющие
пакеты могут выполнять функцию начала и конца сеанса связи,
подтверждения
приема
информационного
пакета,
запроса
информационного пакета и т.д.

22.

• Контрольная сумма пакета – это числовой код, формируемый
передатчиком по определенным правилам и содержащий в
свернутом виде информацию обо всем пакете. Приемник,
повторяя вычисления, сделанные передатчиком, с принятым
пакетом, сравнивает их результат с контрольной суммой и делает
вывод о правильности или ошибочности передачи пакета. Если пакет
ошибочен, то приемник запрашивает его повторную передачу.
Обычно используется циклическая контрольная сумма (CRC).

23.

• Стоповая комбинация служит для информирования аппаратуры
принимающего абонента об окончании пакета, обеспечивает
выход аппаратуры приемника из состояния приема. Это поле
может отсутствовать, если используется самосинхронизирующийся
код, позволяющий определять момент окончания передачи пакета.
Нередко в структуре пакета выделяют всего три поля:
• Начальное управляющее поле пакета (или заголовок пакета ), то
есть поле, включающее в себя стартовую комбинацию, сетевые
адреса приемника и передатчика, а также служебную информацию.
• Поле данных пакета.
• Конечное управляющее поле пакета (заключение, трейлер), куда
входят контрольная сумма и стоповая комбинация, а также,
возможно, служебная информация.

24.

При реальном обмене по сети применяются многоуровневые
протоколы, каждый из уровней которых предполагает свою структуру
пакета (адресацию, управляющую информацию, формат данных и
т.д.).
Все пакеты более высоких уровней последовательно
вкладываются в передаваемый пакет, точнее, в поле данных
передаваемого пакета. Этот процесс последовательной упаковки
данных для передачи называется инкапсуляцией пакетов .

25.

Помимо термина "пакет" (packet) также нередко встречается
термин "кадр" (frame). Иногда под этими терминами имеется в виду
одно и то же. Но иногда подразумевается, что кадр и пакет
различаются.
В разных источниках утверждается, что кадр вложен в пакет. В этом
случае все перечисленные поля пакета кроме преамбулы и стоповой
комбинации относятся к кадру. Например, в описаниях сети Ethernet
говорится, что в конце преамбулы передается признак начала кадра.

26.

Структура кадра и полей, содержащихся в заголовке и
концевике, отличается в зависимости от протокола.
Не существует такой структуры кадра, которая соответствовала бы
требованиям всех видов передачи данных во всех типах средств
подключения. Количество управляющей информации, которая
должна присутствовать в кадре, зависит от окружения и
изменяется в соответствии с требованиями управления доступом
для конкретной среды и логической топологии. Например, кадр
WLAN должен включать процедуры предотвращения столкновений и,
следовательно, требует дополнительной управляющей информации
по сравнению с кадром Ethernet.

27.

В общем случае кадры любого типа следует рассматривать как
состоящие из трех основных компонентов:
• заголовок,
• данные,
• концевик.

28.

Концевик в конец каждого
канального уровня модели OSI.
кадра
добавляют
протоколы
В процессе, называемом обнаружением ошибок, концевик
определяет, прибыл ли кадр без ошибок. Для этого в концевике
кадра размещается специальная информация, полученная путем
математической или логической обработки содержимого кадра.
Передающий узел путем логической обработки содержимого
кадра создает так называемый циклический избыточный код
(cyclic redundancy check, CRC). Значение этого кода помещается в
поле контрольной последовательности кадра (Frame Check
Sequence, FCS) и предоставляет информацию о содержимом
кадра. Поле FCS в концевике кадра Ethernet позволяет
принимающему узлу проверять кадр на наличие ошибок передачи.

29.

Контрольные вопросы
1. Понятия коммутации и основное назначение узлов коммутации?
2. В чем разница
коммутацией?
между
3. Определение
понятий
пропускная способность?
сетями
с
составной
динамической
канал,
и
постоянной
мултиплексирование,
4. В чем отличия коммутации пакетов и коммутации сообщений?
5. Что такое иформационный пакет и из каких частей он состоит?
6. Основные поля и части пакета?
7. Что такое инкапсуляция пакетов?
8. Чем отличается пакет от кадра?