Коммутация — технология соединения узлов сети¶

Коммутация — это технология и процесс установления временных или постоянных соединений между узлами сети передачи данных, при которой данные пересылаются от источника к получателю через промежуточные коммутационные узлы. Коммутация лежит в основе работы телефонных сетей, компьютерных сетей и является ключевым понятием теории телекоммуникаций.

¶Основные понятия

В сетях передачи данных выделяют три главных элемента: абонентские устройства (терминалы), коммутационные узлы (коммутаторы, маршрутизаторы, телефонные станции) и каналы связи между ними. Коммутация обеспечивает соединение абонентов через коммутационные узлы, которые принимают решение о маршруте прохождения данных.

Основные характеристики коммутации:

• Адресация — механизм идентификации источника и получателя данных.
• Маршрутизация — выбор пути прохождения данных через сеть.
• Установление соединения — процедура создания канала между абонентами.
• Коммутационная матрица — внутренняя структура коммутатора, определяющая, какой входной порт соединяется с каким выходным.

¶Виды коммутации

¶Коммутация каналов

Коммутация каналов (circuit switching) — старейший вид коммутации, возникший в телефонной связи. При этом виде коммутации перед началом передачи данных между абонентами устанавливается физическое или логическое соединение (канал), которое на всё время разговора остаётся выделенным. Пример — классическая телефонная сеть общего пользования, где при вызове абонента на телефонной станции физически замыкается цепь между вызывающим и вызываемым номером.

Преимущества коммутации каналов: гарантированная пропускная способность, постоянная задержка, отсутствие потерь пакетов. Недостатки: низкая эффективность использования канала (в паузах разговора канал простаивает), длительное время установления соединения.

¶Коммутация пакетов

Коммутация пакетов (packet switching) — технология, при которой данные разбиваются на небольшие блоки (пакеты), каждый из которых передаётся независимо и может маршрутизироваться по разным путям. Пакеты содержат заголовок с адресом получателя и порядковым номером, а на принимающей стороне собираются обратно в исходное сообщение.

Коммутация пакетов была предложена в 1960-х годах в рамках исследований ARPANET и стала основой современного Интернета. В отличие от коммутации каналов, здесь не требуется предварительное установление соединения — данные передаются «по требованию».

Подвиды коммутации пакетов:

• Датаграммная — каждый пакет маршрутизируется независимо, пакеты могут прийти в разном порядке или потеряться (пример — IP).
• Виртуальная сеансная (虚 circuit) — перед началом передачи устанавливается логический маршрут, все пакеты следуют по нему (пример — ATM, X.25).

¶Коммутация сообщений

Коммутация сообщений (message switching) — промежуточный вид, при котором сообщение целиком передаётся на коммутационный узел, хранится там до появления свободного канала и пересылается дальше. Использовалась в телеграфных сетях (сеть Телекс). Требует больших буферов для хранения сообщений и создаёт значительные задержки, поэтому в современных сетях практически не применяется.

¶Коммутационное оборудование

Для реализации коммутации используются различные устройства:

Коммутаторы Ethernet работают на канальном уровне модели OSI и пересылают кадры, определяя нужный порт по MAC-адресу. Маршрутизаторы работают на сетевом уровне и принимают решения о пересылке на основе IP-адресов и таблиц маршрутизации.

¶Коммутация в телефонии

В телефонной связи под коммутацией традиционно понимается соединение абонентов через телефонную станцию. Первые автоматические телефонные станции с коммутацией каналов были созданы в конце XIX века. В XX веке произошла эволюция от электромеханических систем (шаговая коммутация) к электронным и цифровым станциям.

Современная телефония переходит на коммутацию пакетов через технологии VoIP (Voice over IP), где голос передаётся в виде IP-пакетов. Это позволяет объединять голосовые и данные в одной сети и снижать стоимость услуг.

¶Коммутация в компьютерных сетях

В компьютерных сетях коммутация реализуется на нескольких уровнях модели OSI. На физическом уровне — это простое соединение каналов. На канальном уровне работает коммутация кадров (Ethernet-коммутаторы). На сетевом уровне — коммутация пакетов (маршрутизаторы). Технология MPLS объединяет преимущества коммутации каналов и пакетов, создавая виртуальные каналы поверх IP-сетей.

¶Сравнительная характеристика видов коммутации

¶Историческая справка

Термин «коммутация» пришёл из телефонной связи: коммутатор (switch) — устройство, замыкающее цепь между абонентами. Первые ручные телефонные станции появились в 1870-х годах, автоматические — в 1890-х (изобретение Альмоном Строуджером). Коммутация пакетов была теоретически обоснована Полем Бараном (RAND Corporation) и Дональдом Дэвисом (Национальная физическая лаборатория, Великобритания) в начале 1960-х годов независимо друг от друга.

¶Применение

Коммутация используется во всех областях телекоммуникаций: телефонная связь, мобильные сети (от 2G до 5G), компьютерные сети, телевещание, промышленные сети. В России развитие коммутационных технологий связано с работами ВНИИС, ЦНИИ «Комета» и других научных организаций, а также с деятельностью отраслевых вузов в области теории передачи сообщений.

Источники:

• Телекоммуникационные сети: учебник для вузов
• Задорожный Н. Г. Телекоммуникационные сети
• ГОСТ Р 52650-2006 «Информационные технологии. Сети передачи данных»
• Кузнецов А. П. Основы телекоммуникаций