Caractéristiques caractéristiques des réseaux à commutation de circuits. Propriétés générales des réseaux à commutation de circuits. II.70s. L'émergence d'un réseau de données

Les réseaux à commutation de circuits ont plusieurs propriétés communes importantes, quel que soit le type de multiplexage qu'ils utilisent.

Les réseaux à commutation dynamique nécessitent une procédure préalable pour établir une connexion entre abonnés. Pour ce faire, l'adresse de l'abonné appelé est transmise au réseau, qui passe par les commutateurs et les configure pour la transmission ultérieure des données. La demande de connexion est acheminée d'un commutateur à un autre et parvient finalement à l'appelé. Le réseau peut refuser d'établir une connexion si la capacité du canal de sortie requis est déjà épuisée. Pour un commutateur FDM, la capacité du canal de sortie est égale au nombre de bandes de fréquences de ce canal, et pour un commutateur TDM, elle est égale au nombre de tranches horaires dans lesquelles est divisé le cycle de fonctionnement du canal. Le réseau refuse également la connexion si l'abonné demandé a déjà établi une connexion avec quelqu'un d'autre. Dans le premier cas, ils disent que le commutateur est occupé et dans le second, l'abonné. La possibilité d'une défaillance de connexion est un inconvénient de la méthode de commutation de circuit.

Si la connexion peut être établie, une bande de fréquence fixe lui est attribuée dans les réseaux FDM ou une bande passante fixe dans les réseaux TDM. Ces valeurs restent inchangées pendant toute la durée de connexion. Le débit réseau garanti une fois la connexion établie est une propriété importante requise pour les applications telles que la voix, la vidéo ou le contrôle des installations en temps réel. Cependant, les réseaux à commutation de circuits ne peuvent pas modifier dynamiquement la capacité du canal à la demande d'un abonné, ce qui les rend inefficaces dans des conditions de trafic intense.

L'inconvénient des réseaux à commutation de circuits est l'impossibilité d'utiliser des équipements utilisateur fonctionnant à des vitesses différentes. Les différentes parties d'un circuit composite fonctionnent à la même vitesse car les réseaux à commutation de circuits ne mettent pas en mémoire tampon les données utilisateur.

Les réseaux à commutation de circuits sont bien adaptés à la commutation de flux de données à débit constant, où l'unité de commutation n'est pas un simple octet ou un paquet de données, mais un flux de données synchrone à long terme entre deux abonnés. Pour de tels flux, les réseaux à commutation de circuits ajoutent un minimum de surcharge pour acheminer les données à travers le réseau, en utilisant la position temporelle de chaque bit du flux comme adresse de destination dans les commutateurs réseau.

1. Commutation de paquets

Commutation de paquets est une technique de commutation d'abonné spécialement conçue pour la transmission efficace du trafic informatique. Les expériences visant à créer les premiers réseaux informatiques basés sur la technologie de commutation de circuits ont montré que ce type de commutation ne permet pas d'atteindre un rendement global élevé. bande passante réseaux. Le nœud du problème réside dans la nature intense du trafic qui caractérise applications réseau. Par exemple, lors de l'accès à un serveur de fichiers distant, l'utilisateur visualise d'abord le contenu du répertoire de ce serveur, ce qui entraîne le transfert d'une petite quantité de données. Il ouvre ensuite le fichier requis dans éditeur de texte, et cette opération peut créer de nombreux échanges de données, surtout si le fichier contient de grandes inclusions graphiques. Après avoir affiché quelques pages d'un fichier, l'utilisateur travaille avec elles localement pendant un certain temps, ce qui ne nécessite aucun transfert réseau, puis renvoie des copies modifiées des pages au serveur, créant ainsi un transfert réseau intensif.

Le facteur d'ondulation du trafic d'un utilisateur individuel du réseau, égal au rapport entre l'intensité moyenne de l'échange de données et le maximum possible, peut être de 1:50 ou 1:100. Si, pour la session décrite, nous organisons la commutation de canal entre l'ordinateur de l'utilisateur et le serveur, la plupart du temps, le canal sera inactif. Dans le même temps, les capacités de commutation du réseau seront utilisées - une partie des plages horaires ou des bandes de fréquences des commutateurs sera occupée et indisponible pour les autres utilisateurs du réseau.

Lorsque la commutation de paquets se produit, tous les messages transmis par un utilisateur du réseau sont divisés au niveau du nœud source en parties relativement petites appelées paquets. Rappelons qu'un message est une donnée logiquement complétée - une demande de transfert d'un fichier, une réponse à cette demande contenant l'intégralité du fichier, etc. Les messages peuvent avoir une longueur arbitraire, de plusieurs octets à plusieurs mégaoctets. Au contraire, les colis peuvent généralement aussi avoir longueur variable, mais dans des limites étroites, par exemple de 46 à 1500 octets. Chaque paquet est fourni avec un en-tête qui spécifie les informations d'adresse nécessaires pour livrer le paquet au nœud de destination, ainsi que le numéro de paquet qui sera utilisé par le nœud de destination pour assembler le message (Figure 1.39). Les paquets sont transportés dans le réseau de manière indépendante blocs d'informations. Les commutateurs réseau reçoivent des paquets des nœuds finaux et, sur la base des informations d'adresse, les transmettent entre eux et finalement au nœud de destination.

Graphique 1.39

Les commutateurs de réseau de paquets diffèrent des commutateurs de circuits dans la mesure où ils disposent d'une mémoire tampon interne pour le stockage temporaire des paquets si le port de sortie du commutateur est occupé à transmettre un autre paquet au moment où le paquet est reçu (Figure 1.40). Dans ce cas, le paquet passe un certain temps dans la file d'attente des paquets mémoire tampon port de sortie, et quand c'est son tour, il est transféré au commutateur suivant. Ce schéma de transmission de données vous permet de lisser les ondulations du trafic sur les liaisons fédérées entre les commutateurs et ainsi de les utiliser de la manière la plus efficace pour augmenter le débit du réseau dans son ensemble.

Graphique 1.40

En effet, pour un couple d'abonnés, le plus efficace serait de leur fournir l'usage exclusif d'un canal de communication commuté, comme cela se fait dans les réseaux à commutation de circuits. Avec cette méthode, le temps d'interaction de cette paire d'abonnés serait minime, puisque les données seraient transmises d'un abonné à un autre sans délai. Les abonnés ne sont pas intéressés par les temps d'arrêt des chaînes pendant les pauses de transmission ; il est important pour eux de résoudre rapidement leur propre problème. Un réseau à commutation de paquets ralentit le processus d'interaction entre une paire d'abonnés donnée, car leurs paquets peuvent attendre sur les commutateurs pendant connexions principales les autres paquets arrivés plus tôt au commutateur sont transmis.

Cependant, le volume total transmis par le réseau les données informatiques par unité de temps avec les techniques de commutation de paquets seront plus élevées qu'avec les techniques de commutation de circuits. Cela se produit parce que les répercussions des abonnés individuels, conformément à la loi grands nombres répartis dans le temps. Par conséquent, les commutateurs sont constamment et assez uniformément chargés de travail si le nombre d'abonnés qu'ils desservent est très important. La figure 2.40 montre que le trafic des nœuds d'extrémité vers les commutateurs est très inégalement réparti dans le temps. Cependant, les commutateurs situés plus haut dans la hiérarchie assurent les connexions entre les commutateurs. niveau inférieur, sont chargés plus uniformément et le flux de paquets dans les canaux principaux reliant les commutateurs niveau supérieur, a un taux d'utilisation presque maximum.

L'efficacité supérieure des réseaux à commutation de paquets par rapport aux réseaux à commutation de circuits (à capacité de canal de communication égale) a été prouvée dans les années 60, à la fois expérimentalement et par modélisation de simulation. Une analogie avec les systèmes d’exploitation multiprogrammes est appropriée ici. Chaque programme individuel dans un tel système prend plus de temps à s'exécuter que dans un système à programme unique, où le programme se voit allouer tout le temps processeur jusqu'à ce qu'il termine son exécution. Cependant, le nombre total de programmes exécutés par unité de temps est plus grand dans un système multiprogramme que dans un système monoprogramme.

Tous les réseaux de télécommunications actuellement existants peuvent utiliser deux types de communication pour assurer les fonctions requises : la commutation de circuits et (ou) la commutation de paquets. De quoi s’agit-il et en quoi diffèrent-ils les uns des autres ?

Commençons par le fonctionnement des réseaux à commutation de circuits. Ils sont apparus plus tôt que leurs homologues commutés et, sans surprise, ils sont donc plus faciles à mettre en œuvre. Un exemple frappant de réseau utilisant la commutation de circuits est ligne téléphonique communications. Évidemment, pour que deux abonnés commencent à communiquer, il est nécessaire d'établir une connexion entre eux. L'abonné initiateur compose un numéro qui, en fait, est une commande à l'équipement situé entre eux pour connecter correctement deux lignes - de l'initiateur et du répondeur (prenons un exemple lorsque les abonnés sont desservis par une seule station). Auparavant, des sondes mécaniques étaient utilisées à cette fin de la manière la plus simple, avec l'avènement de solutions numériques, la mise en œuvre a changé, même si le principe reste le même. La commutation de circuits offre aux abonnés une ligne indépendante qui leur reste attribuée jusqu'à la fin de la session de communication. Les avantages sont évidents : grande fiabilité, pas besoin de transmettre des paquets de contrôle. Cependant cette méthode les connexions avec une augmentation du nombre d'abonnés deviennent trop inutiles, car le nombre de chaînes est physiquement limité. Même une tentative de résoudre ce problème en utilisant des joints n'est qu'une mesure temporaire, une solution intermédiaire définie. De plus, la commutation de canal en a un inconvénient majeur- la ligne de communication est occupée en permanence, même s'il n'y a pas d'échange d'informations entre abonnés. Par exemple, lors d'une conversation téléphonique, vous pouvez raccrocher le téléphone à côté de l'appareil et vaquer à vos occupations - le canal leur restera réservé jusqu'à ce qu'un signal soit reçu pour déconnecter la connexion.

C'est pourquoi la commutation de circuits a ensuite été remplacée par la commutation de paquets. Le principe de son fonctionnement consiste à coder et à diviser le flux de données transmis en un certain nombre de paquets distincts, qui sont transmis via une ligne de communication commune au destinataire et ensuite combinés dans le flux d'origine. Pour comprendre les différences entre ces deux méthodes, vous pouvez utiliser une analogie avec une ligne de transport : lors du changement de canal, la ligne est représentée par une voie ferrée et le flux de données est un train de plusieurs voitures. Il est clair que les retards sur le trajet sont extrêmement rares et que la fiabilité est l'une des plus élevées. Dans le même temps, plusieurs trains ne peuvent pas circuler sur cette voie en même temps. Mais les lignes à commutation de paquets constituent une autoroute à grande vitesse avec un trafic à plusieurs voies. La marchandise transportée (colis transférés) est divisée en plusieurs véhicules qui, manœuvrant dans le flux d'autres modes de transport, arrivent à destination, où la structure initiale est assemblée. DANS dans cet exemple la route est un canal de communication et les voitures sont des paquets de données. Ils cohabitent sereinement sur la même route, presque sans gêner leurs mouvements. Les exceptions sont les embouteillages, les feux de circulation et les situations d'urgence (ce sont des retards). Même si une machine n'arrive pas chez le destinataire, une copie peut être renvoyée sur demande. Le volume total d'informations transmises par unité de temps lors de la commutation de paquets est nettement plus élevé que dans le cas des canaux.

En général, changer, c'est changer quelque chose, changer d'état. Dans la technologie des réseaux, il constitue une voie de passage des données. La particularité réside dans la manière dont il est organisé. La commutation ne doit pas être confondue avec le routage dont la tâche est de trouver le chemin optimal.

9. MÉTHODES DE CHANGEMENT

9.1. Commutation de circuits

Commutation de circuits implique la formation d'un canal physique composite continu à partir de sections de canal individuelles connectées séquentiellement pour la transmission directe de données entre les nœuds. Les canaux individuels sont connectés les uns aux autres par des équipements spéciaux - des commutateurs, qui peuvent établir des connexions entre n'importe quel nœud final du réseau. Dans un réseau à commutation de circuits, avant de transmettre des données, il est toujours nécessaire d'effectuer une procédure d'établissement de connexion, au cours de laquelle un canal composite est créé.

Les commutateurs, ainsi que les canaux qui les relient, doivent assurer la transmission simultanée des données de plusieurs chaînes d'abonnés. Pour ce faire, ils doivent être à haut débit et prendre en charge une sorte de technique de multiplexage des canaux d'abonné.

Actuellement, deux techniques sont utilisées pour multiplexer les canaux des abonnés :

• fréquence multiplexage(Multiplexage par répartition en fréquence, FDM) ;
• multiplexage avec répartition dans le temps (Time Division Multiplexing, TD M).

Technique de multiplexage des canaux de fréquence (FDM ) a été développé pour les réseaux téléphoniques, mais il est également utilisé pour d'autres types de réseaux, comme les réseaux de télévision par câble.

Regardons les caractéristiques de ce type de multiplexage à l'aide de l'exemple réseau téléphonique.

Les signaux vocaux ont une largeur de spectre d'environ 10 000 Hz, mais les harmoniques fondamentales se situent dans la plage de 300 à 3 400 Hz. Ainsi, pour une transmission vocale de haute qualité, il suffit de créer entre deux interlocuteurs un canal avec une bande passante de 3 100 Hz, qui est utilisé dans les réseaux téléphoniques pour connecter deux abonnés. Dans le même temps, la bande passante systèmes de câbles avec des amplificateurs intermédiaires reliant les commutateurs téléphoniques entre eux, est généralement de plusieurs centaines de kilohertz, et parfois de plusieurs centaines de mégahertz. Cependant, il est impossible de transmettre directement les signaux de plusieurs canaux d'abonnés sur un canal haut débit, car ils fonctionnent tous dans la même gamme de fréquences et les signaux différents abonnés se mélangeront les uns aux autres de sorte qu'il sera impossible de les séparer.

La séparation des canaux d'abonnés est caractérisée par la technique de modulation d'une porteuse haute fréquence onde sinusoïdale signal vocal basse fréquence (Fig. 37). Cette technique est similaire à la technique de modulation analogique en transmission signaux discrets modems, seulement au lieu d'un signal source discret, des signaux continus générés par des vibrations sonores sont utilisés. En conséquence, le spectre du signal modulé est transféré vers une autre plage, située symétriquement par rapport à fréquence porteuse et a une largeur correspondant approximativement à la largeur du signal de modulation.

Si les signaux de chaque canal d'abonné sont transférés vers sa propre gamme de fréquences, les signaux de plusieurs canaux d'abonné peuvent être transmis simultanément sur un seul canal à large bande.

Les entrées du commutateur FDM reçoivent les signaux initiaux des abonnés au réseau téléphonique. Le commutateur transfère la fréquence de chaque canal vers sa propre plage de fréquences. En règle générale, la gamme haute fréquence est divisée en bandes allouées à la transmission de données des canaux d'abonné (Fig. 38). De sorte que les composantes basse fréquence des signaux différents canaux ne se mélangent pas, les bandes sont larges de 4 kHz et non de 3,1 kHz, laissant un écart de sécurité de 900 Hz entre elles. Dans un canal entre deux commutateurs FDM, les signaux de tous les canaux d'abonnés sont transmis simultanément, mais chacun d'eux occupe sa propre bande de fréquences. Cette chaîne s'appelle compacté .

Figure 37. Modulation de la parole

Riz. 38. Commutation basée sur le multiplexage par répartition en fréquence

Le commutateur FDM de sortie sélectionne les signaux modulés de chaque fréquence porteuse et les transmet au canal de sortie correspondant auquel le téléphone de l'abonné est directement connecté.

Dans les réseaux basés sur la commutation FDM, plusieurs niveaux de hiérarchie de canaux multiplexés sont adoptés. Le premier niveau de compactage est constitué de 12 canaux d'abonnés, qui constituent groupe de base canaux, occupant une bande de fréquences de 48 kHz de large avec des limites de 60 à 108 kHz. Le deuxième niveau de compactage est formé de 5 groupes de base, qui constituent supergroupe , avec une bande de fréquences de 240 kHz et des limites de 312 à 552 kHz. Le supergroupe transmet les données de 60 canaux vocaux d'abonnés. Dix supergroupes se forment groupe principal , qui est utilisé pour la communication entre les commutateurs sur de longues distances. Le groupe principal transmet des données à 600 abonnés simultanément et nécessite que le canal de communication ait une bande passante d'au moins 2 520 kHz avec des limites de 564 à 3 084 kHz.

Les commutateurs FDM peuvent effectuer une commutation dynamique et persistante. En commutation dynamique, un abonné établit une connexion avec un autre abonné en envoyant le numéro de l'abonné appelé au réseau. Le commutateur alloue dynamiquement à cet abonné une des bandes libres de son canal compacté. Avec une commutation constante, la bande 4 kHz est attribuée à l'abonné pendant une longue période en configurant le commutateur avec une entrée séparée inaccessible aux utilisateurs.

Le principe de commutation par répartition en fréquence reste inchangé dans les autres types de réseaux ; seules les limites des bandes attribuées à un canal d'abonné individuel changent, ainsi que le nombre de canaux bas débit dans un canal haut débit dense.

La commutation par répartition en fréquence a été conçue pour transmettre signaux continus. Quand je vais à forme numérique représentation vocale, une nouvelle technique de multiplexage a été développée, axée sur la nature discrète des données transmises.

Cette technique est appelée multiplexage temporel (Temps Multiplexage par division, TDM) . Son autre nom est moins couramment utilisé - mode synchrone transferts (Synchrone Mode de transfert, STM) (Fig. 39).

Équipements réseau TDM - multiplexeurs, commutateurs, démultiplexeurs- fonctionne en mode temps partagé, desservant alternativement tous les canaux d'abonnés pendant son cycle de fonctionnement. Le cycle de fonctionnement des équipements TDM est de 125 µs, ce qui correspond à la période de mesures vocales dans un canal d'abonné numérique. Cela signifie que le multiplexeur ou le commutateur parvient à desservir n'importe quel canal d'abonné en temps opportun et à transmettre sa prochaine mesure plus loin le long du réseau. Chaque connexion se voit attribuer une tranche de temps du cycle de fonctionnement de l'équipement, également appelée créneau horaire . Durée plages horaires dépend du nombre de canaux d'abonné desservis par le multiplexeur ou le commutateur TDM.

Le multiplexeur reçoit des informations via N canaux d'entrée des abonnés finaux, chacun transmettant des données sur le canal d'abonné à une vitesse de 64 Kbps - 1 octet toutes les 125 μs. A chaque cycle, le multiplexeur effectue les actions suivantes :

• recevoir l'octet de données suivant de chaque canal ;
• compiler une trame à partir des octets reçus, également appelée trame ;
• transmission d'une trame compressée vers le canal de sortie avec un débit égal à N×64 Kbps.

Riz. 39. Commutation basée sur la division des canaux dans le temps

L'ordre des octets dans le support correspond au numéro du canal d'entrée à partir duquel cet octet a été reçu. Le nombre de canaux d'abonnés desservis par le multiplexeur dépend de sa vitesse. Par exemple, le multiplexeur T1, qui est le premier multiplexeur industriel utilisant la technologie TDM, prend en charge 24 canaux d'abonné d'entrée, créant des clips de sortie standard T1 transmis à un débit binaire de 1,544 Mbit/s.

Démultiplexeureffectue la tâche inverse - il analyse les octets de la trame compressée et les distribue sur ses différents canaux de sortie, tout en considérant que le numéro de séquence de l'octet dans la trame correspond au numéro du canal de sortie.

Le commutateur reçoit une trame compressée sur un canal à grande vitesse en provenance du multiplexeur et écrit chaque octet de celle-ci dans une cellule distincte de sa mémoire tampon, et dans l'ordre dans lequel ces octets ont été regroupés dans la trame compressée. Pour effectuer une opération de commutation, les octets sont extraits de la mémoire tampon non pas dans l'ordre dans lequel ils ont été reçus, mais dans un ordre qui correspond aux connexions d'abonné prises en charge sur le réseau. Ainsi, par exemple, si le premier abonné du côté gauche du réseau sur la Fig. 39 doit se connecter au deuxième abonné du côté droit du réseau, puis l'octet écrit dans la première cellule de mémoire tampon en sera récupéré en second. "En remuant" de la bonne manière octets dans un clip, le commutateur assure la connexion des abonnés finaux au réseau.

Une fois le numéro attribué plages horaires reste à la disposition de la connexion « canal d'entrée - slot de sortie » pendant toute la durée de vie de cette connexion, même si le trafic transmis est par rafales et ne nécessite pas toujours le nombre de slots temporels capturé. Cela signifie qu'une connexion dans un réseau TDM dispose toujours d'une bande passante connue et fixe, un multiple de 64 Kbps.

Les réseaux TDM peuvent prendre en charge le mode de commutation dynamique ou le mode de commutation persistant, et parfois les deux modes. Par exemple, le mode principal des réseaux téléphoniques numériques fonctionnant sur la base de la technologie TDM est la commutation dynamique, mais ils prennent également en charge la commutation permanente, offrant ainsi à leurs abonnés un service de circuit dédié.

Aujourd’hui, presque toutes les données – voix, images, données informatiques – sont transmises sous forme numérique. Par conséquent, les canaux technologiques TDM dédiés, qui fournissent la couche inférieure pour la transmission des données numériques, sont chaînes universelles pour la construction de réseaux de tout type : téléphone, télévision et ordinateur.

Les réseaux à commutation de circuits ont plusieurs propriétés communes importantes, quel que soit le type de multiplexage qu'ils utilisent.

Les réseaux à commutation dynamique nécessitent une procédure préalable pour établir une connexion entre abonnés. Pour ce faire, l'adresse de l'abonné appelé est transmise au réseau, qui passe par les commutateurs et les configure pour la transmission ultérieure des données. La demande de connexion est acheminée d'un commutateur à un autre et parvient finalement à l'appelé. Le réseau peut refuser d'établir une connexion si la capacité du canal de sortie requis est déjà épuisée. Pour un commutateur FDM, la capacité du canal de sortie est égale au nombre de bandes de fréquences de ce canal, et pour un commutateur TDM - le nombre plages horaires, dans lequel le cycle de fonctionnement du canal est divisé. Le réseau refuse également la connexion si l'abonné demandé a déjà établi une connexion avec quelqu'un d'autre. Dans le premier cas, ils disent que le commutateur est occupé et dans le second, l'abonné. La possibilité d'une défaillance de connexion est un inconvénient de la méthode de commutation de circuit.

Si la connexion peut être établie, une bande de fréquence fixe lui est attribuée dans les réseaux FDM ou une bande passante fixe dans les réseaux TDM. Ces valeurs restent inchangées pendant toute la durée de connexion. Le débit réseau garanti est une propriété importante requise pour les applications telles que le contrôle vocal, vidéo ou d'objets en temps réel. Cependant, les réseaux à commutation de circuits ne peuvent pas modifier dynamiquement la capacité du canal à la demande d'un abonné, ce qui les rend inefficaces dans des conditions de trafic intense.

Un autre inconvénient des réseaux à commutation de circuits est l'impossibilité d'utiliser des équipements utilisateur fonctionnant à des vitesses différentes. Les différentes parties d'un circuit composite fonctionnent à la même vitesse car les réseaux à commutation de circuits ne mettent pas en mémoire tampon les données utilisateur. Les réseaux à commutation de circuits sont bien adaptés à la commutation de flux de données à débit constant, où l'unité de commutation n'est pas un simple octet ou un paquet de données, mais un flux de données synchrone à long terme entre deux abonnés. Pour de tels flux, les réseaux ajoutent un minimum de surcharge pour acheminer les données à travers le réseau, en utilisant la position temporelle de chaque bit du flux comme adresse de destination dans les commutateurs réseau.

Selon l'orientation transfert possible Les méthodes de transmission de données sur une ligne de communication sont divisées en les types suivants :

• simplexe - la transmission s'effectue sur la ligne de communication dans un seul sens ;
• semi-duplex - la transmission s'effectue dans les deux sens, mais alternativement dans le temps. Un exemple d'un tel transfert est Technologie Ethernet ;
• duplex - la transmission s'effectue simultanément dans deux sens.

Le mode duplex est le mode de fonctionnement des canaux le plus polyvalent et le plus productif. Le plus option simple L'organisation du mode duplex consiste en l'utilisation de deux canaux physiques indépendants dans le câble, chacun fonctionnant en mode simplex. C'est cette idée qui sous-tend la mise en œuvre du fonctionnement duplex dans de nombreuses technologies de réseau, par exemple Fast Ethernet ou ATM.

Parfois, une solution aussi simple n’est pas disponible ou efficace. Le plus souvent, cela se produit dans les cas où il n'existe qu'un seul canal physique pour l'échange de données duplex, et l'organisation d'un deuxième est associée à des coûts élevés. Dans de tels cas mode recto-verso le travail est organisé sur la base de la division du canal en deux sous-canaux logiques utilisant la technologie FDM ou TDM.

Les modems utilisent la technologie FDM pour organiser le fonctionnement duplex sur une ligne à deux fils. Les modems à modulation de fréquence fonctionnent à quatre fréquences : deux fréquences pour coder les uns et les zéros dans un sens, et les deux fréquences restantes pour transmettre les données dans le sens opposé.

À codage numérique le mode duplex sur une ligne bifilaire est organisé grâce à la technologie TDM. Partie plages horaires est utilisé pour transmettre des données dans un sens, et une partie est utilisée pour transmettre des données dans l'autre sens. Généralement plages horaires des directions opposées alternent, c’est pourquoi cette méthode est parfois appelée transmission « ping-pong ».

Dans les câbles à fibres optiques lors de l'utilisation d'un fibre optique Pour organiser un mode de fonctionnement duplex, les données sont transmises dans un sens à l'aide d'un faisceau lumineux d'une longueur d'onde et dans le sens opposé à l'aide d'une longueur d'onde différente.Cette technique appartient à la méthode FDM, mais pour les câbles optiques elle est appelée séparation de longueur d'onde (Vague Multiplexage par division, WDM) . WDM est également utilisé pour augmenter la vitesse de transmission des données dans une direction, en utilisant généralement de 2 à 16 canaux.

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Commutation de circuits et de paquets

Commutation de circuits

Les réseaux construits sur le principe de la commutation de circuits ont une histoire riche ; ils sont encore largement utilisés dans le monde des télécommunications, constituant la base de la création de canaux de communication fédérateurs à haut débit. Les premières sessions de communication entre ordinateurs ont été réalisées via le réseau téléphonique, c'est-à-dire également en utilisant la technologie de commutation de circuits, et les utilisateurs qui accèdent à Internet via un modem continuent d'être desservis par ces réseaux, puisque leurs données parviennent à l'équipement du fournisseur via le réseau local. réseau téléphonique.

Dans les réseaux à commutation de circuits, tous les problèmes de commutation particuliers formulés précédemment sont résolus. Ainsi, les flux d'informations dans les réseaux à commutation de circuits sont les données échangées entre paires abonnés(Le terme « abonné » est adopté en téléphonie pour désigner le nœud final. Puisque nous sommes tous des utilisateurs de longue date du réseau téléphonique, nous accompagnerons davantage notre explication du principe de fonctionnement des réseaux à commutation de circuits par des exemples issus du domaine. de téléphonie.).En conséquence, le signe global d'un flux est une paire d'adresses (numéros de téléphone) d'abonnés communiquant entre eux. Les itinéraires sont prédéterminés pour tous les flux possibles. Les routes dans les réseaux à commutation de circuits sont définies soit « manuellement » par l'administrateur réseau, soit trouvées automatiquement à l'aide d'un logiciel et d'un matériel spéciaux. Les routes sont enregistrées dans des tableaux dans lesquels les caractéristiques de flux sont associées aux identifiants des interfaces de sortie des commutateurs. Sur la base de ces tables, les données sont promues et multiplexées. Cependant, comme nous l'avons déjà mentionné, dans les réseaux à commutation de circuits, la solution à tous ces problèmes a ses propres caractéristiques.

Canal élémentaire

L'une des caractéristiques des réseaux à commutation de circuits est la notion de canal élémentaire.

Canal élémentaire (ou simplement canal) – il s'agit d'une caractéristique technique de base d'un réseau à commutation de circuits, qui en représente certaines fixées dans les limites de ce genre valeur de la bande passante des réseaux. Toute ligne de communication dans un réseau à commutation de circuits a une capacité multiple du canal élémentaire adopté pour ce type de réseau.

Quand on parle de réseaux à commutation de circuits, on donne au terme « canal » le sens d'une unité de capacité.

La valeur du canal élémentaire, ou en d'autres termes, unité minimale capacité de la ligne de communication, sélectionnée en tenant compte divers facteurs. Il est toutefois évident qu'un canal élémentaire ne doit pas être choisi en dessous de la capacité minimale requise pour acheminer la charge offerte attendue. Par exemple, dans les réseaux téléphoniques traditionnels, la valeur de canal élémentaire la plus courante aujourd'hui est de 64 Kbps - il s'agit de la vitesse minimale suffisante pour une transmission vocale numérique de haute qualité.

La tâche de numérisation de la voix est un cas particulier de plus problème courant- transmission d'informations analogiques sous forme discrète. Ce problème a été résolu dans les années 60, lorsque la voix a commencé à être transmise sur les réseaux téléphoniques sous la forme d'une séquence de uns et de zéros. Cette transformation repose sur la discrétisation de processus continus tant en amplitude qu'en temps (Fig.).

L'amplitude de la fonction continue d'origine est mesurée avec une période donnée - de ce fait, la discrétisation se produit dans le temps. Chaque mesure est ensuite présentée comme nombre binaire d'une certaine capacité, ce qui signifie discrétisation par valeurs - un ensemble continu de valeurs d'amplitude possibles est remplacé par un ensemble discret de ses valeurs.

Pour une transmission vocale de haute qualité, une fréquence de quantification de l'amplitude des vibrations sonores de 8 000 Hz est utilisée (échantillonnage temporel avec un intervalle de 125 μs). Pour représenter l'amplitude d'une mesure, on utilise le plus souvent 8 bits de code, ce qui donne 256 gradations du signal audio (échantillonnage par valeurs). Dans ce cas, une bande passante de 64 Kbps est nécessaire pour transmettre un canal vocal : 8 000 x 8 = 64 000 bps ou 64 Kbps. Ce canal vocal s'appelle canal élémentaire des réseaux téléphoniques numériques.

Les lignes de communication dans les réseaux à commutation de paquets (comme d'ailleurs dans d'autres types de réseaux informatiques) ont bande passante différente, certains - plus grands, d'autres - plus petits. Lors du choix de lignes de communication avec différentes qualités de vitesse, les spécialistes de la conception de réseaux tentent de prendre en compte les différentes intensités de flux d'informations pouvant survenir dans différents fragments réseaux - plus le centre du réseau est proche, plus la capacité de la ligne de communication est élevée, car lignes principales trafic global grande quantité lignes de communication périphériques.

Une caractéristique des réseaux à commutation de circuits est que la capacité de chaque ligne de communication doit être égale au nombre entier de canaux élémentaires.

Ainsi, les lignes de communication reliant les abonnés au réseau téléphonique peuvent contenir 2, 24 ou 30 canaux élémentaires, et les lignes reliant les commutateurs peuvent contenir 480 ou 1920 canaux.

Regardons le fragment de réseau illustré à la Fig.

Supposons que ce réseau soit caractérisé par un canal élémentaire R. bps Il existe des lignes de communication de différentes capacités dans le réseau, constituées de 2, 3, 4 et 5 canaux élémentaires. La figure montre deux abonnés, A et B, générant lors d'une session de communication (conversation téléphonique) flux d'informations , pour lequel le réseau a été fourni itinéraire , en passant par quatre interrupteurs S1, S2, S3 et S4. Supposons également que l'intensité du flux d'informations entre abonnés ne dépasse pas 2 R. bps Ensuite, pour échanger des données, il suffit que ces deux abonnés disposent d'une paire de canaux élémentaires, « attribués » à partir de chaque ligne de communication située sur le trajet des données du point A au point DANS. Sur la figure, ces canaux élémentaires requis par les abonnés A Et DANS , indiqué par des traits épais.

Canal composite

La communication construite en commutant (connectant) des canaux élémentaires est appelée canal composite .

Dans l'exemple considéré, pour connecter les abonnés A et DANS un canal composite « épais » de deux canaux élémentaires a été créé. Si nous modifions notre hypothèse et supposons qu'il est garanti que la charge proposée ne dépassera pas R. bit/s, il suffira alors aux abonnés de disposer d'un canal composite « épais » d'un canal élémentaire. Dans le même temps, les abonnés qui échangent intensivement des données peuvent présenter davantage exigences élevées au débit d'un canal composite. Pour ce faire, ils doivent se réserver un nombre plus important (mais certainement identique pour toutes les lignes de communication) de canaux élémentaires dans chaque ligne de communication.

Soulignons les propriétés suivantes d'un canal composite :

le canal composite sur toute sa longueur est constitué de le même nombre de canaux élémentaires ;

le canal composite a capacité constante et fixe sur toute sa longueur ;

un canal composite est créé temporairement pendant la durée d'une session de communication entre deux abonnés ;

pendant la durée de la session de communication, tous les canaux élémentaires inclus dans le canal composite entrent exceptionnel utilisation des abonnés pour lesquels ce canal composite a été créé ;

pendant toute la session de communication, les abonnés peuvent envoyer des données au réseau à une vitesse ne dépassant pas la capacité du canal composite ;

les données reçues dans un canal composite sont garanties d'être transmises à l'abonné appelé sans retards, sans pertes et à la même vitesse(vitesse de la source), qu'il existe ou non d'autres connexions sur le réseau à ce moment-là ;

après la fin de la session de communication, les canaux élémentaires inclus dans le canal composite correspondant, déclaré libre et sont renvoyés dans le pool de ressources distribuées pour être utilisés par d'autres abonnés.

Plusieurs sessions de communication peuvent avoir lieu simultanément sur le réseau (situation typique pour un réseau téléphonique dans lequel les conversations de centaines et de milliers d'abonnés sont transmises simultanément). La division du réseau entre les sessions de communication s'effectue au niveau des canaux élémentaires. Par exemple (voir figure ci-dessus), nous pouvons supposer qu'après l'attribution de deux canaux dans la ligne de communication S2-S3 pour la communication entre les abonnés A et B, les trois canaux élémentaires restants étaient répartis entre trois autres sessions de communication qui se déroulaient au même moment et via la même ligne de communication. Ce multiplexage permet au trafic de plusieurs connexions logiques d'être transmis simultanément via chaque canal physique.

Moyens de multiplexage que les abonnés sont obligés de rivaliser pour les ressources, en dans ce cas pour les voies élémentaires. Des situations sont possibles lorsqu'une ligne de communication intermédiaire a déjà épuisé les canaux élémentaires libres, alors une nouvelle session de communication, dont le parcours passe par cette ligne de communication, ne peut pas avoir lieu.

Afin de reconnaître de telles situations, la communication dans un réseau à commutation de circuits est précédée de procédure d'établissement de la connexion. Conformément à cette procédure, l'abonné qui est l'initiateur de la session de communication (par exemple l'abonné A dans notre réseau) envoie une requête au réseau de commutation, qui est un message contenant l'adresse de l'abonné appelé, par exemple l'abonné DANS (Sur le réseau téléphonique, envoyer une requête correspond à composer un numéro de téléphone).

Objet de la demande- vérifier s'il est possible de former un canal composite entre les abonnés appelant et appelé. Et cela nécessite le respect de deux conditions : la présence du nombre requis de canaux élémentaires libres dans chaque ligne de communication située sur le trajet de A à B, et l'inactivité de l'abonné appelé dans une autre connexion.

La demande transite itinéraire, défini pour le flux d'informations d'une paire d'abonnés donnée. Dans ce cas, des tables de commutation globales sont utilisées, correspondant mondial l'attribut de flux (l'adresse de l'abonné appelé) est l'identifiant de l'interface de sortie du commutateur (comme déjà mentionné, ces tables sont souvent aussi appelées tables de routage).

Si, à la suite d'une demande de l'abonné UNà l'abonné DANS Il s'est avéré que rien n'empêche l'établissement de la connexion ; fixation canal composite. Pour ce faire, des entrées sont créées dans tous les commutateurs le long du chemin de A à B. tables de commutation locales, qui indiquent la correspondance entre signes locaux d'écoulement- nombres de canaux élémentaires réservés à cette session de communication. Ce n'est qu'après cela que le canal composite est considéré comme établi et que les abonnés A et B peuvent commencer leur session de communication.

Ainsi, la propagation des données dans les réseaux à commutation de circuits se déroule en deux étapes :

Le réseau reçoit un message de service - une requête qui porte l'adresse de l'abonné appelé et organise la création d'un canal composite.

Le flux de données principal est transmis sur le canal composite préparé, dont la transmission ne nécessite plus aucune information auxiliaire, notamment l'adresse de l'abonné appelé.

La commutation des données dans les commutateurs est effectuée sur la base de caractéristiques locales - nombre de canaux élémentaires. Les demandes de connexion n'aboutissent pas toujours. S'il n'y a pas de canaux élémentaires libres sur le trajet entre les abonnés appelant et appelé ou si le nœud appelé est occupé, alorséchec de connexion. DANS Par exemple, si lors d'une session de communication entre les abonnés A et abonné AVEC enverra une demande au réseau pour établir une connexion avec l'abonné D

, alors il recevra un refus, car les deux canaux élémentaires dont il a besoin, qui composent la ligne de communication des commutateurs S3 et S4, sont déjà alloués au raccordement des abonnés A et B (Fig.). Si la connexion est refusée, le réseau informe l'appelant avec un message spécial ( Dans ce cas, le réseau téléphonique transmet des bips courts - un signal « occupé ». Certains réseaux téléphoniques font la différence entre les événements « occupé » et « occupé » en sonnant à des tarifs différents ou en utilisant des tonalités différentes. ). Comment plus de charge au réseau, Que

Plus il prend actuellement en charge de connexions, plus la probabilité de refuser une demande d'établissement d'une nouvelle connexion est grande. Nous avons décrit la procédure d'établissement de la connexion dans mode dynamique automatique

Cependant, ce n'est pas le seul mode de fonctionnement possible d'un réseau à commutation de circuits ; mode manuel statique établir une connexion. Ce mode est typique des cas où il est nécessaire d'établir un canal composite non pas pour la durée d'une session de communication d'abonné, mais pour une période plus longue. La création d'une telle chaîne à long terme ne peut pas être initiée par les abonnés ; elle est créée par l'administrateur du réseau. Il est évident que le mode manuel statique est peu utile pour un réseau téléphonique traditionnel avec ses courtes sessions de communication, mais il est tout à fait justifié pour créer des canaux de télécommunications à haut débit entre villes et pays de manière plus ou moins constante.

La technologie de commutation de circuits vise à minimiser les événements aléatoires dans le réseau, c'est-à-dire qu'il s'agit d'une technologie tendant vers le déterminisme. Afin d'éviter d'éventuelles incertitudes, une partie importante du travail d'organisation de l'échange d'informations est effectuée en amont, avant même le début du transfert effectif des données. Tout d'abord, à une adresse donnée, la disponibilité des canaux élémentaires nécessaires est vérifiée tout au long du trajet depuis l'expéditeur jusqu'à la destination. Ces canaux sont ensuite attribués pour la durée de la session à l’usage exclusif des deux abonnés et sont commutés en un « pipeline » continu (canal composite) doté de « vannes » du côté de chaque abonné. Après ce travail préparatoire exhaustif, la moindre des choses reste à faire : « ouvrir les vannes » et permettre au flux d'informations de « circuler » librement et sans interférence entre des points donnés du réseau (Fig.).

Inefficacité lors de la transmission d'un trafic en rafale

Les réseaux à commutation de circuits transmettent le plus efficacement trafic utilisateur dans le cas où sa vitesse est constante tout au long de la session de communication et correspond au maximum fixé capacité des lignes de communication physiques du réseau L'efficacité du réseau diminue lorsque les flux d'informations générés par les abonnés acquièrent battement personnage.

Ainsi, lorsqu’on parle au téléphone, les gens changent constamment le rythme de la parole, entrecoupant des déclarations rapides de pauses. En conséquence, les flux d'informations « vocales » correspondants deviennent inégaux, ce qui signifie que l'efficacité de la transmission des données diminue. C'est vrai, au cas où conversations téléphoniques cette réduction s'avère tout à fait acceptable et permet la généralisation de l'utilisation de réseaux à commutation de circuits pour la transmission du trafic vocal.

Ce qui réduit considérablement l'efficacité d'un réseau à commutation de circuits, c'est la transmission de ce que l'on appelle trafic informatique , c'est-à-dire le trafic généré par les applications avec lesquelles l'utilisateur de l'ordinateur travaille. Ce trafic est presque toujours saturé. Par exemple, lorsque vous téléchargez une autre page sur Internet, la vitesse du trafic augmente fortement et, une fois le téléchargement terminé, elle tombe presque à zéro. Si vous utilisez un réseau à commutation de circuits pour la session d'accès Internet décrite, la plupart du temps, le canal composite entre votre ordinateur et le serveur Web sera inactif. Parallèlement, une partie des performances du réseau vous sera attribuée et restera inaccessible aux autres utilisateurs du réseau. Le réseau pendant ces périodes est semblable à un escalier roulant de métro vide, qui bouge mais n’effectue pas de travail utile, en d’autres termes, « transporte de l’air ».

Pour transmettre efficacement un trafic informatique irrégulier, une technologie de commutation de paquets a été spécialement développée.

Commutation de paquets

Les réseaux à commutation de paquets, comme les réseaux à commutation de circuits, sont constitués de commutateurs connectés par des lignes de communication physiques. Cependant, la transmission des données dans ces réseaux s'effectue de manière complètement différente. Au sens figuré, comparé à un réseau à commutation de circuits, un réseau à commutation de paquets se comporte de manière moins « responsable ». Par exemple, il peut accepter des données à transmettre sans se soucier de réserver des lignes de communication le long du chemin de ces données et sans garantir le débit requis. Un réseau à commutation de paquets ne crée pas à l'avance pour ses abonnés des canaux de communication distincts qui leur sont exclusivement dédiés. Les données peuvent être retardées, voire perdues en cours de route. Avec un tel chaos et une telle incertitude, comment un réseau à commutation de paquets remplit-il ses fonctions de transfert de données ?

Le principe le plus important du fonctionnement des réseaux à commutation de paquets est la représentation des informations transmises sur le réseau sous la forme d'éléments de données structurellement séparés appelés forfaits (Outre le terme « paquet », les termes « trame », « trame », « cellule », etc. sont également utilisés. Dans ce contexte, les différences de signification de ces termes ne sont pas significatives. Dans certaines technologies de commutation de paquets (par exemple, canaux virtuels) l'indépendance totale du traitement des paquets n'est pas garantie).

Chaque colis est fourni titre(Fig.), qui contient l'adresse de destination et d'autres informations auxiliaires (longueur du champ de données, somme de contrôle, etc.) utilisées pour remettre le paquet au destinataire. La présence d'une adresse dans chaque paquet est l'une des caractéristiques les plus importantes de la technologie de commutation de paquets, puisque chaque paquet peut être traité par un commutateur. indépendamment de provenant d'autres paquets qui constituent le trafic réseau. En plus de l'en-tête, un paquet peut avoir un champ supplémentaire supplémentaire placé à la fin du paquet et donc appelé interrupteur de fin de course. La fin contient généralement somme de contrôle, ce qui vous permet de vérifier si les informations ont été corrompues lors de la transmission sur le réseau ou non.

En fonction de la mise en œuvre spécifique de la technologie de commutation de paquets, les paquets peuvent avoir une longueur fixe ou variable, et la composition des informations placées dans les en-têtes des paquets peut également changer. Par exemple, dans la technologie ATM, les paquets (appelés ici cellules) ont une longueur fixe, tandis que dans la technologie Ethernet, seules les tailles minimales et maximales possibles des paquets (trames) sont définies.

Les paquets arrivent sur le réseau sans réservation préalable des lignes de communication Et pas à une vitesse fixe prédéterminée, comme cela se fait dans les réseaux à commutation de circuits, UN au rythme auquel la source les génère. On suppose qu'un réseau à commutation de paquets, contrairement à un réseau à commutation de circuits, est toujours prêt à recevoir un paquet provenant d'un nœud final.

Comme dans les réseaux à commutation de circuits, dans les réseaux à commutation de paquets, un itinéraire est déterminé manuellement ou automatiquement pour chaque flux et enregistré dans les tables de commutation stockées sur les commutateurs. Les paquets entrant dans le commutateur sont traités Et sont acheminés le long d'un itinéraire ou d'un autre en fonction des informations contenues dans leurs en-têtes, ainsi que dans la table de commutation (Fig. ).

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NOTE

La procédure de réservation de bande passante peut également être utilisée dans les réseaux paquets. Cependant, l'idée de base d'une telle réservation est fondamentalement différente de l'idée de réservation de capacité dans les réseaux à commutation de circuits. La différence est que la capacité de canal d'un réseau à commutation de paquets peut être redistribuée dynamiquement entre les flux d'informations en fonction des besoins actuels de chaque flux, ce que la technologie de commutation de circuits ne peut pas fournir.

Les paquets appartenant à des flux d'informations identiques ou différents, lorsqu'ils se déplacent à travers le réseau, peuvent « se mélanger » les uns aux autres, former des files d'attente et « se ralentir » mutuellement. Le long du chemin des paquets, il peut y avoir des lignes de communication de différentes capacités. Selon l'heure de la journée, le degré d'encombrement des lignes de communication peut varier considérablement. Dans de telles conditions, il est possible que des paquets appartenant à un même flux se déplacent à travers le réseau à des vitesses différentes et même arrivent à destination dans un ordre différent de celui dans lequel ils ont été envoyés.

La division des données en paquets permet de transmettre le trafic informatique en rafale plus efficacement que les réseaux à commutation de circuits. Cela s'explique par le fait que les pulsations de trafic provenant d'ordinateurs individuels sont aléatoires et réparties dans le temps, de sorte que leurs pics ne coïncident le plus souvent pas. Par conséquent, lorsqu'une ligne de communication transmet du trafic à partir d'un grand nombre de nœuds d'extrémité, les ondulations du flux total sont lissées et la capacité de la ligne est utilisée plus efficacement, sans temps d'arrêt prolongés. Cet effet est illustré sur la Fig. ci-dessous, qui montre des flux de paquets inégaux provenant des nœuds d'extrémité 3,4 et 10 V réseau représenté sur la fig. plus haut.

Supposons que ces flux soient transmis dans le sens du switch 8, et se chevauchent donc lorsque la ligne de communication passe entre les commutateurs 5 et 8 . Le flux total qui en résulte est plus uniforme que chacun des flux individuels qui le composent.

Mise en mémoire tampon des paquets

L'incertitude et l'asynchronisme du mouvement des données dans les réseaux à commutation de paquets imposent des exigences particulières au fonctionnement des commutateurs dans ces réseaux.

La principale différence entre les commutateurs de paquets ( Par souci de simplicité, nous appellerons en outre les commutateurs des réseaux à commutation de paquets « commutateurs de paquets ».) des commutateurs des réseaux à commutation de circuits est qu'ils ont des mémoire tampon pour le stockage temporaire de colis,

En effet, un commutateur de paquets ne peut pas prendre de décision concernant le transfert d'un paquet sans avoir l'intégralité du paquet en mémoire. Changer de chèque somme de contrôle, et seulement s'il indique que les données du paquet ne sont pas corrompues, il commence à traiter le paquet et détermine le prochain commutateur en fonction de l'adresse de destination. C'est pourquoi chaque Le paquet est placé séquentiellement petit à petit dans tampon d’entrée. Avec cette propriété à l'esprit, disent-ils, Quoi les réseaux de commutation de paquets utilisent la technologie économiser avec la promotion(stockage et transfert). Notez que pour cela, il suffit d'avoir un tampon d'une taille d'un paquet.

Le commutateur a besoin de tampons coordonner les taux de transfert de données dans les lignes de communication connecté à ses interfaces. En effet, si le rythme d'arrivée des paquets d'une ligne de communication pendant une certaine période dépasse la capacité de la ligne de communication vers laquelle ces paquets doivent être envoyés, alors afin d'éviter la perte de paquets sur l'interface cible il est nécessaire d'organiser une sortie file d'attente (Fig.).

La mise en mémoire tampon est également nécessaire pour un commutateur de paquets pour faire correspondre le taux d'arrivée des paquets avec la vitesse de leur commutation. Si l'unité de commutation n'a pas le temps de traiter les paquets (analyser les en-têtes et transmettre les paquets à l'interface requise), des problèmes surviennent sur les interfaces du commutateur. files d'attente à l'entrée.Évidemment, Quoi Pour stocker la file d'attente d'entrée, la taille du tampon doit dépasser la taille d'un paquet. Il y a différentes approchesà la construction d'un bloc de commutation. La méthode traditionnelle est basée sur un seul processeur central qui gère toutes les files d'attente d'entrée du commutateur. Cette méthode de conception peut entraîner des files d'attente volumineuses car les performances du processeur sont partagées entre plusieurs files d'attente. Les méthodes modernes de construction d'une unité de commutation sont basées sur une approche multiprocesseur, lorsque chaque interface possède son propre processeur intégré pour traiter les paquets. Processeur, coordonnant le travail des processeurs d'interface. L'utilisation de processeurs d'interface améliore les performances du commutateur et réduit les files d'attente sur les interfaces d'entrée. Cependant, de telles files d'attente peuvent toujours se produire puisque le processeur reste le goulot d'étranglement.

Le volume des tampons dans les commutateurs étant limité, une perte de paquets se produit parfois en raison d'un débordement de tampon lorsqu'une partie du réseau est temporairement surchargée lorsque les périodes d'impulsion de plusieurs flux d'informations coïncident. La perte de paquets est courante dans les réseaux à commutation de paquets, et la technologie réseau fournit un certain nombre de mécanismes spéciaux pour compenser ces pertes, dont nous parlerons plus tard.

Le commutateur de paquets peut fonctionner en fonction de l'une des trois méthodes de promotion des packages :

transmission de datagrammes ;

transmission avec établissement d'une connexion logique ;

transmission avec établissement d'un canal virtuel.

Transmission de datagrammes

La méthode datagramme de transmission de données est basée sur le fait que tous les paquets transmis sont transmis (transmis d'un nœud du réseau à un autre) indépendamment de les uns des autres sur la base des mêmes règles, la procédure de traitement des paquets est déterminée uniquement par les valeurs des paramètres qu'il transporte et l'état actuel du réseau (par exemple, en fonction de sa charge, un paquet peut être mis en file d'attente pour le service pendant plus ou moins de temps). Cependant, aucune information sur déjà coupéforfaits n'est pas stocké par le réseau et n'est pas pris en compte lors du traitement du paquet suivant . Autrement dit, chaque paquet individuel est considéré par le réseau comme une unité de transmission totalement indépendante - datagramme.

DANS cas général résoudre chacun des problèmes de commutation particuliers - déterminer les flux et les itinéraires correspondants, fixer les itinéraires dans les paramètres et les tableaux de configuration périphériques réseau, la reconnaissance de flux et le transfert de données entre les interfaces du même dispositif, le multiplexage/démultiplexage de flux et la séparation des supports de transmission sont étroitement liés à la solution de tous les autres. Complexe solutions techniques Le problème généralisé de la commutation constitue la base de toute technologie de réseau. En fonction du mécanisme de routage, de transmission des données et partage Les canaux de communication sont intégrés dans une technologie de réseau particulière, ses propriétés fondamentales en dépendent.

Parmi les nombreuses approches possibles pour résoudre le problème du changement d'abonné dans les réseaux, il en existe deux fondamentales :

Commutation de circuits ;

Commutation de paquets.

Structure générale d'un réseau avec commutation d'abonnés (Figure)

Les réseaux à commutation de circuits ont une histoire plus riche, ayant évolué depuis les premiers réseaux téléphoniques. Les réseaux à commutation de paquets sont relativement nouveaux, ayant émergé à la fin des années 1960 à la suite d'expériences avec les premiers réseaux informatiques étendus. Selon les prévisions à long terme de nombreux experts, l'avenir appartient à la technologie de commutation par paquets, car elle est plus flexible et universelle.

Commutation de circuits

Lors de la commutation de canaux, le réseau de commutation forme un canal physique composite continu entre les nœuds d'extrémité des sections de canal intermédiaires connectées en série par des commutateurs. La condition que plusieurs canaux physiques avec connexion série forment un seul canal physique, les débits de transmission de données dans chacun des canaux physiques constitutifs sont égaux. L'égalité des vitesses signifie que les commutateurs d'un tel réseau n'ont pas besoin de mettre en mémoire tampon les données transmises.

Dans un réseau à commutation de circuits, avant de transmettre des données, il est toujours nécessaire d'effectuer une procédure d'établissement de connexion, au cours de laquelle un canal composite est créé. Et seulement après cela, vous pourrez commencer à transférer des données.

Par exemple, si le réseau illustré sur la figure utilise la technologie de commutation de circuits, alors le nœud 1, afin de transmettre des données au nœud 7, doit d'abord transmettre demande spéciale pour établir une connexion avec le commutateur A, en indiquant l'adresse de destination 7. Le commutateur A doit sélectionner une route pour former un canal composite, puis transmettre la requête au commutateur suivant, en l'occurrence E. Le commutateur E transmet alors la requête au commutateur F. , qui, à son tour, transmet la demande au nœud 7. Si le nœud 7 reçoit une demande d'établissement d'une connexion, il envoie canal établi réponse au nœud source, après quoi le canal composite est considéré comme commuté et les nœuds 1 et 7 peuvent échanger des données via celui-ci.

Avantages de la commutation de circuits

1. Un taux de transfert de données constant et connu sur le canal établi entre les nœuds d'extrémité. Cela donne à l'utilisateur du réseau la possibilité, sur la base d'une évaluation préalable de la bande passante requise pour une transmission de données de haute qualité, d'établir un canal à la vitesse requise dans le réseau. 2. Latence faible et constante de la transmission des données via le réseau. Cela permet une transmission de haute qualité de données sensibles au délai (également appelées trafic en temps réel) : voix, vidéo et diverses informations technologiques.

Inconvénients de la commutation de circuits

1. Refus du réseau de répondre à une demande d'établissement de connexion. Cette situation peut survenir du fait que dans une section du réseau, la connexion doit être établie le long d'un canal par lequel passe déjà le maximum possible de flux d'informations. Une panne peut également survenir à la fin d'un canal composite, par exemple si un abonné ne peut prendre en charge qu'une seule connexion. 2. Utilisation irrationnelle capacité des canaux physiques. La partie de la bande passante allouée à un canal composite après l'établissement d'une connexion lui est fournie pendant toute la durée, c'est-à-dire jusqu'à ce que la connexion soit rompue. Cependant, les abonnés n'ont pas toujours besoin de la bande passante du canal lors d'une connexion. L'incapacité de redistribuer dynamiquement la bande passante limite un réseau à commutation de circuits, puisque l'unité de commutation ici est le flux d'informations dans son ensemble. 3. Délai obligatoire avant la transmission des données en raison de la phase d'établissement de la connexion.

La technique de commutation de circuits fonctionne bien dans les cas où seul le trafic téléphonique doit être transmis.

Les commutateurs, ainsi que les canaux qui les relient, doivent assurer la transmission simultanée des données de plusieurs canaux d'abonnés. Pour ce faire, ils doivent être à haut débit et prendre en charge une sorte de technique de multiplexage des canaux d'abonné.

Actuellement, deux techniques sont utilisées pour multiplexer les canaux des abonnés :

• technologie de multiplexage par répartition en fréquence (FDM);
• technologie de multiplexage temporel (TDM).

Commutation de paquets

Cette technique de commutation a été spécialement conçue pour une transmission efficace du trafic informatique. Les premières étapes vers la création de réseaux informatiques basés sur la technologie de commutation de circuits ont montré que ce type de commutation ne permet pas d'atteindre un débit global de réseau élevé.

Lorsque la commutation de paquets se produit, tous les messages transmis par l'utilisateur sont décomposés au niveau du nœud source en morceaux relativement petits appelés paquets. Rappelons qu'un message est une donnée logiquement complétée - une demande de transfert d'un fichier, une réponse à cette demande contenant l'intégralité du fichier, etc. Les messages peuvent être de n'importe quelle longueur, de quelques octets à plusieurs mégaoctets. Au contraire, les paquets peuvent généralement aussi avoir une longueur variable, mais dans des limites étroites, par exemple de 46 à 1 500 octets. Chaque paquet est fourni avec un en-tête qui spécifie les informations d'adresse nécessaires pour livrer le paquet au nœud de destination, ainsi que le numéro de paquet qui sera utilisé par le nœud de destination pour assembler le message (Figure). Les paquets sont transportés sur le réseau sous forme de blocs d'informations indépendants. Les commutateurs réseau reçoivent des paquets des nœuds finaux et, sur la base des informations d'adresse, les transmettent entre eux et finalement au nœud de destination.

Les commutateurs de réseau de paquets diffèrent des commutateurs de circuits dans la mesure où ils disposent d'une mémoire tampon interne pour le stockage temporaire des paquets si le port de sortie du commutateur est occupé à transmettre un autre paquet au moment de la réception du paquet (Figure). Dans ce cas, le paquet reste un certain temps dans la file d'attente des paquets dans la mémoire tampon du port de sortie, et lorsque son tour l'atteint, il est transféré vers le commutateur suivant. Ce schéma de transmission de données vous permet d'augmenter le débit du réseau.

Pour un couple d'abonnés, le plus efficace serait de leur fournir un canal de communication commuté pour leur seul usage. Dans ce cas, le temps d'interaction entre les abonnés serait minime, puisque les données seraient transmises d'un abonné à l'autre sans délai. Les temps d'arrêt pendant les pauses ne sont pas significatifs pour les abonnés. Un réseau à commutation de paquets ralentit la communication entre une paire d'abonnés donnée car leurs paquets peuvent être en attente sur les commutateurs.

Cependant, la quantité totale de données informatiques transmises par le réseau par unité de temps en utilisant la technique de commutation de paquets sera supérieure à celle utilisant la technique de commutation de circuits. Cela se produit parce que les pulsations des abonnés individuels, conformément à la loi des grands nombres, sont réparties dans le temps de manière à ce que leurs pics ne coïncident pas. Par conséquent, les commutateurs sont constamment et assez uniformément chargés de travail si le nombre d'abonnés qu'ils desservent est très important. La figure montre que le trafic provenant des nœuds d'extrémité vers les commutateurs est réparti de manière très inégale dans le temps. Cependant, les commutateurs situés à un niveau supérieur de la hiérarchie, qui assurent les connexions entre les commutateurs situés à un niveau inférieur, sont chargés de manière plus uniforme et le flux de paquets dans canaux principaux, connectant les commutateurs de niveau supérieur, a presque coefficient maximal utiliser.

Un réseau à commutation de paquets ralentit le processus d'interaction entre une paire spécifique d'abonnés, mais augmente le débit du réseau dans son ensemble.

Retards à la source de transmission :

Il est temps de transférer les en-têtes ;

Retards causés par les intervalles entre la transmission de chaque paquet suivant.

Retards dans chaque commutateur :

Temps de mise en mémoire tampon des paquets ;

Temps de commutation, qui comprend :

1. temps d'attente d'un paquet dans la file d'attente (valeur variable) ;

2. Il est temps de déplacer le paquet vers le port de sortie.

Un réseau à commutation de paquets comporte généralement de nombreux nœuds et fournit des routes alternatives et de secours. Il existe deux méthodes utilisées pour transmettre les paquets : l'ancienne, X.25, qui fournit haut niveau vérification des erreurs et une nouvelle méthode de commutation de fenêtre qui utilise un numérique moderne et plus fiable systèmes téléphoniques. Il vous permet de réduire la vérification des erreurs et d’augmenter le débit.

X.25 est norme internationale transmettre des paquets sur réseaux publics. Il prend en charge les lignes de données avec support ou grande vitesse transferts pour un usage permanent ou périodique. Les applications typiques sont les systèmes e-mail. La norme X.25 est souvent utilisée pour organiser les réseaux internationaux.

X.25 - défini par le comité CCITT et décrit comment les informations sont divisées en paquets et transmises sur un réseau X.25. Un pont ou un routeur est utilisé pour connecter le LAN au réseau X.25. L'accès au réseau se fait via une ligne louée ou commutée. Les lignes louées utilisent généralement une communication synchrone, qui augmente le débit, et ont des vitesses de transmission comprises entre 19,2 et 64 Kbps. Utilisation des lignes d'appel par numéro méthodes asynchrones et nécessitent des modems dotés fonds propres Correction d'erreur. La vitesse de transmission dépend de la vitesse du modem.

Les communications asynchrones sont des méthodes caractère par caractère dans lesquelles les données sont séparées à l'aide de bits de démarrage et d'arrêt. Les communications synchrones utilisent une méthode orientée blocs et les données sont divisées dans le temps.

Méthode de changement de fenêtre

La méthode de changement de fenêtre est nouvelle méthode, créé sur la base de la spécification RNIS. La méthode de commutation de fenêtre simplifie et améliore la commutation de paquets en éliminant le traitement lié à X.25 couche réseau. Le multiplexage et l'élimination des connexions logiques sont effectués au niveau de la couche de communication de données.

Cette méthode est de plus en plus utilisée dans les réseaux publics et privés. Basé sur la plus grande fiabilité des liaisons modernes, il élimine une partie de la surcharge de X.25. Par exemple, dans X.25, les données transitent depuis une source via deux ou plusieurs nœuds intermédiaires, et chacun de ces nœuds doit accuser réception en envoyant un accusé de réception au nœud expéditeur. Lorsque le paquet atteint enfin le destinataire, celui-ci doit envoyer un accusé de réception de la source. La méthode de changement de fenêtre ne nécessite que cette dernière étape. En conséquence, cette méthode offre un plus grand débit. La table d'état, qui est utilisée dans X.25 sur chaque nœud intermédiaire pour la vérification des erreurs, le contrôle du flux de données et la vérification des erreurs dans la méthode de commutation de fenêtre, n'est pas requise.

Les outils utilisant la méthode de commutation de fenêtre sont fournis par des sociétés telles que Compuserve, Tymenet, Williams Telecommunications et autres.

Avantages de la commutation de paquets

1. Débit réseau global élevé lors de la transmission d’un trafic en rafale. 2. La capacité de redistribuer dynamiquement la capacité des canaux de communication physiques entre les abonnés en fonction des besoins réels de leur trafic.

Inconvénients de la commutation de paquets

1. Incertitude sur le taux de transfert de données entre les abonnés du réseau, due au fait que les délais dans les files d'attente du réseau dépendent de charge totale réseaux. 2. Valeur variable délai des paquets de données, qui peut être assez long lors des moments de congestion instantanée du réseau. 3. Perte de données possible en raison d'un débordement de mémoire tampon.

Les réseaux à commutation de paquets, qui mettent en œuvre des techniques de qualité de service, permettent une transmission simultanée différents types trafic, y compris des trafics aussi importants que le trafic téléphonique et informatique. Par conséquent, les méthodes de commutation de paquets sont aujourd'hui considérées comme les plus prometteuses pour construire un réseau convergé qui offrira des services complets. prestations de qualité pour les abonnés de tout type. Aujourd'hui, les méthodes de commutation de circuits fonctionnent non seulement avec succès dans les réseaux téléphoniques traditionnels, mais sont également largement utilisées pour former des connexions permanentes à haut débit dans les réseaux dits primaires (de base) des technologies SDH et DWDM, qui sont utilisés pour créer des canaux physiques de base entre commutateurs de réseau téléphonique ou informatique. Dans le futur, il est fort possible que de nouvelles technologies de commutation voient le jour, combinant sous une forme ou une autre les principes de la commutation par paquets et par canal.

Changement de message

La commutation de messages est similaire en principe à la commutation de paquets. La commutation de messages désigne le transfert d'un seul bloc de données entre des ordinateurs de transit sur un réseau avec mise en mémoire tampon temporaire de ce bloc sur le disque de chaque ordinateur. Un message, contrairement à un paquet, a une longueur arbitraire, qui est déterminée non pas par des considérations technologiques, mais par le contenu des informations qui composent le message.

Les ordinateurs de transit peuvent être connectés les uns aux autres via un réseau à commutation de paquets ou un réseau à commutation de circuits. Message (cela pourrait être, par exemple, document texte, fichier avec le code du programme, e-mail) est stocké dans l'ordinateur de transit sur disque, et tout à fait pendant longtemps, si l'ordinateur est occupé avec d'autres travaux ou si le réseau est temporairement surchargé. Ce schéma est généralement utilisé pour transmettre des messages qui ne nécessitent pas de réponse immédiate, le plus souvent des messages électroniques. Le mode de transfert avec stockage intermédiaire sur disque est appelé mode store-and-forward. Le mode de commutation de message libère le réseau pour le trafic qui nécessite une réponse rapide, tel que le trafic du service WWW ou du service de fichiers.

Ils essaient généralement de réduire le nombre d'ordinateurs de transit. Si les ordinateurs sont connectés à un réseau à commutation de paquets, le nombre d'ordinateurs intermédiaires est réduit à deux. Mais si les ordinateurs sont interconnectés par un réseau téléphonique, alors plusieurs serveurs intermédiaires sont souvent utilisés, puisque l'accès direct au serveur final peut être en à l'heure actuelle impossible en raison de la surcharge du réseau téléphonique ou économiquement non rentable en raison des tarifs élevés des communications téléphoniques longue distance.

La technologie de commutation de messages est apparue dans réseaux informatiques antérieure à la technologie de commutation de paquets, mais elle a ensuite été supplantée par cette dernière, car elle était plus efficace en termes de débit réseau. L'écriture d'un message sur le disque prend beaucoup de temps, et de plus, la présence de disques suggère de les utiliser comme commutateurs ordinateurs spécialisés, ce qui entraîne des coûts importants pour l'organisation du réseau.

Commutation intégrée

La commutation intégrale est une méthode de commutation universelle orientée paquets qui garantit le passage simultané de plusieurs blocs de données.

Commutation de port

Commutation de port : la capacité des hubs modulaires à s'adapter logiciel un ou plusieurs ports avec des segments de réseau différents, si chaque segment est représenté par son propre module.

Commutation avec stockage (Store-and-forward)

La commutation de mémoire est une méthode de commutation dans laquelle le système de relais reçoit entièrement un bloc de données puis le transmet. La commutation de mémoire permet la détection des erreurs à l'aide d'un code de redondance cyclique.

Commutation de point de croisement

Passer par le point d'intersection - une méthode de segmentation réseaux locaux avec une topologie en étoile et un support de transmission partagé, dans lequel des concentrateurs de segments sont connectés au switch d'un côté et des serveurs de l'autre.

Commutation de cellule (relais de cellule)

Commutation de cellule - technologie de réseau, fournissant une commutation matérielle à grande vitesse des données emballées dans des cellules longueur constante. La commutation des cellules est effectuée par des nœuds de commutation intégrés.

Commutation directe

La commutation de bout en bout est une méthode de commutation dans laquelle un bloc de données commence à être transmis par un système relais avant d'être complètement reçu.

Commutation de données à grande vitesse données de vitesse commutation)

Commutation de données à grande vitesse - Méthodologie transfert rapide dans un réseau de blocs de données, en supposant :

1. effectuer des fonctions de commutation et de routage uniquement dans le matériel ;

2. refus de vérifier les blocs de données dans tous les nœuds intermédiaires.

Commutation mixte

La commutation mixte est un service de transport complet qui assure la commutation de circuits et la commutation de paquets dans les réseaux RNIS. À commutation mixte disponible dans réseau de communications Les canaux logiques sont utilisés pour commuter des circuits et créer des séquences reliant des paires de systèmes administratifs ou d'abonnés. Par chaînes gratuites Les blocs de données sont transmis en mode de commutation de paquets.