Loading AI tools
Коммутация пакетов (англ. packet switching) — способ динамического распределения ресурсов сети связи[1] за счёт передачи и коммутации оцифрованной информации в виде частей небольшого размера — так называемых пакетов, которые передаются по сети в общем случае независимо друг от друга (дейтаграммы) либо последовательно друг за другом по виртуальным соединениям. Узел-приёмник из пакетов собирает сообщение. В таких сетях по одной физической линии связи могут обмениваться данными много узлов.
При коммутации пакетов все передаваемые пользователем цифровые данные разбиваются передающим узлом на небольшие (до нескольких килобайт) части — пакеты (англ. packet). Каждый пакет оснащается заголовком, в котором указывается, как минимум, адрес узла-получателя и номер пакета. Передача пакетов по сети происходит либо независимо друг от друга, тогда пакеты называют дейтаграммами (datagram), а режим индивидуальной коммутации пакетов — дейтаграммным режимом, либо по виртуальным соединениям, то есть в режиме, «ориентированном на соединения» (англ. Connection-oriented communication). Коммутаторы такой сети имеют внутреннюю буферную память для временного хранения пакетов, что позволяет сглаживать пульсации трафика на линиях связи между коммутаторами.
Достоинства коммутации пакетов
- Эффективность использования пропускной способности, особенно при переменной интенсивности нагрузки (пульсирующем трафике).
- При перегрузке сети отсутствуют отказы в обслуживании с сообщением «сеть занята»: в этом случае сеть снижает всем или нескольким абонентам скорость передачи.
- Абонент, использующий свой канал не полностью, фактически отдаёт пропускную способность сети остальным абонентам[2].
Недостатки коммутации пакетов
- Коммутацию пакетов способно осуществлять только сложное устройство; без микропроцессорной техники пакетную сеть наладить практически невозможно.
- Пропускная способность расходуется на передачу технических данных (служебной информации).
- Задержки доставки, в том числе переменные, из-за того, что при занятости исходящего канала пакет может ждать своей очереди в коммутаторе.
Сеть с коммутацией пакетов отличается от сети с коммутацией каналов тем, что с определённой вероятностью может замедлять процесс взаимодействия каждой конкретной пары узлов, поскольку их пакеты могут ожидать в коммутаторах, пока передадутся другие пакеты. Это особенно критично для служб, работающих в реальном масштабе времени (аудио, видео). Однако общая эффективность (объем передаваемых данных в единицу времени) при коммутации пакетов будет выше, чем при коммутации каналов. Это связано с тем, что трафик каждого отдельного абонента носит пульсирующий характер, а пульсации разных абонентов в соответствии с законом больших чисел распределяются во времени, делая нагрузку более равномерной.
Коммутацию пакетов можно разделить на коммутацию пакетов без установления соединения, также известную как коммутация дейтаграмм, и коммутацию пакетов с установлением соединения, также известную как коммутация виртуальных каналов. Примерами систем без установления соединения являются Ethernet, Интернет-протокол (IP) и протокол дейтаграмм пользователя (UDP). Системы, ориентированные на соединение, включают X.25, Frame Relay, многопротокольную коммутацию по меткам (MPLS) и протокол управления передачей (TCP).
В режиме без установления соединения каждый пакет помечается адресом назначения, адресом источника и номерами портов. Также на нем может быть указан порядковый номер пакета. Эта информация задается в заранее установленном пути, чтобы помочь пакету найти свой путь к месту назначения, но означает, что требуется больше информации в заголовке пакета, который, следовательно, становится больше. Пакеты маршрутизируются индивидуально, иногда по разным путям, что приводит к нарушению порядка доставки. В месте назначения исходное сообщение может быть повторно собрано в правильном порядке на основе порядковых номеров пакетов. Таким образом, виртуальный канал, переносящий поток байтов, предоставляется приложению протоколом транспортного уровня, хотя сеть предоставляет только услугу сетевого уровня без установления соединения.
Передача с установлением соединения требует фазы настройки, чтобы установить параметры связи перед передачей любого пакета. Протоколы сигнализации, используемые для настройки, позволяют приложению выставлять свои требования и обнаруживать параметры канала. Допустимые значения параметров услуги могут быть согласованы. Передаваемые пакеты могут включать в себя идентификатор соединения, а не адресную информацию, а заголовок пакета может быть меньше, поскольку он должен содержать только этот код и информацию, такую как длина, временная метка или порядковый номер, которые отличаются для разных пакетов. В этом случае адресная информация передается каждому узлу только на этапе установки соединения, когда определяется маршрут к пункту назначения и добавляется запись в таблицу коммутации в каждом сетевом узле, через который проходит соединение. Когда используется идентификатор соединения, для маршрутизации пакета узел должен найти идентификатор соединения в таблице.
Протоколы транспортного уровня, ориентированные на установление соединения, такие как TCP, поддерживают услуги, ориентированные на установление соединения, с помощью базовой сети без установления соединений. В этом случае для реализации сквозного соединения необходимо, чтобы соответствующие функции выполняли конечные узлы такого соединения, а не сама сеть.
Коммутация пакетов используется для оптимизации использования пропускной способности канала, доступной в цифровых телекоммуникационных сетях, таких как компьютерные сети, и минимизации задержки передачи (время, которое требуется для передачи данных по сети), а также для повышения надежности связи.
Коммутация пакетов используется в Интернете и большинстве локальных сетей. Интернет реализуется с помощью пакета Internet Protocol Suite с использованием различных технологий канального уровня. Например, распространены Ethernet и Frame Relay. Новые технологии мобильных телефонов (например, GSM, LTE) также используют коммутацию пакетов. Коммутация пакетов связана с сетями без установления соединения, поскольку в этих системах не требуется заключать соглашение о соединении между взаимодействующими сторонами до обмена данными.
В X.25 широко используется коммутация пакетов, поскольку, несмотря на то, что он основан на методах коммутации пакетов, он предоставляет пользователю виртуальные каналы. Эти виртуальные каналы несут пакеты переменной длины. В 1978 году X.25 предоставил первую международную коммерческую сеть с коммутацией пакетов, International Packet Switched Service (IPSS). Асинхронный режим передачи (ATM) также представляет собой технологию виртуальных каналов, в которой используется коммутация пакетов, ориентированная на ретрансляцию ячеек фиксированной длины.
Такие технологии, как многопротокольная коммутация по меткам (MPLS) и протокол резервирования ресурсов (RSVP), создают виртуальные каналы поверх сетей дейтаграмм. MPLS и его предшественники, а также ATM были названы технологиями «быстрых пакетов». MPLS действительно был назван «банкоматом без ячеек». Виртуальные каналы особенно полезны при создании надежных механизмов переключения при отказе и распределении полосы пропускания для чувствительных к задержкам приложений.
Историю сетей с коммутацией пакетов можно разделить на три перекрывающиеся эпохи: ранние сети до появления X.25 и модели OSI, эпоха X.25, когда многие почтовые, телефонные и телеграфные компании использовали сети с интерфейсами X.25. , и эпоху Интернета.
Ранние сети
Исследования коммутации пакетов в Национальной физической лаборатории (NPL) начались с предложения по глобальной сети в 1965 году [2] и локальной сети в 1966 году. [28] Финансирование ARPANET было обеспечено в 1966 году Бобом Тейлором, а планирование началось в 1967 году, когда он нанял Ларри Робертса. Сеть NPL, ARPANET и SITA HLN начали функционировать в 1969 году. До введения X.25 в 1973 году [29] было разработано около двадцати различных сетевых технологий. Два фундаментальных различия заключались в разделении функций и задач между узлами на границе сети и ядром сети. В системе дейтаграмм, работающей по сквозному принципу, хосты несут ответственность за обеспечение упорядоченной доставки пакетов. В системе виртуальных вызовов сеть гарантирует последовательную доставку данных на хост. Это приводит к упрощению интерфейса хоста, но усложняет сеть. Набор протоколов X.25 использует этот тип сети.
AppleTalk
AppleTalk — это проприетарный набор сетевых протоколов, разработанный Apple в 1985 году для компьютеров Apple Macintosh. Это был основной протокол, используемый устройствами Apple в 1980-х и 1990-х годах. AppleTalk включал функции, которые позволяли устанавливать локальные сети без необходимости в централизованном маршрутизаторе или сервере. Система AppleTalk автоматически назначает адреса, обновляет распределенное пространство имен и настраивает любую требуемую межсетевую маршрутизацию. Это была система plug-n-play.
Реализации AppleTalk были также выпущены для IBM PC и совместимых устройств, а также для Apple IIGS. Поддержка AppleTalk была доступна в большинстве сетевых принтеров, особенно в лазерных принтерах, некоторых файловых серверах и маршрутизаторах. Поддержка AppleTalk была прекращена в 2009 г. и заменена протоколами TCP / IP.
ARPANET
ARPANET была сетью-прародительницей Интернета и одной из первых сетей, наряду с SATNET ARPA, в которой работал пакет TCP / IP с использованием технологий коммутации пакетов.
BNRNET
BNRNET — это сеть, разработанная Bell-Northern Research для внутреннего использования. Первоначально у него был только один хост, но он был разработан для поддержки многих хостов. Позже BNR внесла большой вклад в проект CCITT X.25.
CYCLADES
Сеть с коммутацией пакетов CYCLADES была французской исследовательской сетью, разработанной и управляемой Луи Пузеном. Впервые продемонстрированный в 1973 году, он был разработан для изучения альтернатив раннему дизайну ARPANET и для поддержки сетевых исследований в целом. Это была первая сеть, которая использовала принцип сквозного соединения и возлагала ответственность за надежную доставку данных на хосты, а не на саму сеть. Концепции этой сети повлияли на более позднюю архитектуру ARPANET.
DECnet
DECnet — это набор сетевых протоколов, созданный Digital Equipment Corporation, первоначально выпущенный в 1975 году для соединения двух мини-компьютеров PDP-11. Она превратилась в одну из первых архитектур одноранговой сети, превратив таким образом DEC в мощный сетевой центр в 1980-х годах. Первоначально построенный с тремя уровнями, он позже (1982 г.) превратился в семиуровневый сетевой протокол, совместимый с OSI. Протоколы DECnet были полностью разработаны Digital Equipment Corporation. Однако DECnet Phase II (и более поздние версии) были открытыми стандартами с опубликованными спецификациями, и несколько реализаций были разработаны вне DEC, в том числе для Linux.
DDX-1
DDX-1 была экспериментальной сетью от Nippon PTT. Это смешанная коммутация и коммутация пакетов. На смену ему пришел DDX-2.
EIN
Европейская сеть информатики (EIN), первоначально называвшаяся COST 11, была проектом, начавшимся в 1971 году для соединения сетей в Великобритании, Франции, Италии, Швейцарии и Евратоме. Шесть других европейских стран также участвовали в исследовании сетевых протоколов. Дерек Барбер руководил проектом, а Роджер Скантлбери возглавил технический вклад Великобритании; оба были из НПЛ. Работа началась в 1973 году, и он начал работать в 1976 году, включая узлы, соединяющие сеть NPL и CYCLADES. Транспортный протокол EIN был основой протокола, принятого Международной сетевой рабочей группой. EIN был заменен Euronet в 1979 году.
EPSS
Экспериментальная служба с коммутацией пакетов (EPSS) была экспериментом почтового отделения Великобритании, основанным на протоколах цветной книги, определённых академическим сообществом Великобритании в 1975 году. Это была первая общедоступная сеть передачи данных в Великобритании, когда она начала функционировать в 1977 году. Ferranti поставил оборудование и программное обеспечение. Обработка сообщений управления каналом (подтверждения и управление потоком) отличалась от таковой в большинстве других сетей.
GEIS
General Electric Information Services (GEIS), General Electric была крупным международным поставщиком информационных услуг. Первоначально компания проектировала телефонную сеть в качестве внутренней (хотя и общеконтинентальной) телефонной сети для голосовой связи.
В 1965 году по инициативе Warner Sinback сеть передачи данных, основанная на этой сети голосового телефона, была спроектирована для соединения четырёх компьютерных центров продаж и обслуживания GE (Скенектади, Нью-Йорк, Чикаго и Феникс), чтобы облегчить компьютерную службу разделения времени.
После выхода на международный уровень несколько лет спустя GEIS создала сетевой центр обработки данных около Кливленда, штат Огайо. О внутренних деталях их сети опубликовано очень мало. Дизайн был иерархическим с резервными линиями связи.
IPSANET
IPSANET была получастной сетью, построенной I. P. Sharp Associates для обслуживания клиентов с разделением времени. Он вступил в строй в мае 1976 г.
IPX / SPX
Межсетевой обмен пакетами (IPX) и последовательный обмен пакетами (SPX) — это сетевые протоколы Novell, основанные на протоколах IDP и SPP Xerox Network Systems соответственно. Они использовались в основном в сетях с использованием операционных систем Novell NetWare.
NPL
В 1965 году Дональд Дэвис из Национальной физической лаборатории (Великобритания) разработал и предложил национальную сеть передачи данных, основанную на коммутации пакетов. Предложение не было принято на национальном уровне, но к 1967 году экспериментальный эксперимент продемонстрировал возможность создания сетей с коммутацией пакетов.
К 1969 году Дэвис начал строить сеть с коммутацией пакетов Mark I, чтобы удовлетворить потребности многопрофильной лаборатории и испытать технологию в рабочих условиях. В 1976 году были подключены 12 компьютеров и 75 оконечных устройств, и ещё больше было добавлено, пока сеть не была заменена в 1986 году. NPL, за которой последовала ARPANET, были первыми двумя сетями, в которых использовалась коммутация пакетов, и были соединены между собой в начале 1970-х.
OCTOPUS
Octopus был локальной сетью Ливерморской национальной лаборатории Лоуренса. Он подключал различные хосты в лаборатории к интерактивным терминалам и различным компьютерным периферийным устройствам, включая систему массового хранения.
Philips Research
Исследовательские лаборатории Philips в Редхилле, графство Суррей, разработали сеть с коммутацией пакетов для внутреннего использования. Это была сеть дейтаграмм с одним узлом коммутации.
PUP
Универсальный пакет PARC (PUP или Pup) был одним из двух первых наборов межсетевых протоколов; он был создан исследователями Xerox PARC в середине 1970-х годов. Весь набор обеспечивает маршрутизацию и доставку пакетов, а также функции более высокого уровня, такие как надежный поток байтов, а также многочисленные приложения. Дальнейшие разработки привели к появлению Xerox Network Systems (XNS).
RCP
RCP была экспериментальной сетью, созданной французской PTT. Он использовался для получения опыта работы с технологией коммутации пакетов до того, как спецификация TRANSPAC была заморожена. RCP был сетью виртуальных каналов в отличие от CYCLADES, основанной на дейтаграммах. RCP делает упор на соединение терминал-хост и терминал-терминал; CYCLADES заботился о связи между хостами. TRANSPAC был представлен как сеть X.25. RCP повлиял на спецификацию X.25.
RETD
Red Especial de Transmisión de Datos — это сеть, разработанная Compañía Telefónica Nacional de España. Она заработала в 1972 году и стала первой сетью общего пользования.
SCANNET
«Экспериментальная скандинавская телекоммуникационная сеть SCANNET с коммутацией пакетов была реализована в скандинавских технических библиотеках в 1970-х годах и включала в себя первый скандинавский электронный журнал Extemplo. Библиотеки также были одними из первых в университетах, в которых в начале 1980-х годов были установлены микрокомпьютеры для общественного использования».
SITA HLN
SITA — это консорциум авиакомпаний. Его сеть высокого уровня начала функционировать в 1969 году примерно в то же время, что и ARPANET. Он передавал интерактивный трафик и трафик коммутации сообщений. Как и во многих неакадемических сетях, об этом было опубликовано очень мало.
Системная сетевая архитектура
Системная сетевая архитектура (SNA) — это проприетарная сетевая архитектура IBM, созданная в 1974 году. Заказчик IBM мог приобрести оборудование и программное обеспечение у IBM и арендовать частные линии у общего оператора для построения частной сети.
Wikiwand in your browser!
Seamless Wikipedia browsing. On steroids.
Every time you click a link to Wikipedia, Wiktionary or Wikiquote in your browser's search results, it will show the modern Wikiwand interface.
Wikiwand extension is a five stars, simple, with minimum permission required to keep your browsing private, safe and transparent.
