Обзор методов и алгоритмов распределения информации на узлах связи

Министерство  образования и науки РФ

ГОУ ВПО Волгоградский государственный университет

Физико-технический институт

Кафедра телекоммуникационных систем

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

КУРСОВАЯ  РАБОТА

 

Обзор методов и алгоритмов распределения 

информации  на узлах связи

 

 

 

 

 

 

 

 

Выполнил

Студент группы ТКз – 091

____________ В.В. Гончаров

 

 

 

Научный руководитель

Доцент кафедры  ТКС, к.т.н.

____________ Е.С. Семенов 

 

Волгоград 2011 г.

 

Содержание

Введение	3
1 Коммутация. Способы коммутации данных, каналов, сообщений.	4
1.1 Коммутация каналов	7
1.2 Коммутация пакетов	11
1.3 Датаграммная передача	19
1.4 Виртуальные каналы в сетях с коммутацией пакетов	22
1.5 Коммутация сообщений	25
2 Обзор алгоритмов распределения информации на узлах связи	29
3 Исследование количественных и качественных характеристик алгоритмов распределения информации	38
Заключение	53
Список литературы	54

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

Применение  вычислительных средств в системе  управления государственных и коммерческих структур требует наличия мощных систем обработки и передачи данных. Решение этой задачи привело к созданию единой инфраструктуры. Ее использование позволило людям, имеющим компьютер и модем, получить доступ к информации крупнейших библиотек и баз, данных мира, оперативно выполнять сложнейшие расчеты, быстро обмениваться информацией с другими респондентами сети независимо от расстояния и страны проживания. Исследование тенденций развития рынка телекоммуникационных услуг позволяет судить о том, что в настоящее время происходят изменения, связанные с эффективным использованием новых информационных технологий, как для индивидуальных пользователей, так и для организаций. В условиях современного динамично развивающегося рынка телекоммуникационных услуг особое значение приобретает умение грамотно использовать новые телекоммуникационные технологии, а также продвижение новых услуг с целью достижения конкурентных преимуществ на рыночном пространстве. Связь вошла в нашу жизнь всерьез и надолго, и как следствие, это последнее, на чем будут экономить потребители. Люди скорее откажутся от ресторанов и туристических поездок, нежели от  телефона и Интернета, являющегося, по последним данным, одним из самых доступных и дешевых развлечений.

Определенные трудности  связаны с изменениями в технологиях  обработки, распределения и передачи информации на узлах связи. Использование информационных технологий дает ряд преимуществ: повышение эффективности процессов управления, обработки и передачи данных и т.п. В наше время уже невозможно представить крупную организацию без применения новейших информационных технологий, начиная от автоматизации отдельных рабочих мест и заканчивая построением корпоративных распределенных информационных систем. Базовые технологии, методы решения основных задач, возникающих при создании и развитии сетей, изменяются быстро и порой неожиданно. От новых технологий не будут зависеть методы передачи данных: данные будут передаваться на основе коммутации кадров; коммутационные протоколы по-прежнему будут образовывать иерархический интерфейс, а достоверность данных будет обеспечиваться повторной передачей кадров. Многие идеи и подходы к решению вопросов создания и развития сетей переходят из одной технологии в другую. Знание основных идей и структур сетевого и телекоммуникационного аппаратного, алгоритмического и программного обеспечения позволит разбираться в новых, более сложных сетевых технологиях. (2)

Целью курсовой работы является проведение анализа методов и алгоритмов распределения информации на узлах связи.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Провести обзор  построения узлов распределения  информации.

2. Провести обзор алгоритмов  распределения информации на  узлах связи.

3. Исследовать количественные  и качественные характеристики  алгоритмов.

 

 

 

1 Коммутация. Способы коммутации данных, каналов, сообщений

 

Организация связи  в распределенных сетях базируется на принципах коммутации и реализуется в узлах, соединяющих два или несколько входящих и исходящих каналов в требуемых направлениях. В целом задачу распределения информационных потоков выполняет система коммутации, состоящая из собственно сети, коммутационных станций или узлов коммутации (УК), системы подключения пользователей и оконечных пунктов (ОП). Наиболее важную роль в ней играют УК, обеспечивающие установление, поддержание и разъединение соединений между терминалами (телефонными аппаратами, компьютерами и т.п.), каждому из которых присвоен адрес (номер).

Коммутация является необходимым элементом связи узлов между собой, что позволяет сократить количество необходимых линий связи и повысить загрузку каналов связи. Практически невозможно предоставить каждой паре узлов выделенную линию связи, потому в сетях всегда применяется тот или другой способ коммутации абонентов, которая использует существующие линии связи для передачи данных разных узлов. Способами коммутации сетей, называются сети, в которых связь между узлами устанавливается только по запросу. Абоненты соединяются с коммутаторами выделенными (индивидуальными) линиями связи. Линии связи, которые соединяют коммутаторы, используются абонентами совместно.

Коммутация  может осуществляться в двух режимах: динамически и статически. В первом случае коммутация выполняется на время сеанса связи (обычно от секунд до часов) по инициативе одного из узлов, а по окончании сеанса связь разрывается. Во втором случае коммутация выполняется обслуживающим персоналом сети на значительно больше длительный период времени (несколько месяцев или лет) и не может быть изменена по инициативе пользователей. Такие каналы называются выделенными (dedicated) или арендованными (leased).

 

Рис. 1. Методы коммутации

Две группы способов коммутации (рис. 1): коммутация каналов (circuitswitching) и коммутация с промежуточным хранением (store-and-forward). Вторая группа состоит из двух способов: коммутации сообщений (messageswitching) и коммутации пакетов (packetswitching). При непосредственном соединении осуществляется физическое соединение входящих в УК каналов с соответствующими адресу исходящими каналами. При соединении с накоплением сообщений сигналы входящих в УК каналов сначала записываются в запоминающем устройстве, откуда через определенный промежуток времени поступают в исходящие каналы. Необходимость в соединении с накоплением возникает в силу разных причин. Главной из них является то, что в момент прихода сигнала по входящему в УК каналу, требуемый исходящий канал может оказаться занятым передачей информации от другого источника. В таком случае возникают альтернативные решения: первое – уведомить источник сообщений о невозможности установления требуемого соединения в данный момент, второе – запомнить входящее сообщение и передать его в исходящий канал после его освобождения от передачи предыдущего сообщения. Системы, построенные по первому принципу, получили название систем с отказами, а построенные по второму принципу – систем с ожиданием. Необходимо иметь в виду, что поскольку получение источником сообщений (ИС) отказа в установлении соединения не освобождает его от необходимости передачи сообщения, то ИС оказывается вынужденным повторять попытки установления соединения до получения положительного результата. Так как подлежащая передаче информация все это время хранится в памяти ИС, то различие между рассматриваемыми принципами коммутации заключается не в том, что оно находится в ИС (в первом случае), т.е. децентрализовано, а во втором случае – в УК,  т.е. централизовано. (1)

1.1 Коммутация  каналов

 

Принцип непосредственного  соединения реализуется системе  коммутации каналов (КК). Под коммутацией  каналов (circuit (line) switching) понимается  совокупность операций по соединению каналов для получения сквозного канала, связывающего через узлы коммутации один ОП с другим. При этом выражение «соединение каналов» следует понимать не только в смысле физического соединения, но и как занятие, резервирование средств передачи и коммутации для пары взаимодействующих ОП во время сеанса связи. Таким образом, при коммутации каналов сначала организуется сквозной канал передачи сообщений между взаимодействующими абонентами через узлы коммутации, а затем осуществляется передача сообщений. До тех пор пока взаимосвязанные абоненты не сообщат о своем решении ликвидировать установленное соединение, выделенные ресурсы сети находятся в их монопольном владении независимо от того, используются ли они в данный момент или нет. При коммутации каналов между узлами, которым необходимо установить связь друг с другом, обеспечивается организация непрерывного составленного канала, который состоит из последовательно соединенных отдельных каналов между узлами. Отдельные каналы соединяются между собой коммутирующим оборудованием (коммутаторами). Перед передачей данных необходимо выполнить процедуру установления соединения, в процессе которой создается составленный канал (рис. 2). И только после этого можно начинать передавать данные. Такой режим имеет определенное достоинство, связанное с тем, что после организации соединения абоненты могут вести передачу в любое время независимо от нагрузки, поступающей от других абонентов. Кроме того, передачи осуществляются с фиксированной задержкой, т.е. может быть реализован режим передачи в реальном масштабе времени, что особенно важно при работе в режиме диалога (переговоров двух абонентов или обмене информацией между двумя компьютерами).

 

Рис. 2.  Установление составного канала

 

Однако этот метод имеет и недостатки, главным из которых является плохое использование ресурсов сети, в частности каналов, если взаимодействующие абоненты недостаточно активны и между передачами сообщений наблюдаются длительные паузы. В реальных системах передачи сообщений доля пауз может быть достаточно большой. Даже в телефонных каналах речь занимает менее половины времени, а при передаче данных при диалоговом обмене человека и компьютера полезная нагрузка составляет

единицы процентов от выделенной пропускной способности. Для повышения эффективности использования пропускной способности трактов сети в таких диалоговых системах и были разработаны методы коммутации, при которых пропускная способность сети не закрепляется на все время сеанса двух абонентов, а представляется им лишь по мере необходимости при появлении у них сообщений для передачи. (1)

Например, если сеть, изображенная на рис. 3, работает по технологии коммутации каналов, то узел 1, чтобы передать данные узлу 7, прежде всего должен передать специальный запрос на установление соединения коммутатору А, указав адрес назначения 7. Коммутатор А должен выбрать маршрут образования составного канала, а затем передать запрос следующему коммутатору, в данном случае Е. Далее коммутатор Е передает запрос коммутатору F, а тот, в свою очередь, передает запрос узлу 7. Если узел 7 принимает запрос на установление соединения, он направляет по уже установленному каналу ответ исходному узлу, после чего составной канал считается скоммутированным и узлы 1 и 7 могут обмениваться по нему данными, например, вести телефонный разговор. (4)

Коммутация каналов  может быть аналоговой и цифровой.

Аналоговой коммутацией  называется процесс, при котором  соединение между конечными точками  коммутируемого канала устанавливается  посредством операций над аналоговым сигналом (с возможной его дискретизацией, но без преобразования в цифровую форму).

Цифровой коммутацией  называется процесс, при котором  соединение между конечными точками  коммутируемого канала устанавливается  с помощью операций над цифровым сигналом без преобразования его в аналоговый сигнал. (19)

 

 

Рис. 3. Общая структура сети с коммутацией абонентов

 

Преимущества коммутации каналов:

- Постоянная и известная скорость передачи данных по установленному между конечными узлами каналу.

- Низкий и постоянный уровень задержки передачи данных через сеть.

Недостатки коммутации каналов:

- Отказ сети в обслуживании запроса на установление соединения. Такая ситуация может сложиться из-за того, что на некотором участке сети соединение нужно установить вдоль некоторого физического канала, через который уже проходит максимальное для данной техники мультиплексирование и для данного канала количество информационных потоков.

- Нерациональное использование пропускной способности физических каналов.

- Обязательная задержка перед передачей данных из-за фазы установления соединения. Выбранное соединение должно оставаться неизменным в течение всего сеанса. (4)

 

 

1.2 Коммутация пакетов

 

Информация в локальных  сетях, передается отдельными порциями, кусками, называемыми в различных источниках пакетами, кадрами или блоками. Использование пакетов связано с тем, что в сети, одновременно может происходить несколько сеансов связи, т.е. в течение одного и того же интервала времени могут идти два и больше процессов передачи данных между различными парами абонентов. Пакеты как раз и позволяют разделить во времени сеть между передающими информацию абонентами. Если бы вся информация передавалась сразу, непрерывно, без разделения на пакеты, то это привело бы к монопольному захвату сети одним из абонентов на довольно продолжительное время. Все остальные абоненты вынуждены были бы ждать окончания передачи всей информации, что в ряде случаев могло бы потребовать десятков секунд и даже минут. Чтобы уравнять в правах всех абонентов, а также примерно уравнять время доступа к сети и интегральную скорость передач информации для всех абонентов, как раз и используются пакеты (кадры). Длина пакета зависит от типа сети, но обычно составляет от нескольких десятков байт до нескольких килобайт.

Структура пакета определяется прежде всего аппаратурными особенностями данной сети, выбранной топологией и типом среды передачи информации, а также существенно зависит от используемого протокола (порядка обмена информацией), в каждой сети структура пакета индивидуальна. Существуют общие принципы формирования пакета, определяемые характерными особенностями обмена информацией по любым локальным сетям. Типичная структура пакета представлена на рис. 4.

Преамбула

  Идентификатор         Контрольная

  приемника        сумма 

    

Идентификатор  Управляющая      Стоповая