Analiza kašnjenja prijenosa govora i podataka preko IP i Frame Relay mreža. Paketna telefonija

U osnovi, u modernim korporativnim mrežama mogu se razlikovati sljedeće vrste kašnjenja:

Kašnjenje obrade: Ovo je vrijeme koje je usmjerivaču potrebno da primi paket na ulaznom sučelju i pošalje ga u izlazni red čekanja na izlaznom sučelju. Kašnjenje obrade ovisi o sljedećim čimbenicima:

1. Ubrzati središnji procesor;
2. Korištenje CPU-a;
3. Arhitektura usmjerivača;
4. Konfigurirane opcije za dolazna i odlazna sučelja.

• Odgoda čekanja: Ovo je vrijeme u kojem je paket u redu za slanje. Ovaj tip kašnjenje ovisi o faktorima kao što su broj i veličina paketa koji su već u redu čekanja, propusnost sučelja i mehanizam čekanja;
• Kašnjenje serijalizacije: Vrijeme potrebno za premještanje okvira na fizički prijenosni medij;
• Kašnjenje širenja: Vrijeme potrebno da paket putuje od izvora do odredišta preko komunikacijskog kanala. Ovo kašnjenje uvelike ovisi o prijenosnom mediju.

Metode ograničenja latencije

• Usmjerivač ima dovoljno snage za brzo i učinkovito donošenje odluka o daljnjem preusmjeravanju paketa. Latencija obrade, čekanja i serijalizacije ovisi o sljedećim čimbenicima:
• Prosječna duljina čekanja;
• Prosječna duljina paketa u redu čekanja;
• Kapacitet komunikacijskog kanala.

Sljedeće metode zadovoljavaju zahtjeve prometa osjetljivog na kašnjenje

• Povećati propusnost: S dovoljnom propusnošću, vrijeme čekanja u odlaznom redu je smanjeno, čime se smanjuje kašnjenje serijalizacije;
• Davanje prioriteta prometu osjetljivom na kašnjenje: Ova metoda je fleksibilniji. PG, CQ, MDRR i LLQ algoritmi imaju značajan utjecaj na kašnjenje koje uvodi red;
• Kompresija polja korisnog opterećenja: Sažimanje polja korisnih podataka smanjuje ukupnu veličinu paketa, čime se bitno povećava kapacitet prijenosnog kanala. Budući da su komprimirani paketi manji od običnih paketa, potrebno im je manje vremena za prijenos. Važno je zapamtiti da su algoritmi kompresije prilično složeni, a kompresija zajedno s dekompresijom može dodati dodatna kašnjenja;
• Kompresija zaglavlja paketa: Kompresija zaglavlja nije tako intenzivna za CPU kao kompresija polja korisnih podataka, stoga ovaj mehanizamčesto se koristi zajedno s drugim algoritmima za smanjenje latencije. Kompresija zaglavlja posebno je važna za govorni promet.

Izgubljen paket

Obično do gubitka paketa dolazi kada se međuspremnik usmjerivača prelije. Na primjer, paketi su u odlaznom redu na sučelju. U nekom trenutku veličina reda dosegne svoj maksimum, a novi dolazni paketi jednostavno se odbacuju. Općenito, do gubitka paketa dolazi zbog sljedećih razloga:

• Gubitak na dolaznom redu: ako nema dovoljno CPU snage (centralne procesorske jedinice) usmjerivača, paketi se mogu izgubiti na dolaznom sučelju;
• Ignoriranje paketa: Međuspremnik usmjerivača je pun, stoga se dolazni paketi jednostavno ignoriraju;
• Greška u okvirima: Otkrivanje pogreške hardverskog okvira, kao što je ciklička provjera redundantnosti (CRC).

Obično je gubitak paketa rezultat prekomjernog opterećenja sučelja.

Su korišteni sljedeće metode i algoritmi za sprječavanje gubitka paketa:

1. Povećana propusnost kako bi se spriječilo preopterećenje sučelja;
2. Osiguravanje dovoljne propusnosti i povećanje međuspremnika kako bi se osiguralo da se promet osjetljiv na kašnjenje pomakne na početak reda čekanja;
3. Ograničite zagušenje ispuštanjem paketa s niskim prioritetom prije prelijevanja sučelja. Kako bi postigao ovaj cilj, inženjer može koristiti algoritam Weighted Random Early Detection (WRED), koji će nasumično odbaciti promet koji nije osjetljiv na gubitak i pakete s unaprijed konfiguriranim niskim prioritetima.

Frame Relay(FR) je protokol za prebacivanje paketa koji se koristi u globalne mreže Za prijenos velike brzine okvira ili paketa s minimalnim kašnjenjem u komutacijskom čvoru i za učinkovitu upotrebu propusnost mreže. Vrijedi na razina veze OSI modeli. Može se koristiti u LAN-ovima, u vremenski multipleksiranim kanalima, kao iu mrežama s paketnom i sklopnom komutacijom. Prilikom relejiranja, mreža prosljeđuje okvir na odredište prema odredišnoj adresi koju sadrži. Umjesto kontrola protoka, uključuje funkcije za obavještavanje o zagušenju mreže i koristi dulje okvire. Glavni čimbenik povećanja brzine prijenosa je analiza pogrešaka u ovom slučaju se ne provodi i relejni čvorovi ne šalju obavijesti ili zahtjeve za ponavljanje pogrešno primljenih okvira.

Pri organiziranju komunikacija temeljenih na Frame Relay (FR) mreži, glavna smjernica je standard FRF.11. Jasno navodi funkcije VFRAD-a, kao i kako se na njega može spojiti telefonska oprema te mjesto VFRAD-a u strukturi mreže. Za kodiranje govora u FR, preporučljivo je koristiti ACELP vokoder opisan u ITU-T preporuci G.723.1. Izbor ovog vokodera određen je najpovoljnijim omjerom “kvaliteta govora / brzina protoka”. Parametri kašnjenja nekih vokodera prikazani su u tablici 1.1.

Tablica 1.1 - Kašnjenje nekih vokodera

Ukupna mrežna latencija je vrijednost koja se sastoji od sljedećih komponenti:

a) odgođena akumulacija. Ovo kašnjenje je uzrokovano potrebom da se pripremi okvir iz niza govornih uzoraka koje će obraditi vokoder. Količina ove odgode bit će jednaka veličini (trajanju) okvira odabranog tipa vocodera. Vrijeme pripreme za jedan uzorak govora je 125 μs.

b) Kašnjenje kodiranja. Kako ne bi došlo do dodatnog kašnjenja kao rezultat samog procesa kodiranja, potrebno je odabrati digitalni procesor signala takve izvedbe da je kašnjenje kodiranja manje ili, barem, jednako je kašnjenju akumulacije.

Slika 1.6 prikazuje dijagram povezivanja telefonske opreme na Frame Relay mrežu.

Slika 1.6 - Organizacijski dijagram telefonska komunikacija preko Frame Relay mreže

Definicije radi, pretpostavljamo da telefonske usluge koriste pretplatnici dvaju čvorova. U tu svrhu dodijeljen je stalni virtualni kanal unutar kojeg se može organizirati do 255 govornih staza (podkanala). Teoretski, maksimalna zajamčena brzina prijenosa preko virtualnog kanala (CIR) ne može premašiti kapacitet fizičkog komunikacijskog kanala koji povezuje mrežne čvorove.

Pretpostavimo da tri vokalna trakta rade u jednom virtualnom kanalu. To znači da će FR okvir, prema standardu FRF.11, imati oblik prikazan na slici 1.7.

Slika 1.7 - Frame Relay format okvira za jedan glasovni podkanal.

Slika pokazuje da je ukupna veličina FR okvira 28 bajtova. Od toga je 20 bajtova korisni teret. Na temelju uvjeta da se svaki govorni okvir mora prenositi brzinom od 5,3 kbit/s, Frame Relay brzina prijenosa okvira preko komunikacijskog kanala mora biti 7,4 kbit/s (20 bajtova koji čine govorni okvir mora se prenositi na brzina 7,4 kbit/s za pravovremenu isporuku govornog okvira). Ovaj izlaz pokazuje da bi za organiziranje tri govorne staze bilo potrebno 22,2 kbit/s kapaciteta kanala (7,4 kbit/s 3 = 22,2 kbit/s), a to znači da je nemoguće organizirati tri govorne staze u kanalu od 19,2 kbps. Moguća je organizacija samo dva vokalna trakta. U slučaju organiziranja dvije govorne staze potrebna je propusnost komunikacijskog kanala od 14,8 kbit/s.

Stoga, radi lakšeg razmatranja, uvodimo uvjet da je jedan virtualni kanal koji sadrži jedan vokalni trakt organiziran u mreži. U ovom slučaju, veličina okvira bit će 28 bajtova i stoga se mora prenositi brzinom od 7,4 kbit/s.

Slika 1.8 prikazuje dijagram distribucije kašnjenja koja se javljaju tijekom prijenosa govora preko Frame Relay mreže korporativne podatkovne mreže.

Pretpostavimo da nema dodatnog opterećenja mreže. Dakle, na temelju gornje sheme distribucije kašnjenja, a također uzimajući u obzir broj tranzitnih čvorova tijekom prijenosa govorni signal od pretplatnika do pretplatnika moguće je s dovoljnom točnošću odrediti ukupno kašnjenje prijenosa glasovnog signala preko Frame Relay podatkovne mreže u skladu sa sljedećim odnosom:

T=(t akumulirano + t obrađeno + t zadnje) +…+ (t distribuirano + t posljednje) +…+ (t distribuirano + t zadnje + t obrađeno), (1.1)

Sekvencijalno kašnjenje izračunava se iz minimalnog prihvatljivog uvjeta da će se okviri Frame Relaya od čvora do čvora prenositi s stalna brzina 7,4 kbps. Kašnjenje širenja signala izračunato je na temelju uvjeta da se prijenos vrši putem koaksijalni kabel, a u skladu s ITU preporukom G.I 14 izračunava se iz omjera:

kašnjenje širenja (ms) = 0,004 duljina komunikacijskog kanala (km).

Kao što je gore opisano, organizacija govorne komunikacije putem IP mreže temelji se na korištenju H.323 protokola. Glavni uređaji koji omogućuju prijenos glasa su H.323 gateway, na koji se može spojiti PABX ili pojedinačni telefonski aparati, te govorni terminal. Konkretno, može djelovati kao govorni terminal Osobno računalo udaljeni pretplatnik korporativne mreže, opremljen odgovarajućim hardverom i softverom.

Kašnjenje propagacije signala u IP mreži izračunava se iz uvjeta da se prijenos odvija putem koaksijalnog kabela, au skladu s preporukom ITU-T G. 114 izračunava se iz omjera:

kašnjenje širenja (ms) = 0,004 duljina komunikacijskog kanala (km)

Slika 1.8 - Dijagram distribucije kašnjenja u Frame Relay mreži za prijenos podataka

Slika 1.9 prikazuje dijagram širenja kašnjenja tijekom prijenosa govora preko IP mreže.

Na temelju gornjeg dijagrama distribucije kašnjenja, a također uzimajući u obzir broj tranzitnih čvorova pri prijenosu govornog signala od pretplatnika do pretplatnika, moguće je s dovoljnom točnošću odrediti vrijednost ukupnog kašnjenja u prijenosu govornog signala preko IP-a. podatkovnu mrežu, u skladu sa sljedećim odnosom:

T=(t akumulirati + t proces + t LAN + t zadnja komunikacija) +…+ (t distribucija + t zadnja komunikacija + t zadnja ruta) +…+

+..+ (t dist + t last comm + t last route + t LAN + t process), (1.2)

gdje je t akumulirano kašnjenje akumulacije (t akumulirano = 30 ms);

tprocess - kašnjenje obrade (tprocess =30 ms);

t last - sekvencijalno kašnjenje (t last = 30 ms);

t propagation - kašnjenje propagacije (t propagation =30 ms).

Slika 1.9 - Dijagram distribucije kašnjenja u IP mreži

Jedan od najvažnijih zahtjeva za dizajn mreže je osiguranje kompatibilnosti telefonske signalizacije. PBX-ovi korporativnih mreža opremljeni su najviše razna sučelja. Kako bi svaka poslovnica imala pouzdanu telefonsku komunikaciju potrebno je sve održavati standardne vrste alarmi. Bilo koja grana može se povezati preko različitog signalizacijskog sučelja, ovisno o tome na koju je rutu poziv promijenjen (ili preusmjeren). Kompatibilnost vrsta signalizacije i njihova pretvorba nužni su za organiziranje pouzdane i stabilne telefonske komunikacije u mreži koja se temelji na komutaciji paketa.

Usklađenost sa standardima osigurava nesmetan rad opreme na mreži različitih proizvođača. Ne zaboravite da je ključ izgradnje učinkovite i pouzdane mreže testiranje i testiranje.

Upamtite da paketno telefoniranje ne samo da omogućuje značajne uštede na telefonski računi, ali i uvodi masovnost dodatne funkcije. To uključuje:

digitalna interpolacija govora. Motorola koristi ovaj izraz za označavanje mehanizma koji podržava prijenos podataka tijekom pauza u telefonskom razgovoru;
potiskivanje jeke na bližem i daljem kraju veze. Odjeci ometaju telefonske razgovore i uzrokovani su neusklađenim ulaznim i izlaznim impedancijama diferencijalni sustavi, osiguravajući prijelaz s dvije žice na četverožičnu liniju na lokalnim telefonskim centralama;
faks preko IP-a ili FR-a. Omogućuje slanje faksova preko paketne mreže;
audio emitiranje- prijenos oglasa u više poslovnica istovremeno;
korištenje centralizirani prekidački stol. Zbog ove tablice, proširenje mreže je znatno pojednostavljeno, budući da je potrebno konfigurirati samo jedan telefonski komutacijski centar;
podrška za tonsko i pulsno biranje. Osigurava kompatibilnost telefonski aparati različiti tipovi;
primjena serijski broj . Omogućuje vam povezivanje s organizacijom putem bilo koje od slobodnih linija, ujedinjenih u grupu pod jednim brojem. Pristupni uređaj s glasovnom integracijom djeluje kao PBX koji dinamički distribuira pozive preko besplatnih linija;
prijenos glasa i podataka preko jednog DLCI-ja. Pomaže u značajnoj uštedi novca: korisnik plaća samo jedan DLCI, koristeći ga i za prijenos podataka i za sve odlazne pozive;
alternativno usmjeravanje poziva. Ako je glavni kanal zauzet ili nije u funkciji, možete nazvati rezervnom rutom;
grupiranje telefonskih kanala. Kombiniranjem višestrukih glasovnih paketa u jedan IP paket ili FR okvir, smanjuje se količina nadzemnog prometa i zahtjevi za propusnost mreže;
potiskivanje pauze. Kanal je oslobođen odašiljanja "praznih" paketa tijekom pauza u telefonskom razgovoru, te je kao rezultat toga osigurana dodatna propusnost za ostali promet.

Tijekom faze planiranja važno je razumjeti i trenutne i potencijalne potrebe organizacije. Razlog je jednostavan: trebate dobiti stabilno, pouzdano i funkcionalno rješenje. Jamstva proizvođača vezana uz nadogradnju programskih modula i hardver podrška budućim standardima iznimno je važna za pouzdana zaštita kapitalna ulaganja.

Klase, vrste i kvaliteta

Kada utvrđujete prednosti Klase usluge (CoS) i Kvalitete usluge (QoS), morate razumjeti kako se međusobno razlikuju u odnosu na paketnu telefoniju.

CoS- ovo je način poboljšanja uvjeta za prijenos podataka, postavlja shemu postavljanja prioriteta različite vrste mrežni promet. Izvorni FR standard nema mehanizam koji bi osigurao da jedan paket ima prednost nad drugim. Iz tog razloga, CoS bi trebao biti implementiran na svakom pristupnom čvoru tako da će podaci imati prioritet prije nego što uđu u mrežu. Upravo tako se gradi moderna mreža VoFR. U ovom scenariju, govor i bilo koji drugi promet u stvarnom vremenu, kao što je video, imaju veći prioritet od ostalih podataka prije ulaska u mrežu. Čim je informacija unesena mrežni oblak, svi se okviri smatraju jednakima.

IP v.4 također nema CoS mehanizam. IP v.6 (također nazvan IPng, gdje "ng" označava "sljedeću generaciju") dopušta određivanje prioriteta, ali ova verzija vjerojatno neće postati raširena čak ni početkom sljedećeg stoljeća. IP v.6 uvodi dodatna kašnjenja zbog povećanja na 40 bajtova (in osnovna konfiguracija) veličina zaglavlja. U međuvremenu, protokoli RTP, RSVP i ToS (vrsta usluge) mogu pružiti rješenje za CoS probleme u današnjim poslovnim i institucionalnim IP mrežama.

ToS- jedan od naj jednostavnih načina uspostavljanje prioriteta u postojećim IP mrežama, iako polje ToS nije bilo uključeno u originalnu IP v.4 specifikaciju. Polje ToS sastoji se od samo jednog bajta, ali se njegova implementacija smatrala presloženom, zbog čega je dugi niz godina ostalo u zaboravu. Ali s multimedijskim procvatom, prednosti nadmašuju nedostatke. Polje ToS navodi parametre latencije i propusnosti, kompatibilno je s protokolima za usmjeravanje kao što je OSPF i osigurava poštivanje prioriteta paketa tijekom njegovog puta kroz mrežu. Mnogi su proizvođači počeli implementirati ToS u svoje uređaje, čineći prvi korak prema klasificiranju usluga u IP mrežama.

QoS poboljšava komunikaciju između dvije krajnje točke uz zajamčenu propusnost. PSTN, temeljen na komutaciji krugova, pruža vrlo visoku kvalitetu usluge iz jednostavnog razloga što nakon uspostave veze, njegovi pretplatnici imaju namjenski komunikacijski kanal na potpunom raspolaganju. S druge strane, nije moguće implementirati CoS u PSTN jer postoje namjenski, a ne zajednički krugovi.

Paketna telefonija zahtijeva bitno drugačiji pristup QoS-u, budući da su podatkovne mreže okruženje resursa dijeljenje. CIR i stalni ugovori virtualni kanali(PVC) FR mreže jamče dodjelu propusnosti potrebne za telefonske komunikacije. Fleksibilni protokoli u stvarnom vremenu idu dalje jednostavna definicija CIR parametar. Omogućuju vam multipleksiranje glasa i podataka u zajedničkom PVC-u ili njihovo razdvajanje u zasebne PVC-ove, ovisno o zadacima koji se obavljaju, konfiguraciji mreže i potrebnim troškovima. Osim toga, zbog namjene Bc FR, daje fleksibilnost u prijenosu "rafala" prometa tijekom sati najveći teret. Pretplatnik se može pretplatiti na pristup FR mreži i platiti kanal na temelju prosječnih potreba svoje mreže, stječući pravo, ako je potrebno, prenositi promet veći od utvrđene norme.

FR ili IP

PSTN infrastruktura temelji se na vremenski testiranoj telefonski kablovi. Bakrene parice temelj su pretplatničkih mreža diljem svijeta, čija se ukupna duljina mjeri u milijunima kilometara.

Paketna telefonija prekida ovu ovisnost o određena vrsta medija i pruža fleksibilnost u korištenju širok rasponžičane i radio uređaje. Komutacija paketa omogućuje prijenos putem bakra, optičkih vlakana, koaksijalnog kabela, radija ili bilo kojeg drugog medija koji se pojavi u budućnosti. Ova prednost omogućuje organizacijama isplativu instalaciju kabelski sustav, lako proširiv kako bi zadovoljio buduće zahtjeve, i alternativni operateri- izbjeći troškove najma pretplatničke linije od regionalnih telefonskih kompanija.

Tehnologija paketne telefonije uklanja ograničenja na medij prijenosa. Istaknuti protokoli za prijenos podataka fizički sloj kao samostalan, omogućujući end-to-end veze preko heterogenih fizičkih infrastruktura.

Ima ih nekoliko temeljne razlike u principima servisiranja FR i IP mreža različite vrste promet. Stoga se FR standardi temelje na EMVOS-u od sedam razina. Iz ovoga možemo zaključiti da svaka komunikacijska razina ima svoje protokole, neovisne o ostalim razinama. Prednost ovog pristupa je fleksibilnost integracije novih protokola u ovaj model. Iako se IP često povezuje s EMVOS-om, definicije ovog protokola manje strogi. To se objašnjava činjenicom da je IP razvijen prije stvaranja EMVOS-a. Bilo kako bilo, EMVOS se sada koristi kao teorijski model za opisivanje svih protokola, što olakšava razumijevanje njihove osnovne strukture.

FR radi neovisno o EMVOS razinama od treće (mreža) do sedme (aplikacija). Podrška za standarde kao što je RFC 1490 danas je posebno važna jer omogućuje povezivanje FR-a s važnim protokolima kao što su IP, IPX i SNA.

Implementacija paketne telefonije zahtijeva stvaranje nova osnova, što će ga još tješnje povezati s FR. Takvu specifikaciju već je pripremio konzorcij Frame Relay Foruma u dokumentu FRF.11.

Nedavni multimedijski standard Međunarodne telekomunikacijske unije (ITU) H.233 namijenjen je mrežama koje ne jamče isporuku informacija. H.323 je zapisan na razini stolnih računala i definira osnove audio, video i računalne komunikacije u paketnim mrežama, uključujući one koje rade preko IP i FR protokola. Ovaj standard pruža način na koji uređaji različitih proizvođača mogu "pregovarati" o svojim mogućnostima tijekom komunikacije (na primjer, slanjem zahtjeva poput "Podržavate li video?"), a zatim aktivirati dostupne funkcije. Podskup standarda H.323 usko je povezan s IP-om, što omogućuje korištenje svih vrsta komunikacija, uključujući video i audio konferencije (VoIP), kao i chat na ploči.

Sa stajališta provedbe uobičajenog telefonski razgovor, razlika između VoIP-a i VoFR-a možda se ne čini tako značajnom. Kontrast između ovih transportnih protokola postaje posebno uočljiv kada se analiziraju mogućnosti prijenosa podatkovnog prometa koji nije povezan s protokolima IP obitelji (to jest, promet iz SNA, IPX i cijele skupine naslijeđenih protokola). Ovdje je najviše snage FR.

* * *

Promjena paradigme paketne telefonije imat će pozitivan i dugotrajan utjecaj na razvoj telekomunikacijske industrije. Paketna telefonija već je značajno promijenila odnose u ovoj industriji. Ali još značajnije će biti promjene koje će se dogoditi pojavom na tržištu uređaja i tehnologija s novim korisnim i učinkovitim funkcijama. Primjerice, u prvoj polovici sljedećeg desetljeća očekuje se pojava kompresijskih algoritama koji će omogućiti prijenos govora u propusnosti od samo 2,4 kbit/s.

Kao telefon i računalne mreže Treba očekivati ​​smanjenje cijena usluga i veći izbor za pretplatnike. Telefonske veze u sljedećem desetljeću vjerojatno će se znatno razlikovati od današnjih. Možete zvati putem PSTN-a, ISDN-a, bankomata, FR ili IP-a ili bilo koje njihove kombinacije.

Ali ne zaboravite na prednosti koje danas pruža paketna telefonija. Ne odgađajte implementaciju VoIP-a ili VoFR-a na mrežama koje vaša tvrtka najviše koristi, gdje će ove tehnologije omogućiti brze ekonomske povrate i konkurentsku prednost. Zatim prijeđite na sljedeću fazu.

Zaključno, želio bih reći da ne možete implementirati multimedijske komunikacije u postojeće rutirane mreže bez razumijevanja suštine IP-a i FR-a. Ekonomski učinkovito rješenje, čime se omogućuje pružanje usluga paketne telefonije Visoka kvaliteta, može se stvoriti samo nakon pažljivog projektiranja mreže. Postoji pogrešno mišljenje da je za integraciju paketne telefonije u postojeće mreže iste potrebno radikalno promijeniti. Ovo gledište je daleko od istine.

Paketna telefonija postaje logičan nastavak funkcionalnosti bilo koje korporativne IP ili FR mreže. Njegova uspješna implementacija određena je kvalitetom mrežnog dizajna - posebice načinom na koji će se upravljati opterećenjem i koje će se metode rješavanja zagušenja koristiti (ovo je vrlo važno kod prijenosa izokronog prometa). Paketnu telefoniju moguće je integrirati u postojeće korporativne mreže, a troškovi potrebni za to nisu usporedivi s potencijalnim koristima.

O AUTORU

Jedna od razlika između metode komutacije paketa i metode komutacije kruga je nesigurnost kapaciteta veze između dva pretplatnika. U metodi komutacije krugova, nakon formiranja kompozitnog kanala, poznat je mrežni kapacitet pri prijenosu podataka između krajnjih čvorova - to je kapacitet kanala. Nakon kašnjenja povezanog s uspostavljanjem kanala, podaci se počinju prenositi maksimalnom brzinom za kanal (Sl. 2.31, a). Vrijeme prijenosa poruke u mreži s komutacijom krugova Tk.k. jednak zbroju kašnjenja širenja signala duž komunikacijske linije 1z.r. i kašnjenje prijenosa signala 1z.p Elektromagnetski valovi u određenom fizičko okruženje, koja se kreće od 0,6 do 0,9 brzine svjetlosti u vakuumu. Vrijeme prijenosa poruke jednako je V/C, gdje je V volumen poruke u bitovima, a C kapacitet kanala u bitovima po sekundi.

U mreži s komutacijom paketa opaža se bitno drugačija slika.

Riža. 2.31. Kašnjenja prijenosa podataka u mrežama s komutacijom sklopova i paketa

Procedura uspostave veze u tim mrežama, ako se koriste, traje otprilike jednako kao iu mrežama s komutiranim krugom, pa ćemo uspoređivati ​​samo vrijeme prijenosa podataka.

Na sl. Slika 2.31 prikazuje primjer prijenosa preko paketno komutirane mreže. Pretpostavlja se da se poruka iste veličine prenosi u mrežu kao poruka prikazana na sl. 2.31, A, međutim, podijeljen je u pakete, svaki sa zaglavljem. Vrijeme prijenosa poruke u paketno komutiranoj mreži označeno je s

na slici. Kada se ova poruka, razbijena u pakete, prenosi preko paketno komutirane mreže, dolazi do dodatnih vremenskih kašnjenja. Prvo, to su kašnjenja u izvoru prijenosa, koji osim što sam prenosi poruku, troši Višak vremena za prijenos tn.s. zaglavlja, tome se dodaju kašnjenja tmrr, uzrokovana intervalima između prijenosa svakog sljedećeg paketa (ovo vrijeme se troši na formiranje sljedećeg paketa od strane stoga protokola).

Drugo, dodatno vrijeme se troši u svakom prekidaču. Ovdje su kašnjenja zbroj vremena međuspremnika paketa t6.n. (switch ne može početi slati paket bez da ga u potpunosti primi u svoj međuspremnik) i vrijeme prebacivanja je 1k. Vrijeme međuspremnika jednako je vremenu potrebnom za primanje paketa pri bitnoj brzini protokola. Vrijeme prebacivanja je zbroj vremena koje paket čeka u redu čekanja i vremena kada se paket kreće do izlaznog porta. Ako je vrijeme putovanja paketa fiksno i obično malo (od nekoliko mikrosekundi do nekoliko desetaka mikrosekundi), tada vrijeme čekanja paketa u redu čekanja varira u vrlo širokim granicama i nije unaprijed poznato, budući da ovisi o trenutnoj mreži učitati paketima.

Napravimo grubu procjenu kašnjenja u prijenosu podataka u mrežama s komutacijom paketa u usporedbi s mrežama s komutacijom krugova koristeći jednostavan primjer. Neka probna poruka koju je potrebno prenijeti u obje vrste mreža bude 200 KB. Pošiljatelj se nalazi 5000 km od primatelja. Kapacitet komunikacijskih linija je 2 Mbit/s.

Vrijeme za prijenos podataka preko mreže s komutacijom kruga je zbroj vremena

niti širenje signala, koje se za udaljenost od 5000 km može procijeniti na približno 25 ms, niti vrijeme prijenosa poruke, koje uz propusnost

2 Mbit/s i duljina poruke od 200 KB je cca 800 ms, odnosno ukupan prijenos podataka je trajao 825 ms.

Procijenimo dodatno vrijeme koje će biti potrebno za prijenos ove poruke preko paketno komutirane mreže. Pretpostavit ćemo da put od pošiljatelja do primatelja prolazi kroz 10 prekidača. Izvorna poruka je podijeljena u pakete od 1 KB, za ukupno 200 paketa. Prvo, procijenimo kašnjenje koje se događa na izvornom čvoru. Pretpostavimo da je udio objavljenih vlasničkih informacija;

zaglavlja paketa, u odnosu na ukupnu količinu poruke iznosi 10%. Stoga je dodatno kašnjenje povezano s prijenosom zaglavlja paketa 10% vremena prijenosa cijela poruka, odnosno 80 ms. Ako uzmemo da je interval između slanja paketa 1 ms, tada će dodatni gubitak zbog intervala biti 200 ms. Ukupno je u izvorišnom čvoru zbog paketiranja poruka tijekom prijenosa došlo do dodatnog kašnjenja od 280 ms.

Svaki od 10 prekidača uvodi kašnjenje prebacivanja, koje može jako varirati, od frakcija do tisuća milisekundi. U u ovom primjeru pretpostavimo da U prosjeku se na prebacivanje troši 20 ms. Osim toga, kada poruke prolaze kroz preklopnik, dolazi do kašnjenja međuspremnika paketa. Ovo kašnjenje za veličinu paketa od 1 KB i kapacitet linije od 2 Mbit/s jednako je 4. Ukupno kašnjenje koje uvodi 10 prekidača bit će približno 240 ms. Kao rezultat toga, dodatno kašnjenje koje je stvorila mreža s komutacijom paketa bilo je 520 ms. Uzimajući u obzir da je cijeli prijenos podataka na mreži s komutacijom kruga trajao 825 ms, ovo dodatno kašnjenje može se smatrati značajnim.

Iako je gornji izračun vrlo približan, jasniji su razlozi koji dovode do toga da se proces prijenosa

određenog para pretplatnika na mreži s komutacijom paketa je sporiji nego na mreži s komutacijom krugova.

Nesiguran kapacitet paketno komutirane mreže je cijena koju treba platiti za njenu ukupnu učinkovitost, uz određenu štetu interesima pojedinačnih pretplatnika. Slično tome, u multiprogramskom operacijskom sustavu, vrijeme izvršenja aplikacije ne može se unaprijed predvidjeti, budući da ovisi o broju drugih aplikacija s kojima aplikacija dijeli procesor.

Na učinkovitost mreže značajno utječe veličina paketa koje mreža odašilje. Previše velike veličine paketi približavaju mrežu s komutacijom paketa mreži s komutacijom krugova, pa se učinkovitost mreže smanjuje. Premali paketi značajno povećavaju udio nadzemnih informacija, budući da svaki paket nosi zaglavlje fiksne duljine, a broj paketa na koje se poruke dijele naglo će se povećati kako se smanjuje veličina paketa. Postoji sredina koja osigurava maksimalnu učinkovitost mreže, ali ju je teško točno odrediti jer ovisi o mnogim čimbenicima od kojih se neki stalno mijenjaju kako mreža radi. Stoga razvijači protokola za mreže s komutacijom paketa biraju granice unutar kojih može biti duljina paketa, točnije njegovog podatkovnog polja, budući da zaglavlje u pravilu ima fiksnu duljinu. Obično je odabrana donja granica podatkovnog polja jednaka nuli, koji omogućuje prijenos servisnih paketa bez korisničkih podataka, a gornja granica ne prelazi 4 kilobajta. Aplikacije pokušavaju preuzeti podatke prilikom prijenosa podataka. najveća veličina podatkovna polja za bržu razmjenu podataka, a mali paketi obično se koriste za potvrde o isporuci paketa.

Prilikom odabira veličine paketa morate također uzeti u obzir stopu pogreške u bitovima kanala. Na nepouzdanim kanalima potrebno je smanjiti veličinu paketa jer se time smanjuje količina ponovno odaslanih podataka kada su paketi oštećeni.

2.4.3. Prebacivanje poruka

Pod, ispod prebacivanje poruka odnosi se na prijenos jednog bloka podataka između tranzitnih računala na mreži s privremenim međuspremnikom ovog bloka na disku svakog računala (slika 2.32). Poruka, za razliku od paketa, ima proizvoljnu duljinu, koja nije određena tehnološkim razlozima, već sadržajem informacija koje čine poruku. Na primjer, poruka može biti Tekstualni dokument, datoteka s programskim kodom, e-mail.

Tranzitna računala mogu biti međusobno povezana ili mrežom s komutacijom paketa ili mrežom s komutacijom krugova. Poruka se pohranjuje na tranzitnom računalu na disku, a vrijeme pohrane može biti prilično dugo ako je računalo opterećeno drugim poslom ili je mreža privremeno preopterećena.

Ova se shema obično koristi za prijenos poruka koje ne zahtijevaju trenutni odgovor, najčešće poruke e-pošte. Način prijenosa s međupohranom na disku naziva se "skladištenje-i-prijenos (trgovina- i- naprijed).

Način rada za prebacivanje poruka rasterećuje mrežni promet za promet koji zahtijeva brzi odgovor, poput prometa WWW usluge ili usluge datoteka.

Riža. 2.32. Prebacivanje poruka

Pokušavaju smanjiti broj tranzitnih računala što je više moguće. Ako su računala spojena na paketno komutiranu mrežu, broj posrednih računala obično se smanjuje na dva. Na primjer, korisnik šalje poruku e-pošte svom poslužitelju odlazne pošte, koji odmah pokušava proslijediti poruku primateljevom poslužitelju dolazne pošte. Ali ako su računala međusobno povezana telefonskom mrežom, tada se često koristi nekoliko međuposlužitelja, jer izravan pristup konačnom poslužitelju možda neće biti moguć u ovaj trenutak zbog preopterećenosti telefonske mreže (pretplatnik je zauzet) ili ekonomski neisplativo zbog visokih tarifa za međugradske telefonske komunikacije,

Tehnika komutacije poruka pojavila se u računalnim mrežama ranije od tehnike komutacije paketa, ali ju je zatim istisnula potonja jer je bila učinkovitija u pogledu mrežne propusnosti. Zapisivanje poruke na disk oduzima puno vremena; osim toga, prisutnost diskova zahtijeva specijalizirana računala koja djeluju kao prekidači, što povećava cijenu mreže.

Danas prebacivanje poruka radi samo za neke neoperativne usluge, najčešće na vrhu paketno komutirane mreže kao usluge aplikacijskog sloja.

Mreže koriste tri komutacijske metode za povezivanje pretplatnika: komutaciju krugova, komutaciju paketa i komutaciju poruka.

I komutacija sklopova i komutacija paketa mogu biti dinamička ili trajna.

U mrežama s komutiranim krugovima pretplatnici spajaju kompozitni kanal s mrežnim sklopkama na zahtjev jednog od pretplatnika.

Za dijeljenje kanala između mrežnih preklopnika i višestrukih pretplatničkih kanala koriste se dvije tehnologije: frekvencijska podjela kanala (FDM) i vremenska podjela kanala (TDM). Frekvencijska podjela tipična je za analognu modulaciju signala, a vremenska za digitalno kodiranje.

Mreže s komutiranim krugovima dobre su u prebacivanju tokova podataka konstantnog intenziteta, na primjer, tokova podataka koje stvaraju sugovornici koji razgovaraju telefonom, ali ne mogu dinamički redistribuirati kapacitet glavnih kanala između tokova pretplatničkih kanala.

Paketno komutirane mreže posebno su dizajnirane za učinkovit prijenos brzog računalnog prometa. Spremanje paketa od različitih pretplatnika u preklopnicima omogućuje vam da izgladite neravnomjerni intenzitet prometa za svakog pretplatnika i ravnomjerno opterećujete komunikacijske kanale između preklopnika.

Paketno komutirane mreže rade učinkovito u smislu da je količina podataka prenesenih od svih mrežnih pretplatnika po jedinici vremena veća nego kada se koristi mreža s komutacijom krugova. Međutim, za svaki par pretplatnika mrežna propusnost može biti niža od mreže s komutiranim krugom zbog reda čekanja paketa u sklopkama.

Paketno komutirane mreže mogu raditi u jednom od dva načina: datagramski način ili način virtualnog kruga.

Veličina paketa ima značajan utjecaj na performanse mreže. Tipično, paketi na mrežama imaju maksimalnu veličinu od 1-4 KB.

Prebacivanje poruka osmišljeno je za organiziranje interakcije korisnika izvan mreže, kada se ne očekuje trenutni odgovor na poruku. Ovom metodom prebacivanja poruka se prenosi kroz nekoliko tranzitnih računala, gdje se cijela poruka sprema u međuspremnik na disku.

Pitanja i vježbe

1. Mogu li digitalne komunikacijske linije prenositi analogne podatke?

2. Koja bi bila teoretska granica za brzinu prijenosa podataka u bitovima po sekundi na kanalu s propusnošću od 20 kHz ako je snaga odašiljača 0,01 mW, a snaga šuma u kanalu 0,0001 mW?

3. Odrediti kapacitet komunikacijskog kanala za svaki smjer duplex moda, ako je poznato da je njegov pojasni pojas 600 kHz, a metoda kodiranja koristi 10 stanja signala.

4. Izračunajte kašnjenje širenja signala i kašnjenje prijenosa podataka za slučaj prijenosa paketa od 128 bajtova:

Putem kabela s upredenom paricom duljine 100 m pri brzini prijenosa od 100 Mbit/s;

Koaksijalni kabel dužine 2 km s brzinom prijenosa 10 Mbit/s;

Satelitski geostacionarni kanal duljine 72.000 km uz brzinu prijenosa od 128 Kbit/s.

Uzmite u obzir brzinu širenja signala jednakom brzini svjetlosti u vakuumu od 300 000 km/s.

5. Koji okvir će odašiljač poslati na liniju ako radi tehnikom punjenja bitova sa zastavom 7E, a ulaz odašiljača prima niz 24 A5 7E 56 8C (sve vrijednosti su heksadecimalne)?

6. Objasnite zašto je odabrana propusnost od 64 Kbit/s osnovnog kanala digitalne telefonske mreže?

7. Navedite metode kompresije koje su najprikladnije za tekstualne informacije. Zašto su neučinkoviti za sažimanje binarnih podataka?

8. Predložite kodove nejednake duljine za svaki od znakova A, B, C, D, F i OKO, ako trebate poslati poruku BDDACAAFOOOAOOOO. Hoće li se postići kompresija podataka u usporedbi s korištenjem:

u tradicionalnim ASCII kodovima?

Kodovi jednake duljine, uzimajući u obzir prisutnost samo ovih znakova?

9. Kako odašiljač utvrđuje je li pozitivna potvrda izgubljena u metodi kliznog prozora?

10. Mreža za komutaciju paketa doživljava zagušenje. Kako bi se eliminirala ova situacija, treba li povećati ili smanjiti veličinu prozora u mrežnim računalnim protokolima?

11. Kako pouzdanost komunikacijskih linija u mreži utječe na izbor veličine prozora?

12. Što je redundancija TDM tehnologije?

13. Koja je metoda komutacije učinkovitija: komutacija krugova ili komutacija paketa?

14. Objasnite razliku između ova tri pojma:

Logičke veze na kojima se temelje neki protokoli;

Virtualni kanali u mrežama s komutacijom paketa;

Kompozitni kanali u mrežama s komutacijom krugova.

Osnovne tehnologije lokalnih mreža

Stalno i dinamičko prebacivanje

Kako paketno komutirane mreže, dakle mreže s komutacijom krugova mogu se podijeliti u dvije klase:

• mreže sa dinamičko prebacivanje ;
• mreže sa stalno prebacivanje.

U mrežama sa dinamičko prebacivanje:

• dopušteno je uspostavljanje veze na inicijativu korisnika mreže;
• prebacivanje se vrši samo za vrijeme trajanja komunikacijske sesije, a zatim se (na inicijativu jednog od korisnika) prekida;
• V opći slučaj korisnik mreže se može povezati s bilo kojim drugim korisnikom mreže;
• vrijeme veze između para korisnika kada dinamičko prebacivanje traje od nekoliko sekundi do nekoliko sati i završava nakon završetka određenog posla - prijenos datoteke, pregled stranice teksta ili slike itd.

Primjeri mreža koje podržavaju način dinamičko prebacivanje, su telefonske mreže uobičajena uporaba, lokalne mreže, TCP/IP mreže.

Mreža radi u stalno prebacivanje:

• omogućuje paru korisnika da naruče vezu na dulje vremensko razdoblje;
• vezu ne uspostavljaju korisnici, već osoblje koje održava mrežu;
• razdoblje za koje je postavljena trajno prebacivanje, obično traje nekoliko mjeseci;
• stalni način uključivanja mreže s komutacijom krugovačesto nazivan usluga posvećena(namjenski) ili iznajmljeni (iznajmljeni) kanali;
• kada se stalna veza kroz mrežu preklopnika uspostavi automatskim postupcima koje pokreće osoblje za održavanje, često se naziva polutrajna veza za razliku od ručnog konfiguriranja svakog prekidača.

Najviše popularne mreže, radeći u načinu rada stalno prebacivanje, danas postoje mreže SDH tehnologije, na temelju kojih se grade namjenski komunikacijski kanali sa propusnost nekoliko gigabita u sekundi.

Neke vrste mreža podržavaju oba načina rada. Na primjer, X.25 i ATM mreže mogu omogućiti korisniku dinamičku komunikaciju s bilo kojim drugim korisnikom na mreži i istovremeno slanje podataka preko trajne veze određenom pretplatniku.

Propusnost paketno komutiranih mreža

Jedna od razlika metode Zamjena paketa od metode sklopni krug je neizvjesnost propusnost veze između dva pretplatnika. Kada sklopni krug nakon formiranja složenog kanala propusnost mreže kada je poznat prijenos podataka između krajnjih čvorova – ovo propusnost- kanal. Podaci, nakon odgode povezane s uspostavom kanala, počinju se prenositi maksimalnom brzinom za kanal (Slika 7.1). Vrijeme prijenosa poruke mreže s komutacijom krugova T k.k. jednak zbroju kašnjenja širenja signal preko komunikacijske linije i kašnjenja prijenosa poruke. Kašnjenje širenja signala ovisi o brzini širenja elektromagnetskih valova u određenom fizičkom okruženju, koja se kreće od 0,6 do 0,9 brzine svjetlosti u vakuumu. Vrijeme prijenosa poruke jednako je V/C, gdje je V veličina poruke u bitovima, a C je propusnost- kanal u bitovima po sekundi.

U paketno komutirane mreže slika je potpuno drugačija.

Riža. 7.1.

Postupak uspostavljanje veze na tim mrežama, ako se koristi, traje približno isto vrijeme kao na mreže s komutacijom krugova, pa ćemo usporediti samo vrijeme prijenosa podataka.

Na sl. 7.2 prikazuje primjer prijenosa podataka na paketno komutirane mreže. Pretpostavlja se da se preko mreže prenosi poruka iste veličine kao poruka prenesena na Sl. 7.1 međutim podijeljen je u pakete, svaki sa zaglavljem. Vrijeme prijenosa poruke paketno komutirane mreže naznačeno na slici T k.p. Prilikom slanja ove poruke razbijene na pakete preko paketno komutirane mreže dolazi do dodatnih kašnjenja. Prvo, postoje kašnjenja u izvoru prijenosa, koji, osim što šalje samu poruku, troši dodatno vrijeme na prijenos zaglavlja t p.z. , osim toga, dodaju se kašnjenja t int, uzrokovana intervali između prijenosa svakog sljedećeg paketa(ovo vrijeme se troši na formiranje sljedećeg paketa stog protokola).

Drugo, dodatno vrijeme se troši u svakom prekidaču. Ovdje su kašnjenja zbroj vremena međuspremnika - paket t bp. (sklopka ne može započeti slanje paketa bez da ga u potpunosti primi u svoj međuspremnik) i vrijeme prebacivanja tk je jednako vremenu koje je potrebno za primanje paketa pri bitnoj brzini protokola. Vrijeme prebacivanja je zbroj vremena koje paket čeka u redu čekanja i vremena kada se paket kreće do izlaznog porta. Ako je vrijeme putovanja paketa fiksno i, u pravilu, malo (od nekoliko mikrosekundi do nekoliko desetaka mikrosekundi), tada vrijeme čekanja paketa u redu čekanja varira u vrlo širokim granicama i nije unaprijed poznato, jer ovisi o na trenutno opterećenje mreže.

Napravimo grubu procjenu kašnjenja prijenosa podaci u mreže za komutaciju paketa u usporedbi sa mreže s komutacijom krugova pomoću jednostavnog primjera. Neka probna poruka koju je potrebno prenijeti u obje vrste mreža ima volumen od 200 KB. Pošiljatelj se nalazi 5000 km od primatelja. Širina pojasa komunikacijske linije su 2 Mbit/s.

Vrijeme prijenosa podataka mreže s komutacijom krugova sastoji se od vremena propagacije signala, koje se za udaljenost od 5000 km može procijeniti na približno 25 ms (uzimajući brzinu propagacije signala jednakom 2/3 brzine svjetlosti), i vremena prijenosa poruke, koje na propusnost 2 Mbit/s, a duljina poruke od 200 KB iznosi približno 800 ms. Tijekom izračuna, točna vrijednost K (2 10), jednaka 1024, zaokružena je na 1000, slično tome, vrijednost M (2 20), jednaka 1048576, zaokružena je na 1000000. Dakle, prijenos podataka je procijenjen na 825 ms.

Jasno je da prilikom prijenosa ove poruke preko paketno komutirane mreže, iste ukupne duljine i propusnost- kanali koji idu od pošiljatelja do primatelja, vrijeme propagacije signala i vrijeme prijenosa podataka bit će isti - 825 ms. Međutim, zbog kašnjenja u međučvorovi ukupno vrijeme prijenosa podataka će se povećati. Procijenimo koliko će se to vrijeme povećati. Pretpostavimo da put od pošiljatelja do primatelja prolazi kroz 10 prekidača. Neka izvorna poruka bude podijeljena u pakete od 1 KB, za ukupno 200 paketa. Prvo, procijenimo kašnjenje koje se događa na izvornom čvoru. Pretpostavimo da je udio službene informacije, koji se nalazi u zaglavlju paketa, u odnosu na ukupnu količinu poruke iznosi 10%. Stoga, dodatni kašnjenje zaglavlja- paketa, iznosi 10% vremena prijenosa cijele poruke, odnosno 80 ms. Ako prihvatimo interval između slanja paketa jednak 1 ms, tada će dodatni gubici zbog intervala biti 200 ms. Tako je na izvorišnom čvoru zbog paketiranja poruke tijekom prijenosa došlo do dodatnog kašnjenja od 280 ms.

Svaki od 10 prekidača doprinosi kašnjenje prebacivanja, koji može varirati od frakcija do tisuća milisekundi. U ovom primjeru pretpostavit ćemo da se na prebacivanje u prosjeku potroši 20 ms. Nadalje, kada poruke prolaze kroz prekidač, kašnjenje međuspremnika paket. Ovo kašnjenje s veličinom paketa od 1 KB i propusnost Linija od 2 Mbit/s je 4 ms. Ukupna latencija koju uvodi 10 prekidača je približno 240 ms. Kao rezultat toga, stvoreno je dodatno kašnjenje mreža za komutaciju paketa, iznosio je 520 ms. S obzirom da cijela aplikacija dijeli procesor.

Na učinkovitost mreže utječe veličina paketa koje mreža odašilje. Veličine paketa koje su prevelike donose paketno komutirana mreža Do mreže s komutacijom krugova, pa se učinkovitost mreže smanjuje. Osim toga, kada Veliki broj paketa, vrijeme međuspremnika na svakom prekidaču se povećava. Premali paketi značajno povećavaju udio nadzemnih informacija, budući da svaki paket sadrži zaglavlje fiksne duljine, a broj paketa u koje su poruke podijeljene naglo će se povećati kako se smanjuje veličina paketa. Postoji određena "zlatna sredina" kada je osigurana maksimalnu učinkovitost rada mreže, međutim, taj je omjer teško točno odrediti jer ovisi o mnogim čimbenicima, uključujući one koji se mijenjaju tijekom rada mreže. Stoga, programeri protokola za paketno komutirane mreže odabrati granice unutar kojih može biti veličina paketa, točnije njegovog podatkovnog polja, budući da zaglavlje u pravilu ima fiksnu duljinu. Obično je donja granica podatkovnog polja postavljena na nulu, što omogućuje prijenos servisnih paketa bez korisničkih podataka, a gornja granica ne prelazi 4 KB. Prilikom prijenosa podataka, aplikacije nastoje zauzeti maksimalnu veličinu podatkovnog polja kako bi brže završile razmjenu, a mali paketi obično se koriste za kratke servisne poruke koje sadrže, primjerice, potvrdu o isporuci paketa.

Prilikom odabira veličine paketa morate uzeti u obzir i stopu pogreške u bitovima kanala. Na nepouzdanim kanalima potrebno je smanjiti veličinu paketa jer se time smanjuje količina ponovno odaslanih podataka kada su paketi oštećeni.