Обзор методов и алгоритмов распределения информации на узлах связи

Таблица 1 Примеры протоколов для каждого уровня

Передача сообщений  происходит по определенным этапам (алгоритмам). Сообщения передаются из конечного узла отправителя в смежный переприемный узел, где обрабатываются и передаются дальше на другой такой же узел связи. Этот цикл переприема повторяется до тех пор, пока переданное сообщение не достигнет конечного пункта. (9) 
Способ коммутации сообщений характеризуется тем, что тракт между приемником и передатчиком заранее не устанавливается, а канал в нужном направлении предоставляется по адресу, приписываемому в начале сообщения, только для передачи сообщения, а в паузах этот канал используется для передачи других сообщений. Пришедшее на коммутационную станцию (узел) сообщение (или его часть - сегмент) поступает в запоминающее устройство. После приема и анализа адреса сообщение устанавливается в очередь для передачи его в нужном направлении. Системы коммутации сообщений являются системами с ожиданием. Качество обслуживания вызовов оценивается по среднему времени задержки. Способ коммутации сообщений используется, когда не требуется работа в реальном масштабе времени. По сравнению с коммутацией каналов коммутация сообщений имеет следующие преимущества: повышается использование каналов; возможно использование разных типов каналов на разных участках; регистрируются и хранятся проходящие через узел сообщения. (9)

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.  (12)

Коммутация с накоплением  это совокупность операций при приеме на узле коммутации сообщения или его части, накопления и последующей передачи сообщения или его части в соответствии с содержащимся в нем (ней) адресом.

  В сети с коммутацией каналов процесс передачи (алгоритм) состоит из следующих операций:

- вызывающий абонент  Аб_n c помощью вызывного устройства посылает по абонентской линии в узел коммутации каналов заявку на соединение с абонентом Аб_m содержащую условный адрес вызываемого абонента;

- аппаратура коммутации  узла коммутации каналов по  полученной заявке осуществляет  соединение абонентской линии Аб.лин _n  с абонентской линией Аб.лин _m , если абоненты принадлежат одному узлу коммутации каналов, или соединительной линии между узлами, к которым принадлежат абоненты (сквозной канал может быть организован через несколько промежуточных узлов коммутации каналов, где осуществляется аналогичная коммутация);

- после организации  сквозного канала связи абонент Аб_m получает из узла коммутации канала сигнал вызова, а абонент Аб_n – сигнал установления соединения;

- происходит передача  информации между абонентами, при  этом обмен может быть одно- и двусторонним, так как обычно коммутируются двусторонние каналы связи;

- после завершения  сеанса передачи информации и  получения от абонента сигнала  отбоя аппаратура коммутации  узлов КК разрушает ранее установленные  соединения каналов.

При отсутствии свободного канала либо его неисправности на любом из участков в заданном направлении  или отсутствии свободных станционных  устройств в узле коммутации соединение абонентов не может быть установлено  и узел коммутации посылает Аб_n сигнал отказа в обслуживании (сигнал занятости). Для установления соединения Аб_n должен повторить заявку на соединение. Такой способ обслуживания, при котором вызов (заявка на соединение), в момент отсутствия свободных линий, или станционных устройств, получает отказ (теряется), называется обслуживанием с потерями. (1)

При системе  с накоплением (КН) ОП имеет постоянную прямую связь со  своим УК (иногда с несколькими) и передает на него информацию.  Затем эта информация поэтапно передается через узлы коммутации другим абонентам, причем в случае занятости исходящих каналов информация запоминается в узлах и передается по мере освобождения каналов в нужном направлении, это системы с коммутацией сообщений (КС) и система коммутации пакетов (КП).

В сети с КС процесс  передачи (алгоритм) следующий:

- вызывающий  абонент Аб_n передает в узел коммутации подлежащее передаче сообщение вместе с условным адресом абонента Аб_m;

- в узле КС  сообщение запоминается и по  его адресу определяется канал,  по которому оно должно быть  передано;

- если канал  к соседнему узлу КС свободен, то сообщение немедленно передается  на соседний узел КС, в котором  повторяется та же операция;

-  если канал  к соседнему узлу КС занят,  то сообщение хранится в устройствах  памяти вплоть до освобождения  канала;

- хранящиеся  сообщения устанавливаются в  очередь по направлениям передачи  с учетом категории срочности.

Такой способ обслуживания, при котором заявка, поступившая  в момент отсутствия свободных линий  или приборов, ожидает их освобождения, называется обслуживанием с ожиданием. Метод КС нашел применение на телеграфных сетях общего пользования. (1)

Метод коммутации пакетов по своей идеологии совпадает  с методом КС и отличается лишь тем, что длинные сообщения передаются не целиком, а разбиваются на относительно короткие части – пакеты. Различают два способа (режима) передачи пакетов: режим виртуальных соединений и датаграмный.

Виртуальное соединение, по сути, это коммутация каналов, но не напрямую, а через память управляющих  компьютеров в центрах коммутации с использованием пакетов при передаче сообщений.

Алгоритм режима виртуальных соединений. В виртуальной сети, прежде чем начать передачу пакетов, абоненту-получателю направляется служебный пакет, прокладывающий виртуальное соединение. В каждом узле этот пакет оставляет распоряжение вида: пакеты k-го соединения, пришедшие из i-го канала, следует направлять в j-й канал. Таким образом, виртуальное (условное) соединение существует только в памяти управляющего компьютера. Дойдя до абонента-получателя, служебный пакет запрашивает у него разрешение на передачу, сообщив какой объем памяти понадобится для приема. Если его компьютер располагает такой памятью и свободен, то посылается согласие абоненту-отправителю (также в виде специального служебного пакета) на передачу сообщения. Получив подтверждение, абонент-отправитель приступает к передаче сообщения обычными пакетами. Пакеты беспрепятственно проходят друг за другом по виртуальному соединению (в каждом узле их ждет инструкция, которая обрабатывается управляющим компьютером) и в том же порядке попадают абоненту-получателю, где, освободившись от концевиков и заголовков, образуют передаваемое сообщение, которое направляется на седьмой уровень. Виртуальное соединение может существовать до тех пор, пока  отправленный одним из абонентов, специальный служебный пакет не сотрет инструкции в узлах. Режим виртуальных соединений эффективен при передаче больших массивов информации и обладает всеми преимуществами методов коммутации каналов и пакетов. (1)

Для коротких сообщений  более эффективен датаграммный режим, не требующий довольно громоздкой процедуры установления виртуального соединения между абонентами. Термин «датаграмма» применяют для самостоятельного пакета, движущегося по сети независимо от других пакетов.

Алгоритм датаграммной передачи пакетов. Получив датаграмму, узел коммутации направляет ее в сторону смежного узла, максимально приближенного к адресату. Когда смежный узел подтверждает получение пакета, узел коммутации стирает его в своей памяти. Если подтверждение не получено, узел коммутации отправляет пакет в другой смежный узел и т.д., до тех пор пока пакет не будет принят. Все узлы, окружающие данный, ранжируются по близости к адресату. Первый ранг получает ближайший к адресату узел, второй – ближайший из остальных и т.д. Пакет посылается сначала в узел первого ранга, а при неудаче – в узел второго ранга и т.д. Описанная процедура известна как алгоритм маршрутизации. Маршрут (Route) - список элементов сети связи (УК, линий связи, каналов связи), начинающийся с узла источника (УИ) и заканчивающийся узлом получателем. Кроме детерминированных алгоритмов маршрутизации, где перспективность узла оценивается с помощью конкретного решающего правила, существуют вероятностные алгоритмы, где узел связи выбирается случайно. Очевидно, что при такой маршрутизации каждая датаграмма будет идти по случайной траектории, и, следовательно, момент поступления ее адресату будет случайным. При этом свойствами случайности можно управлять, т. е. добиваться, чтобы среднее время доставки не превышало заданного, а вероятность того, что какая-то датаграмма задержится более наперед заданного числа секунд, была бы достаточно малой. Датаграммный режим используется, в частности,  Internet, в протоколах UDP (User Datagramm Protocol) и TFTP (Trivial File Transfer Protocol).

У каждого из рассмотренных  методов коммутации имеется своя область применения, обусловленная  его особенностями. Отсюда следует  целесообразность сочетания разных методов коммутации на сетях, объединяющих большое число абонентов с  отличающимися друг от друга величинами нагрузки, характером ее распределения во времени, объемами сообщений, используемой оконечной аппаратурой. На таких системах при небольшой средней нагрузке и передаче сообщений большими массивами в небольшое число адресов доля потери времени на установление соединения сравнительно невелика и предпочтительнее использовать систему с КК. При передаче же многоадресных сообщений, необходимости обеспечения приоритетности сообщениям высокой категории срочности и при большой загрузке абонентских установок более эффективно использовать систему с КС. При передаче коротких сообщений в интерактивном (диалоговом) режиме наиболее целесообразно использовать КП.

Выбор метода коммутации достаточно сложная оптимизационная  задача. Она решается исходя из требований к транспортной сети, которые в свою очередь определяются особенностями трафика, классом пользователей и показателями качества их обслуживания. (1)

3 Исследование количественных и качественных характеристик алгоритмов распределения информации

Цифровые методы группообразования  на базе временного разделения обеспечивают формирование группы каналов путем  периодического закрепления временного интервала за каждым каналом. Временные  интервалы закрепляются независимо от того, располагают ли соответствующие источники информацией, которую нужно передать, или нет. Закрепление каналов может быть изменено при установлении или разрушении соединений, но в течение «разговора» определенный временной интервал закрепляется за соответствующим соединением. Вследствие непрерывного характера занятия временных интервалов каждым временным каналом этот вид группообразования иногда называют синхронным группообразованием с временным разделением (СВГР), другой вид формирования группы каналов, называемый по-разному: либо асинхронным группообразованием с временным разделением (АГВР), либо статистическим уплотнением с временным разделением (СТУВР или СТУ). Этот вид формирования групп каналов рассматривается здесь лишь вследствие его тесной связи с методами коммутации пакетов. Устройства АГВР работают с форматами цикловой синхронизации, которые в основном идентичны форматам цикловой синхронизации СТУВР. Основное различие состоит в том, что система АГВР периодически переопределяет длину своих циклов с тем, чтобы изменять число временных интервалов и, следовательно, число каналов. В то время, как система СТУВР непрерывно предоставляет временной интервал каждому своему источнику, система АГВР предоставляет временной интервал в распоряжение источника только тогда, когда он становится активен. Временной интервал исключается (цикл укорачивается), если соответствующий источник становится неактивным. Назначение и характеристики системы АГВР аналогичны назначению и характеристикам систем коммутаций пакетов. Основное различие состоит в том, что при коммутации пакетов в линии передаются большие блоки данных, каждый из которых снабжен заголовком. Каждый временной интервал системы АГВР короче и содержит только данные источника. Особенности работы в режимах коммутации сообщений, коммутации пакетов и статистического уплотнения иллюстрирует рис. 12. В системе коммутации сообщений каждое сообщение передается полностью на основе принципа «первым пришел — первым обслужен». Система коммутации пакетов разделяет сообщения на пакеты, допуская чередование пакетов различных источников. Таким образом, короткие сообщения никогда не выстраиваются в очередь за длинными сообщениями, такими как передачи файлов. Система СТУВР разделяет сообщения на еще меньшие блоки (слова) данных и периодически добавляет к ним сообщения, определяющие цикл так, что принимающие терминалы могут соответствующим образом идентифицировать отдельные временные интервалы и осуществить соответствующую коммутацию поступающих данных. Как видно из рис. 12., работа системы коммутации пакетов становится весьма сходной с работой системы СТУВР, если размер пакетов небольшой. Фактически выпускаемые системы СТУВР можно использовать для построения сетей коммутации пакетов.