Комутація пакетів

Ця техніка комутації була розроблена спеціально для ефективної передачі комп’ютерного трафіка. Перші кроки на шляху створення КМ на основі техніки КК показали, що цей вид комутації не дозволяє досягти високої загальної пропускної здатності мережі. Типові мережеві додатки генерують трафік досить нерівномірно, з високим рівнем пульсації швидкості передачі даних. Наприклад, при зверненні до вилученого файлового сервера користувач спочатку переглядає вміст його каталогу, що породжує передачу невеликого обсягу даних. Потім він відкриває необхідний файл у текстовому редакторі, і ця операція може створити досить інтенсивний обмін даними, особливо якщо файл містить об’ємні графічні дані. Після відображення кількох сторінок файлу користувач якийсь час працює з ними локально, що взагалі не вимагає передачі даних по мережі, а потім повертає модифіковані копії сторінок на сервер  і це знову породжує інтенсивну передачу даних по мережі [1  4, 17].

Коефіцієнт пульсації трафіка окремого користувача мережі (дорівнює відношенню середньої інтенсивності обміну даними до максимально можливого), може досягати 1:50 або навіть 1:100. Якщо для описаної сесії організувати комутацію каналу між комп’ютером користувача й сервером, то більшу частину часу канал буде простоювати. У той же час комутаційні можливості мережі будуть закріплені за даною парою абонентів і будуть недоступні іншим користувачам мережі.

При застосуванні КП усі передані користувачем повідомлення розбиваються у вихідному вузлі на порівняно невеликі частини  пакети (нагадаємо, що повідомленням називається логічно завершена порція даних  запит на передачу файлу, відповідь на цей запит, що містить весь файл тощо). Повідомлення можуть мати довільну довжину, від кількох байт до сотень мегабайт. Пакети зазвичай теж можуть мати змінну довжину, але у вузьких межах (наприклад, від 46 до 1500 байт). Кожний пакет забезпечується заголовком, у якому вказуються, зокрема, адресна інформація, необхідна для доставки пакета на вузол призначення та номер пакета, що буде використовуватись вузлом призначення для збору повідомлення (рис. 2.6). Пакети транспортуються мережею як незалежні інформаційні блоки. Комутатори мережі приймають пакети від кінцевих вузлів і на підставі адресної інформації передають їх один одному, і в остаточному підсумку  вузлу призначення.

Комутатори пакетної мережі відрізняються від комутаторів каналів тим, що вони мають внутрішню буферну пам’ять для тимчасового зберігання пакетів, якщо вихідний порт комутатора в момент прийняття пакета зайнятий передачею іншого пакета (рис. 2.6). В цьому випадку пакет перебуває деякий час у черзі пакетів у буферній пам’яті вихідного порту, а коли до нього дійде черга, він передається наступному комутатору. Така схема передачі даних дозволяє згладжувати пульсацію трафіка на магістральних зв’язках між комутаторами і тим самим найбільш ефективно використати їх для підвищення пропускної здатності мережі в цілому.

Дійсно, для пари абонентів найбільш ефективним було б надання їм в користування зкомутованого каналу зв’язку, як це робиться в мережах з КК. В такому випадку час взаємодії цієї пари абонентів було б мінімальним, оскільки дані без затримок передавались би від одного абонента іншому. Простої каналу під час пауз передачі абонентів не цікавлять, для них важливо швидше вирішити своє завдання. Мережа з КП сповільнює процес взаємодії конкретної пари абонентів, оскільки їх пакети можуть очікувати в комутаторах, поки по магістральних зв’язках передаються інші пакети, які надійшли в комутатор раніше.

Рисунок 2.6  Розбивання повідомлення на пакети

Проте, загальний обсяг переданих мережею комп’ютерних даних за одиницю часу у випадку застосування технології КП буде більший, ніж у випадку застосування технології КК. Це відбувається тому, що пульсації трафіку окремих абонентів відповідно до закону великих чисел розподіляються за часом так, що їх піки не збігаються. Тому комутатори постійно й досить рівномірно завантажені роботою, якщо число абонентів, які вони обслуговують, дійсно велике. На рис. 2.7 показано, що трафік, який надходить від кінцевих вузлів на комутатори, розподілений у часі дуже нерівномірно. Однак комутатори більш високого рівня ієрархії, які обслуговують з’єднання між комутаторами нижнього рівня, завантажені більш р

Рисунок 2.7  Згладжування пульсацій трафіка

у мережі з КП.

івномірно, і потік пакетів у магістральних каналах, що з’єднує комутатори верхнього рівня, має майже максимальний коефіцієнт використання. Застосування буферизації згладжує пульсації, тому коефіцієнт пульсацій на магістральних каналах набагато нижче, ніж на каналах абонентського доступу  він може дорівнювати 1:10 або навіть 1:2.

Більше висока ефективність мереж з КП порівняно з мережами з КК (при однаковій пропускній здатності каналів зв’язку) була доведена в 60-і роки як експериментально, так і за допомогою імітаційного моделювання. Тут доречна аналогія з мультипрограмними ОС. Кожна окрема програма в такій системі виконується довше, ніж в однопрограмній системі, коли програмі виділяється весь процесорний час, поки її виконання не завершиться. Однак загальне число програм, виконуваних за одиницю часу, у мультипрограмній системі більше, ніж в однопрограмній.

Мережа з КП сповільнює процес взаємодії конкретної пари абонентів, але підвищує пропускну здатність мережі в цілому.

Затримки у джерелі передачі:

• час на передачу заголовків;

• затримки, викликані інтервалами між передачею кожного наступного пакета.

Затримки в кожному комутаторі:

• час буферизаційії пакета;

• час комутації, що складається з:

• часу очікування пакета у черзі (змінна величина);

• часу переміщення пакета у вихідний порт.