Коммутация электрических цепей

Коммутация каналов

При коммутации каналов коммутационная сеть образует между конечными узлами непрерывный составной физический канал из последовательно соединенных коммутаторами промежуточных канальных участков. Условием того, что несколько физических каналов при последовательном соединении образуют единый физический канал, является равенство скоростей передачи данных в каждом из составляющих физических каналов. Равенство скоростей означает, что коммутаторы такой сети не должны буферизовать передаваемые данные.

В сети с коммутацией каналов перед передачей данных всегда необходимо выполнить процедуру установления соединения, в процессе которой и создается составной канал. И только после этого можно начинать передавать данные.

Например, если сеть, изображенная на рисунке, работает по технологии коммутации каналов, то узел 1, чтобы передать данные узлу 7, сначала должен передать специальный запрос на установление соединения коммутатору A, указав адрес назначения 7. Коммутатор А должен выбрать маршрут образования составного канала, а затем передать запрос следующему коммутатору, в данном случае E. Затем коммутатор E передает запрос коммутатору F, а тот, в свою очередь, передает запрос узлу 7. Если узел 7 принимает запрос на установление соединения, он направляет по уже установленному каналу ответ исходному узлу, после чего составной канал считается скоммутированным, и узлы 1 и 7 могут обмениваться по нему данными.

Достоинства коммутации каналов

1. Постоянная и известная скорость передачи данных по установленному между конечными узлами каналу. Это дает пользователю сети возможности на основе заранее произведенной оценки необходимой для качественной передачи данных пропускной способности установить в сети канал нужной скорости.
2. Низкий и постоянный уровень задержки передачи данных через сеть. Это позволяет качественно передавать данные, чувствительные к задержкам (называемые также трафиком реального времени) — голос, видео, различную технологическую информацию.

Недостатки коммутации каналов

1. Отказ сети в обслуживании запроса на установление соединения. Такая ситуация может сложиться из-за того, что на участке сети соединение нужно установить вдоль канала, через который уже проходит максимально возможное количество информационных потоков. Отказ может случиться и на конечном участке составного канала — например, если абонент способен поддерживать только одно соединение.
2. Нерациональное использование пропускной способности физических каналов. Та часть пропускной способности, которая отводится составному каналу после установления соединения, предоставляется ему на все время, т.е. до тех пор, пока соединение не будет разорвано. Однако абонентам не всегда нужна пропускная способность канала во время соединения. Невозможность динамического перераспределения пропускной способности ограничивает сеть с коммутацией каналов, так как единицей коммутации здесь является информационный поток в целом.
3. Обязательная задержка перед передачей данных из-за фазы установления соединения.

Техника коммутации каналов хорошо работает в тех случаях, когда нужно передавать только трафик телефонных разговоров. 

Коммутаторы, а также соединяющие их каналы должны обеспечивать одновременную передачу данных нескольких абонентских каналов. Для этого они должны быть высокоскоростными и поддерживать какую-либо технику мультиплексирования абонентских каналов.

В настоящее время для мультиплексирования абонентских каналов используются две техники:

• технология частотного мультиплексирования (Frequency Division Multiplexing, FDM);
• технология мультиплексирования с разделением времени (Time Division Multiplexing, TDM).

Общая характеристика

Назначение коммутационных аппаратов сводится к процессу пропускания электроэнергии благодаря замыканию и размыканию цепи. Сегодня все существующие агрегаты этого типа можно разделить на две категории. К первой группе относятся контактные (механические) приборы, а ко второй – бесконтактные (полупроводниковые или газоразрядные) разновидности.

Самыми часто встречаемыми приборами коммутационного типа являются выключатели, рубильники, контакторы, реле, предохранители. Они обладают определенными особенностями, которые необходимо учитывать при выборе. Приобретать коммутационный прибор необходимо в соответствии с условиями эксплуатации.

Представленные агрегаты могут иметь в своей конструкции несколько полюсов. Их количество может составлять от одного до четырех. В соответствии с этим показателем приборы также разделяют на группы. Чаще всего в продаже представлены двухполюсные изделия. Они имеют два положения – «выключено» или «включено».

Коммутаторы

Коммутация по праву считается одной из самых популярных современных технологий. Коммутаторы по всему фронту теснят мосты и маршрутизаторы, оставляя за последними только организацию связи через глобальную сеть. Популярность коммутаторов обусловлена прежде всего тем, что они позволяют за счет сегментации повысить производительность сети. Помимо разделения сети на мелкие сегменты, коммутаторы дают возможность создавать логические сети и легко перегруппировывать устройства в них. Иными словами, коммутаторы позволяют создавать виртуальные сети.

В 1994 году компания IDC дала своё определение коммутатора локальных сетей: коммутатор — это устройство, конструктивно выполненное в виде сетевого концентратора и действующее как высокоскоростной многопортовый мост; встроенный механизм коммутации позволяет осуществить сегментирование локальной сети, а также выделить полосу пропускания конечным станциям в сети.

Впервые коммутаторы появились в конце 1980-х годов. Первые коммутаторы использовались для перераспределения пропускной способности и, соответственно, повышения производительности сети. Можно сказать, что коммутаторы первоначально применялись исключительно для сегментации сети. В наше время произошла переориентация, и теперь в большинстве случаев коммутаторы используются для прямого подключения к конечным станциям.

Широкое применение коммутаторов значительно повысило эффективность использования сети за счет равномерного распределения полосы пропускания между пользователями и приложениями. Несмотря на то, что первоначальная стоимость была довольно высока, тем не менее они были значительно дешевле и проще в настройке и использовании, чем маршрутизаторы. Широкое распространение коммутаторов на уровне рабочих групп можно объяснить тем, что коммутаторы позволяют повысить отдачу от уже существующей сети. При этом для повышения производительности всей сети не нужно менять существующую кабельную систему и оборудование конечных пользователей.

Общий термин коммутация применяется для четырёх различных технологий:

• конфигурационная коммутация,
• коммутация кадров,
• коммутация ячеек,
• преобразование между кадрами и ячейками.

В основе конфигурационной коммутации лежит нахождение соответствия между конкретным портом коммутатора и определенным сегментом сети. Это соответствие может программно настраиваться при подключении или перемещении пользователей в сети.

При коммутации кадров используются кадры сетей Ethernet, Token Ring и т. д. Кадр при поступлении в сеть обрабатывается первым коммутатором на его пути. Под термином обработка понимается вся совокупность действий, производимых коммутатором для определения своего выходного порта, на который необходимо направить данный кадр. После обработки он передается далее по сети следующему коммутатору или непосредственно получателю.

В технологии АТМ также применяется коммутация, но в ней единицы коммутации носят название ячеек. Преобразование между кадрами и ячейками позволяет станциям в сети Ethernet, Token Ring и т. д. непосредственно взаимодействовать с устройствами АТМ. Эта технология применяется при эмуляции локальной сети.

Коммутаторы делятся на четыре категории:

1. Простые автономные коммутаторы сетей рабочих групп позволяют некоторым сетевым устройствам или сегментам обмениваться информацией с максимальной для данной кабельной системы скоростью. Они могут выполнять роль мостов для связи с другими сетевыми сегментами, но не транслируют протоколы и не обеспечивают повышенную пропускную способность с отдельными выделенными устройствами, такими как серверы.
2. Коммутаторы рабочих групп второй категории обеспечивают высокоскоростную связь одного или нескольких портов с сервером или базовой станцией.
3. Коммутаторы сети отдела предприятия, которые часто используются для взаимодействия сетей рабочих групп. Они представляют более широкие возможности администрирования и повышения производительности сети. Такие устройства поддерживают древовидную архитектуру связей, которая используется для передачи информации по резервным каналам и фильтрации пакетов. Физически такие коммутаторы поддерживают резервные источники питания и позволяют оперативно менять модули.
4. Коммутаторы сети масштаба предприятия, выполняющие диспетчеризацию трафика, определяя наиболее эффективный маршрут. Они могут поддерживать большое количество логических соединений сети. Многие производители корпоративных коммутаторов предлагают в составе своих изделий модули АТМ. Эти коммутаторы осуществляют трансляцию протоколов Ethernet в протоколы АТМ.

Режимы электрических цепей

Переход цепи из одного режима в другой, является переходным динамическим процессом. В то время, как при стационарном установившемся режиме, токи и напряжения в цепях постоянного тока остаются неизменными по времени, при переменном токе временные функции периодически изменяются. Установленные режимы при любых параметрах полностью зависят исключительно от источника энергии. Поэтому, каждый источник энергии, постоянный или переменный, создают соответствующий ток. Причем, частота переменного тока полностью совпадает с частотой источника электрической энергии.

Возникновение переходных процессов происходит, когда каким-либо образом изменяются режимы в электрических цепях. Это может быть отключение или подключение цепей, изменения нагрузок, возникновение различных аварийных ситуаций. Все эти переключения и называются коммутацией. С физической точки зрения все процессы перехода энергетических состояний соответствуют режиму до коммутации и после коммутации.

Методы автоматического расцепления

Защитно-коммутационные аппараты имеют в своей конструкции реле. Они входят в состав расцепителей. Реле могут быть электромеханическими или статистическими. Производят контроль и сопоставление заданных параметров полупроводниковые материалы. Этот принцип заложен во вводных автоматах.

Электромеханические разновидности могут быть выполнены на базе электротепловых, электромагнитных или комбинированных элементов. Вводной коммутационный аппарат представленного типа устанавливается в квартирах, домах, на промышленных объектах и т. д.

Расцепители могут не иметь установленного интервала времени при выполнении срабатывания. Также в продаже присутствуют приборы с независимой выдержкой или срабатыванием с обратной зависимостью от тока.

Разновидности рубильников

Коммутационные аппараты, которые относятся к типу рубильников, в свою очередь, делятся на подгруппы. Выделяют разъединитель, переключатель и короткозамыкатель. В первом случае прибор прерывает подачу электричества в цепь, которая имеет незначительную силу тока. Этот тип приборов применяется для осуществления осмотра или ремонта системы. Разъединитель имеет расстояние между контактами для изоляции.

Переключатели переводит электрический ток из одной цепи в другую. Короткозамыкатель не производится и не применяется в современной аппаратуре. Он создает короткое замыкание.

В продаже представлены аппараты, совмещающие представленные функции. Например, это может быть разъединитель-выключатель. Это рубильник с камерой для гашения дуги. Он может работать как на одно, так и на два направления. Если же в таком рубильнике нет камеры для гашения дуги, этот прибор относится к группе разъединителей.

Основные разновидности выключателей

Представленные приборы коммутации имеют множество вариантов. К автоматическим разновидностям относятся устройства защитного отключения и дифференциальные выключатели. В первом случае схема УЗО способно защитить человека от поражения электрическим током при возникновении аварийной ситуации. Дифференциальные выключатели представляют собой особый тип выключателя. В его конструкции УЗО соединяется с выключателем. Это обеспечивает комплексную защиту от поражения током.

Пакетные переключатели применяются для цепей с напряжением 110-380 В. Их устанавливают с целью управления асинхронными двигателями, комплектными приборами. Такие коммутационные приборы собираются на поверхности квадратного вала. В состав системы в этом случае входит определенное количество подобных агрегатов. Здесь есть рукоятка и механизм ее фиксации. При ее повороте вал приводится в движение. Коммутирующие кулачки прибора размыкают цепь.

Автоматические выключатели общего назначения представляют собой коммутационные аппараты до 1000 В. Они могут работать как при переменном, так и постоянном токе. Имеют в своем составе привод, расцепители.

Привод и расцепители

Привод коммутационного аппарата приводится в движение ручным или бесконтактным способом. Бывают системы с совмещенной системой управления. Выключение производится при помощи пружин. Они приводятся в движение после разъединения расцепителя. Эта деталь исключает возможность удержания контактов во включенном положении при возникновении аварийной ситуации.

Расцепитель представляет собой систему из связочных шарнирных рычагов. Они соединяют привод с подвижными контактами, которые, в свою очередь, примыкают к отключающей пружине.

Именно расцепители отвечают за поддержание требуемых параметров цепи, которую они защищают. Если в системе наблюдаются отклонения от нормального значения, эти элементы отключают питание.

Доступ к среде

Чтобы избежать коллизий и информация передавались успешно в сетях, где применяется разделяемая среда необходимо использовать, какой-то метод управления доступом к среде. Этот метод должен сделать так, чтобы в одно и то же время данные по разделяемой среде передавал только один компьютер. 

В классическом Ethernet используется метод доступа к разделяемой среде CSMA/CD. Сокращение от английского Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection. По-русски множественный доступ с прослушиванием несущей частоты и обнаружением коллизий. 

Множественный доступ означает, что у нас есть какая-то разделяемая среда, которую используют несколько компьютеров. 

Прослушивание несущей частоты

Для того, чтобы избежать коллизий, ПК передают информацию только тогда, когда среда свободна. И прослушивание это и есть способ определить свободна среда в данный момент времени или сейчас, какой-то другой ПК передает данные, через разделяемую среду. 

Несущая частота это основная гармоника сигнала, применяемая для передачи информации на физическом уровне. 

Например, в Ethernet при манчестерском кодировании происходит смена сигнала в середине каждого такта. Также дополнительно может происходить смена сигнала в конце каждого такта. Поэтому, все компьютеры смотрят изменяется ли сигнал с заданной частотой. И если сигнал изменяется, то значит, какой-то другой компьютер передает данные, поэтому сейчас передавать данные нельзя. Если же в сети нет несущей частоты, то можно передавать данные не опасаясь, что помешаешь какому-то другому устройству. Также возможен вариант, когда в сети есть какой-то сигнал. но в нем нет явно выраженной несущей частоты. Это говорит о том, что это не сигнал передачи данных, а просто помехи.  

Обнаружение коллизий

Если два компьютера начали передавать данные одновременно, то происходит коллизия. Как в Ethernet компьютера обнаруживают коллизию? Для этого они передают и принимают данные одновременно и сравнивают эти данные между собой. Если тот сигнал, который компьютер передает в сеть отличается от того, который он принимает, это значит произошла коллизия. Входной сигнал меняется из-за того, что какой-то другой компьютер передает свой сигнал в сеть. 

В Ethernet если компьютер обнаружил коллизию, он останавливает передачу и передает в сеть Jam последовательность. Это сигнал, который существенным образом искажает все данные, которые передаются по сети, усиливает коллизию, чтобы все компьютеры, которые подключены к разделяемой среде, гарантированно поняли, что коллизия произошла и остановили передачу. 

Коммутация в городских телефонных сетях

Городская телефонная сеть — это совокупность линейных и станционных сооружений. Сеть, имеющая одну АТС, называется нерайонированной. Линейные сооружения такой сети состоят только из абонентских линий. Типовое значение ёмкости такой сети 8-10 тысяч абонентов. При больших ёмкостях из-за резкого увеличения длины АЛ целесообразно переходить на районированное построение сети. В этом случае территория города делится на районы, в каждом из которых сооружается одна районная АТС (РАТС), к которой подключаются абоненты этого района. Соединения абонентов одного района осуществляется через одну РАТС, абонентов разных РATC — через две. РАТС связываются между собой соединительными линиями в общем случае по принципу «каждая с каждой». Общее число пучков между РАТС равно количество РАТС/2. При возрастании ёмкости сети число пучков СЛ, связывающих РATC между собой по принципу «каждая с каждой», начинает резко расти, что приводит к чрезмерному возрастанию расхода кабеля и затрат на организацию связи и Поэтому при ёмкостях сети свыше 80 тысяч абонентов применяют дополнительный коммутационный узел. На такой сети связь между АТС разных районов осуществляется через узлы входящего сообщения (УВС), а связь внутри своего узлового района (УР осуществляется по принципу «каждая с каждой» или через свой УВС.

Принцип работы Switch’а (коммутатора)

Сетевой коммутатор или свитч (жарг. от англ. switch — переключатель) — устройство, предназначенное для соединения нескольких узлов компьютерной сети в пределах одного сегмента сети.

Коммутатор работает на канальном уровне модели OSI, и потому в общем случае может только объединять узлы одной сети по их MAC-адресам. Коммутаторы были разработаны с использованием мостовых технологий и часто рассматриваются как многопортовые мосты.

Коммутатор хранит в памяти таблицу коммутации (хранящуюся в ассоциативной памяти), в которой указывается соответствие MAC-адреса узла порту коммутатора. При включении коммутатора эта таблица пуста, и он работает в режиме обучения. В этом режиме поступающие на какой-либо порт данные передаются на все остальные порты коммутатора. При этом коммутатор анализирует кадры (фреймы) и, определив MAC-адрес хоста-отправителя, заносит его в таблицу. Впоследствии, если на один из портов коммутатора поступит кадр, предназначенный для хоста, MAC-адрес которого уже есть в таблице, то этот кадр будет передан только через порт, указанный в таблице. Если MAC-адрес хоста-получателя не ассоциирован с каким-либо портом коммутатора, то кадр будет отправлен на все порты. Со временем коммутатор строит полную таблицу для всех своих портов, и в результате трафик локализуется. Стоит отметить малую латентность (задержку) и высокую скорость пересылки на каждом порту интерфейса.

Режимы коммутации

Существует три способа коммутации. Каждый из них — это комбинация таких параметров, как время ожидания и надёжность передачи.

1. С промежуточным хранением (Store and Forward). Коммутатор читает всю информацию в кадре, проверяет его на отсутствие ошибок, выбирает порт коммутации и после этого посылает в него кадр.
2. Сквозной (cut-through). Коммутатор считывает в кадре только адрес назначения и после выполняет коммутацию. Этот режим уменьшает задержки при передаче, но в нём нет метода обнаружения ошибок.
3. Бесфрагментный (fragment-free) или гибридный. Этот режим является модификацией сквозного режима. Передача осуществляется после фильтрации фрагментов коллизий (кадр размером 64 байта обрабатываются по технологии store-and-forward, остальные по технологии cut-through).

Латентность, связанная с «принятием коммутатором решения», добавляется к времени, которое требуется кадру для входа на порт коммутатора и выхода с него и вместе с ним определяет общую задержку коммутатора.

Принцип работы Router’а (маршрутизатора)

Маршрутиза́тор или роутер, рутер (от англ. router), — сетевое устройство, на основании информации о топологии сети и определённых правил принимающее решения о пересылке пакетов сетевого уровня (уровень 3 модели OSI) между различными сегментами сети.

Обычно маршрутизатор использует адрес получателя, указанный в пакетах данных, и определяет по таблице маршрутизации путь, по которому следует передать данные. Если в таблице маршрутизации для адреса нет описанного маршрута, пакет отбрасывается.

Существуют и другие способы определения маршрута пересылки пакетов, когда, например, используется адрес отправителя, используемые протоколы верхних уровней и другая информация, содержащаяся в заголовках пакетов сетевого уровня. Нередко маршрутизаторы могут осуществлять трансляцию адресов отправителя и получателя, фильтрацию транзитного потока данных на основе определённых правил с целью ограничения доступа, шифрование/дешифрование передаваемых данных и т.д.

Таблица маршрутизации содержит информацию, на основе которой маршрутизатор принимает решение о дальнейшей пересылке пакетов. Таблица состоит из некоторого числа записей — маршрутов, в каждой из которых содержится адрес сети получателя, адрес следующего узла, которому следует передавать пакеты и некоторый вес записи — метрика. Метрики записей в таблице играют роль в вычислении кратчайших маршрутов к различным получателям. В зависимости от модели маршрутизатора и используемых протоколов маршрутизации, в таблице может содержаться некоторая дополнительная служебная информация. Например:

192.168.64.0/16 [110/49] via 192.168.1.2, 00:34:34, FastEthernet0/0.1
где 192.168.64.0/16 — сеть назначения,
   110/- административное расстояние 
   /49 — метрика маршрута,
   192.168.1.2 — адрес следующего маршрутизатора, которому следует
                 передавать пакеты для сети 192.168.64.0/16,
   00:34:34 — время, в течение которого был известен этот маршрут,
   FastEthernet0/0.1 — интерфейс маршрутизатора, через который можно
                 достичь «соседа» 192.168.1.2.

Таблица маршрутизации может составляться двумя способами:

• статическая маршрутизация — когда записи в таблице вводятся и изменяются вручную. Такой способ требует вмешательства администратора каждый раз, когда происходят изменения в топологии сети. С другой стороны, он является наиболее стабильным и требующим минимума аппаратных ресурсов маршрутизатора для обслуживания таблицы.
• динамическая маршрутизация — когда записи в таблице обновляются автоматически при помощи одного или нескольких протоколов маршрутизации — RIP, OSPF, IGRP, EIGRP, IS-IS, BGP, и др. Кроме того, маршрутизатор строит таблицу оптимальных путей к сетям назначения на основе различных критериев — количества промежуточных узлов, пропускной способности каналов, задержки передачи данных и т. п. Критерии вычисления оптимальных маршрутов чаще всего зависят от протокола маршрутизации, а также задаются конфигурацией маршрутизатора. Такой способ построения таблицы позволяет автоматически держать таблицу маршрутизации в актуальном состоянии и вычислять оптимальные маршруты на основе текущей топологии сети. Однако динамическая маршрутизация оказывает дополнительную нагрузку на устройства, а высокая нестабильность сети может приводить к ситуациям, когда маршрутизаторы не успевают синхронизировать свои таблицы, что приводит к противоречивым сведениям о топологии сети в различных её частях и потере передаваемых данных.

Зачастую для построения таблиц маршрутизации используют теорию графов.