Teleliikenne vs. Dataliikenne Piirikytkentä & Pakettikytkentä

Transkriptio

1 CT30A2003 Tietoliikennetekniikan perusteet Teleliikenne vs. Dataliikenne Piirikytkentä & Pakettikytkentä Lappeenranta University of Technology / JP, PH, AH 1

2 Kytkentäiset verkot Kytkentäinen verkko koostuu toisiinsa kytketyistä solmupisteistä (node) Verkkoa käyttäviä laitteita, esim. tietokoneita, kutsutaan asemiksi (station) Solmut tarjoavat asemille tietoliikenneverkon palvelun ja siirtävät asemien dataa data siirretään solmusta solmuun (kytkentä) kunnes saapuu vastaanottavan aseman liitäntäsolmuun, joka toimittaa datan perille Lappeenranta University of Technology / JP, PH, AH 2

3 Kytkentäiset verkot Yleisesti kytkentäisissä verkoissa toiset solmut toimivat pelkästään verkon sisäisinä pisteinä, toiset taas ottavat vastaan ja luovuttavat dataa asemille solmujen väliset linkit on jaettu kanavoinnin (multiplexing) avulla verkot eivät ole täysin kytkettyjä (ei linkkiä jokaisen solmuparin välillä) kuitenkin, mitä enemmän on mahdollisia polkuja solmujen välillä, sitä luotettavammaksi verkko muodostuu Lappeenranta University of Technology / JP, PH, AH 3

4 Yksinkertainen kytkentäinen verkko Lappeenranta University of Technology / JP, PH, AH 4

5 Communication Networks communications network a collection of nodes redundant connections increase network reliability switching technologies: circuit switching packet switching in addition to switching functions, some nodes also deliver data to attached stations network is not fully connected so there is not a direct link between every possible pair of nodes

6 Tele/Dataliikenne Tietoliikenne on perinteisesti jaettu: Teleliikenteeseen Puhelinverkot PSTN (public switched telephone network) ISDN GSM Dataliikenteeseen Dataverkot X.25 (ITU-T:n määrittelemä liityntätstandardi) lähiverkot Internet GPRS Lappeenranta University of Technology / JP, PH, AH 6

7 Tele/Dataliikenne, piiri/pakettikytkentä Jaon takana on eri sovellusten (ääni/data) erilaiset vaatimukset Teleliikenteessä puhe/ääni tarvitsee reaaliaikaisen kommunikointiväylän Piirikytkentä Datalle on tärkeämpää, että kommunikointiväyliä käytetään mahdollisimman tehokkaasti Pakettikytkentä Lappeenranta University of Technology / JP, PH, AH 7

8 Piirikytkentäiset verkot Piirikytkentä: Varatuilla resursseilla päästään tavoitteeseen eli reaaliaikaiseen tiedonsiirtoon Sovelias menetelmä teleliikenteen ongelmiin kehitetty puheen siirtoon Käytetään myös jossain yksityisissä kiinteissä yhteyksissä (leased line), myös dataliikenteen siirtoon Lappeenranta University of Technology / JP, PH, AH 8

9 Piirikytkentäiset verkot Kommunikaatio pitkin piirikytkentäistä verkkoa edellyttää määriteltyä yhteyspolkua kahden aseman välillä Yhteyspolku on kytketty peräkkäisillä verkkosolmujen välisillä linkeillä Jokaisessa fyysisessä linkissä loogisia kanavia omistettu viestinvälitykselle ja eri yhteyksille Viestinvälitys pitkin piirikytkentäistä verkkoa sisältää kolme vaihetta: 1. Yhteyden muodostus (piirin muodostus) 2. Datan siirto 3. Yhteyden lopetus (piirin purku) Lappeenranta University of Technology / JP, PH, AH 9

10 Piirikytkentä Lappeenranta University of Technology / JP, PH, AH 10

11 Piirikytkentäiset verkot Esimerkki: Yhteyden muodostus asemasta A asemaan E 1. Asema A lähettää pyynnön solmulle 4 pyytäen yhteyttä asemaan E 2. Solmu 4 etsii reitin solmuun 6 reititysinformaatiota, saatavuusmittauksia ja kustannuksia tutkimalla, ja valitsee linkin solmuun 5 (tai solmuun 7) 3. Solmu 4 varaa vapaan kanavan (esim. FDM, TDM) valitusta linkistä 4. Solmu 5 varaa kanavan solmuun 6 ja kytkee sisäisesti tämän kanavan solmusta 4 tulevaan kanavaan 5. Solmu 6 ottaa yhteyden asemaan E ja testaa onko se valmis hyväksymään yhteyden. B C D A E 7 F Lappeenranta University of Technology / JP, PH, AH 11

12 Piirikytkentäiset verkot Päästä-päähän yhteys on muodostettava ennen varsinaista datan siirtoa jokaisesta linkistä ja solmun sisäisestä kytkennästä varattava kapasiteettia yhteyttä varten Kanavan kapasiteetti on varattuna ko. yhteydelle koko yhteyden ajan vaikka dataa ei kulkisikaan puheessa kanava saattaa olla hyvin käytetty, mutta ei silti 100% Yhteydenmuodostusaika merkittävä (vrt. pakettikytkentäiset verkot) Kun yhteys on kerran muodostettu sen varaamat resurssit ovat käytössä vain ja ainoastaan ko. yhteydelle niin kauan kunnes yhteys puretaan Data siirretään vakionopeudella Ainoa viive joka siirron aikana syntyy on linkkien välinen etenemisviive Lappeenranta University of Technology / JP, PH, AH 12

13 Piirikytkentäisten verkkojen esimerkkejä Esimerkkejä piirikytkentäisistä verkoista yleinen puhelinverkko (PSTN) dataliikenne modeemien avulla vaihteet (private branch exchange, PBX) yritysten yksityisissä verkoissa PBX-järjestelmät yhdistetty niiden liikenteelle omistetun linjan avulla (leased line) datavaihteet (PBX:n kaltaisia, tietokoneiden ja terminaalien liittämiseen) Lappeenranta University of Technology / JP, PH, AH 13

14 Piirikytkentäiset verkot Lappeenranta University of Technology / JP, PH, AH 14

15 Digitaalinen piirikytkentäsolmu sisältää verkkoliitännän (network interface) digitaalisen kytkimen hallintayksikön yhteyden muodostus, ylläpito ja poisto Piirikytkentä Lappeenranta University of Technology / JP, PH, AH 15

16 Lappeenranta University of Technology / JP, PH, AH 16

17 Lappeenranta University of Technology / JP, PH, AH 17

18 Piirikytkennän signalointitavat Signalointi voi tapahtua varsinaisen puheen kanssa samalla kanavalla kaistansisäisesti (sekaisin puheen kanssa) kaistan ulkopuolella omalla kanavallaan yhteinen kanava eri datavirroille Lappeenranta University of Technology / JP, PH, AH 18

19 Piirikytkennän signalointitavat Lappeenranta University of Technology / JP, PH, AH 19

20 Lappeenranta University of Technology / JP, PH, AH 20

21 Lappeenranta University of Technology / JP, PH, AH 21

22 Pakettikytkennän periaatteet Pakettikytkentäiset verkot Data pilkotaan pieniin paketteihin siirtoa varten Paketin koko riippuu pitkälti siirtoverkosta Jokainen datapaketti sisältää käyttäjän dataa (itse siirrettävä tieto) ja kontrolli-informaatiota (mm. osoitetiedot) Reitin solmuissa paketit varastoidaan lyhyeksi aikaa ja lähetetään seuraavalle solmulle Solmujen täytyy olla tietoisia verkon tilasta (eli mitä reittiä paketit kannattaa siirtää) User data Control information (packet header) Packet Lappeenranta University of Technology / JP, PH, AH 22

23 Pakettikytkentä Lappeenranta University of Technology / JP, PH, AH 23

24 Pakettikytkentäiset verkot Esimerkki: Paketin lähetys asemasta A asemaan E Paketti sisältää kontrolli-informaatiota, joka ilmaisee halutun päämäärän Paketti lähetetään solmusta A solmuun 4 Solmu 4 varastoi paketin ja määrittelee seuraavan etapin reitillä (olkoon 5) Solmu 4 laittaa paketin jonoon Kun linkki solmuun 5 on vapaana paketti lähetetään Proseduuri toistuu samalla tavoin solmulle 6 B C D A E 7 F Lappeenranta University of Technology / JP, PH, AH 24

25 Pakettikytkentäiset verkot Pakettikytkennän etuja piirikytkentään verrattuna Verkon tehokkuus on parempi solmusta solmuun linkit voidaan jakaa dynaamisesti kaikilta asemilta tulevien pakettien kesken Piirikytkennässä linkin kanava on koko ajan varattuna vain tietylle yhteydelle vaikka dataa ei liikkuisikaan Pakettikytkentäinen verkko voi suorittaa datanopeuden muunnoksen siinä tapauksessa, jos kaksi asemalla on eri nopeuksiset yhteydet Piirikytkentäisessä verkossa liikenteen kasvaessa suureksi uudet yhteydet estetään kunnes liikennemäärä alenee kun taas pakettikytkentäisessä verkossa paketit hyväksytään välitysviiveen kasvun hinnalla Pakettikytkentäisessä verkossa voidaan määrätä eri prioriteetteja paketeille korkeamman prioriteetin paketeille etuajo-oikeus Lappeenranta University of Technology / JP, PH, AH 25

26 Pakettikytkentä A 10 Mbs Ethernet statistical multiplexing C B queue of packets waiting for output link 1.5 Mbs D 45 Mbs E Lappeenranta University of Technology / JP, PH, AH 26

27 Pakettikytkentäiset verkot Pakettikytkennässä on käytössä kaksi eri kytkentätapaa: tietosähke ja virtuaalipiiri Tietosähke / datagrammi: paketit lähetetään täysin itsenäisinä ilman viittausta muihin jo lähetettyihin paketteihin jokaiselle paketille toisista riippumaton reitityspäätös solmuissa vastaanottopäähän paketit saattavat saapua mielivaltaisessa järjestyksessä, jolloin niiden järjestäminen oikeaan järjestykseen on vastaanottoaseman tehtävä esim. pakettien järjestysnumeroiden avulla Lappeenranta University of Technology / JP, PH, AH 27

28 Pakettikytkentäiset verkot Virtuaalipiiri: lähettävä asema lähettää ns. Call-Request paketin joka etsii sopivimman reitin kohdeasemaan jos vastaanottaja on valmis vastaanottoon se lähettää ns. Call-Accept paketin samaa reittiä takaisin lähettäjälle lähettäjä lähettää pakettinsa vastaanottajalle vakioreittiä pitkin (reitityspäätöksiä ei tarvita) yhteys lopetetaan ns. Clear-Request paketilla huom.: VP ei tarkoita, että polun tulisi olla varattu yhteydelle kuten piirikytkennässä Lappeenranta University of Technology / JP, PH, AH 28

29 TIETOSÄHKE VIRTUAALIPIIRI Lappeenranta University of Technology / JP, PH, AH 29

30 Pakettikytkentäiset verkot Datagram ja Virtual circuit -vertailua Datagrammin ja virtuaalipiirin suurin ero on siinä että datagrammissa jokaiselle paketille tehdään erikseen reitityspäätös virtuaalipiirissä vain Call-Request paketille paketit liikkuvat virtuaalipiirissä nopeammin ja varmasti alkuperäisessä järjestyksessä Datagrammin hyötyjä on se että päästä-päähän reitin etsiminen valintaa ei lähetyksen alussa tarvitse suorittaa -> jos vain muutama paketti lähetettävä on tämä tapa nopeampi kuin virtuaalipiirin tapauksessa Datagrammi-lähetys mukautuu ruuhkatilanteisiin valitaan reitti ruuhkattoman solmun kautta Virtuaalipiirissä jonkin reitin varrella olevan solmun kaatuminen estää sen kautta menevien datavirtojen lähetyksen kun taas datagrammissa kierretään tämä valitsemalla uusi reitti Lappeenranta University of Technology / JP, PH, AH 30

31 Pakettikytkentäiset verkot Pakettikoko Paketin koossa on otettava huomioon se, että solmun täytyy vastaanottaa paketti kokonaisuudessaan ennen kuin se voi lähettää sitä seuraavalle solmulle Usein kannattaa suosia pienempiä paketteja suurien sijaan koska silloin koko datavirran siirto nopeutuu Pakettikoossa on kuitenkin optimi jonka jälkeen ei dataosaa kannata enää pilkkoa tietty määrä ohjausinformaatiota joka paketissa Lappeenranta University of Technology / JP, PH, AH 31

32 Pakettikoko ESIM. Viestin koko 40 tavua Ohjausinformaatio 3 tavua lähetetään asemalta X asemalle Y kahden solmun kautta Kokonaisajat: yhdellä paketilla 129 tavun siirtoaika kahdella paketilla 92 tavun siirtoaika viidellä paketilla 77 tavun siirtoaika siitä ylöspäin kokonaissiirtoaika alkaa taas kasvaa Lappeenranta University of Technology / JP, PH, AH 32

33 Piiri- ja pakettikytkentä Kytkentätekniikoiden suorituskykyä mitatessa tulee ottaa huomioon 3 erilaista viivettä etenemisviive: kuinka kauan signaali etenee solmujen välillä siirtoviive: kuinka kauan menee lähettimeltä datalohkon lähetyksessä solmuviive / prosessointiviive: kuinka kauan solmu prosessoi kytkennän aikana seuraavan kalvon esim. vain ohjeellinen suorituskyvyn osalta, todellinen suorituskyky riippuu monista tekijöistä (verkon koko, topologia, ruuhkat, jne.) Lappeenranta University of Technology / JP, PH, AH 33

34 Lappeenranta University of Technology / JP, PH, AH 34

35 Piiri- ja pakettikytkentäiset verkot Piiri- ja pakettikytkennän suorituskykyvertailua : Piirikytkentä yhteydenmuodostus vie aikaa kun yhteys on saatu solmuissa ei tarvita prosessointia, koska reitti on vakio solmuviive olematon Virtuaalisen piirin pakettikytkentä yhteydenmuodostus samankaltainen kuin piirikytkennässä vakioreitti paketeille solmuviive saattaa nousta merkittäväksi, koska paketit asetetaan solmuissa jonoon odottamaan omaa lähetysvuoroaan seuraavaan solmuun Datagram-pakettikytkentä ei yhteydenmuodostusviiveitä koska jokainen paketti reititetään erikseen saattaa prosessointi solmuissa nousta merkittäväksi viiveeksi Lappeenranta University of Technology / JP, PH, AH 35

36 Lappeenranta University of Technology / JP, PH, AH 36