Paketväxling är en metod för dynamisk allokering av kommunikationsnätverksresurser [1] på grund av överföring och växling av digitaliserad information i form av små delar - de så kallade paketen , som i allmänhet sänds över nätverket oberoende av varandra (datagram ) eller sekventiellt en efter en på virtuella anslutningar . Den mottagande noden samlar in meddelandet från paketen. I sådana nätverk kan många noder utbyta data över en fysisk länk.
Vid byte av paket delas all digital data som överförs av användaren av den sändande noden i små (upp till flera kilobyte) delar - paket ( engelska paket ). Varje paket åtföljs av en rubrik som anger, åtminstone, adressen till destinationsvärden och paketnumret. Överföringen av paket över nätverket sker antingen oberoende av varandra, då kallas paketen för datagram (datagram), och det individuella paketväxlingsläget kallas datagramläge, eller över virtuella anslutningar, det vill säga i den "anslutningsorienterade kommunikationen " ”-läge ). Switcharna i ett sådant nätverk har ett internt buffertminne för tillfällig lagring av paket, vilket gör det möjligt att jämna ut trafikripplar på kommunikationslinjerna mellan switcharna.
Fördelar med paketväxling
Ett paketkopplat nätverk skiljer sig från ett kretskopplat nätverk genom att det med en viss sannolikhet kan sakta ner interaktionsprocessen för varje enskilt nodpar, eftersom deras paket kan vänta i switcharna tills andra paket sänds. Detta är särskilt viktigt för realtidstjänster (ljud, video). Emellertid kommer den totala effektiviteten (mängden data som överförs per tidsenhet) med paketomkoppling att vara högre än med kretsomkoppling. Detta beror på det faktum att trafiken för varje enskild abonnent pulserar, och krusningarna från olika abonnenter, i enlighet med lagen om stora siffror, fördelas över tiden, vilket gör belastningen mer enhetlig.
Paketväxling kan delas in i anslutningslös paketväxling, även känd som datagramväxling, och anslutningsorienterad paketväxling, även känd som virtuell kretsväxling. Exempel på anslutningslösa system är Ethernet , Internet Protocol (IP) och User Datagram Protocol (UDP) . Anslutningsorienterade system inkluderar X.25 , Frame Relay , Multiprotocol Label Switching (MPLS) och Transmission Control Protocol (TCP) .
I anslutningslöst läge är varje paket märkt med en destinationsadress, källadress och portnummer. Den kan också innehålla paketets serienummer. Denna information ges i den fördefinierade sökvägen för att hjälpa paketet att hitta sin destination, men gör att det behövs mer information i pakethuvudet, som därför blir större. Paketen dirigeras individuellt, ibland längs olika vägar, vilket resulterar i urleverans. Vid destinationen kan det ursprungliga meddelandet återmonteras i rätt ordning baserat på paketsekvensnumren. Således tillhandahålls en virtuell krets som bär en ström av bytes till en applikation av ett transportlagerprotokoll, även om nätverket endast tillhandahåller en anslutningslös nätverkslagertjänst.
Anslutningsorienterad överföring kräver en inställningsfas för att ställa in kommunikationsparametrarna innan något paket sänds. Signaleringsprotokollen som används för konfigurationen tillåter applikationen att ställa sina egna krav och upptäcka länkparametrarna. Giltiga värden för serviceparametrarna kan förhandlas fram. Överförda paket kan innehålla en anslutningsidentifierare snarare än adressinformation, och pakethuvudet kan vara mindre eftersom det bara behöver innehålla denna kod och information såsom längd, tidsstämpel eller sekvensnummer, som skiljer sig från paket till paket. I detta fall sänds adressinformation till varje nod endast under uppkopplingsfasen, när en rutt till destinationen hittas och en post läggs till växlingstabellen vid varje nätverksnod genom vilken anslutningen passerar. När ett anslutnings-ID används måste noden slå upp anslutnings-ID:t i en tabell för att dirigera paketet.
Anslutningsorienterade transportlagerprotokoll som TCP tillhandahåller anslutningsorienterade tjänster över ett anslutningslöst kärnnätverk. I det här fallet kräver end-to-end-anslutningsprincipen att ändnoder, inte själva nätverket, ansvarar för anslutningsorienterat beteende.
Paketväxling används för att optimera användningen av den tillgängliga bandbredden i digitala telekommunikationsnätverk såsom datornätverk och minimera överföringslatens (den tid det tar att överföra data över ett nätverk) och för att förbättra kommunikationens tillförlitlighet.
Paketväxling används på Internet och de flesta lokala nätverk. Internet implementeras med hjälp av Internet Protocol Suite med hjälp av olika länklagerteknologier. Till exempel är Ethernet och Frame Relay vanliga. Ny mobiltelefonteknik (t.ex. GSM, LTE) använder också paketväxling. Paketväxling är associerad med anslutningslösa nätverk eftersom dessa system inte kräver ett anslutningsavtal mellan de kommunicerande parterna innan data utbyts.
X.25 använder sig i stor utsträckning av paketväxling eftersom den, trots att den är baserad på paketväxlingstekniker, tillhandahåller virtuella kretsar till användaren. Dessa virtuella kretsar bär paket med variabel längd. 1978 tillhandahöll X.25 det första internationella kommersiella paketkopplade nätverket, International Packet Switched Service (IPSS). Asynchronous Transfer Mode (ATM) är också en virtuell kretsteknik som använder paketväxling för att vidarebefordra celler med fast längd.
Tekniker som Multiprotocol Label Switching (MPLS) och Resource Reservation Protocol (RSVP) skapar virtuella kretsar över datagramnätverk. MPLS och dess föregångare, såväl som ATM, har kallats "snabbpaket"-teknologier. MPLS har verkligen kallats en "celllös bankomat". Virtuella kretsar är särskilt användbara för att bygga robusta failover-mekanismer och bandbreddsallokering för fördröjningskänsliga applikationer.
Historien om paketkopplade nätverk kan delas in i tre överlappande epoker: tidiga nätverk före X.25 och OSI-modellen, X.25 -eran , då många post-, telefon- och telegrafföretag använde nätverk med X.25-gränssnitt. och Internets ålder.
Tidiga nätverkForskning om paketförmedling vid National Physical Laboratory (NPL) började med ett förslag om ett bredare nätverk 1965 [2] och ett lokalt nätverk 1966. [28] Finansiering för ARPANET säkrades 1966 av Bob Taylor, och planeringen började 1967 när han anställde Larry Roberts. NPL-nätverket, ARPANET och SITA HLN började fungera 1969. Före introduktionen av X.25 1973 [29] hade ett tjugotal olika nätverksteknologier utvecklats. Två grundläggande skillnader var i uppdelningen av funktioner och uppgifter mellan noder i kanten av nätverket och kärnan i nätverket. I ett end-to-end datagramsystem är värdarna ansvariga för att se till att paketen levereras i ordning. I ett virtuellt samtalssystem garanterar nätverket konsekvent leverans av data till värden. Detta resulterar i ett enklare värdgränssnitt, men komplicerar nätverket. X.25-protokollsviten använder den här typen av nätverk.
AppleTalk är en egenutvecklad nätverksprotokollsvit utvecklad av Apple 1985 för Apple Macintosh-datorer . Det var det huvudsakliga protokollet som användes av Apple-enheter på 1980- och 1990-talen. AppleTalk inkluderade funktioner som gjorde att lokala nätverk kunde etableras utan behov av en centraliserad router eller server. AppleTalk-systemet tilldelar automatiskt adresser, uppdaterar det tilldelade namnutrymmet och konfigurerar eventuell nödvändig routing mellan nätverk. Det var ett plug-n-play-system.
Implementeringar av AppleTalk har också släppts för IBM PC och kompatibla enheter, såväl som Apple IIGS. AppleTalk-stöd var tillgängligt i de flesta nätverksskrivare, särskilt laserskrivare, vissa filservrar och routrar. AppleTalk lades ner 2009 och ersattes av TCP/IP-protokoll.
ARPANET var Internets stamnätverk och ett av de första nätverken, tillsammans med SATNET ARPA, som körde ett TCP/IP-paket med paketväxlingsteknik.
BNRNET är ett nätverk utvecklat av Bell-Northern Research för internt bruk. Den hade ursprungligen bara en värd, men designades för att stödja många värdar. BNR gjorde senare ett stort bidrag till CCITT X.25-projektet.
CYCLADES paketförmedlade nätverk var ett franskt forskningsnätverk designat och drevet av Louis Pouzin . Den visades först 1973 och utvecklades för att utforska alternativ till den tidiga ARPANET-designen och för att stödja nätverksforskning i allmänhet. Det var det första nätverket som använde end-to-end-anslutningsprincipen och placerade ansvaret för tillförlitlig dataleverans på värdarna snarare än själva nätverket. Koncepten för detta nätverk påverkade den senare arkitekturen för ARPANET.
DECnet är en nätverksprotokollsvit skapad av Digital Equipment Corporation, som ursprungligen släpptes 1975 för att ansluta två PDP-11-minidatorer. Det utvecklades till en av de första peer-to-peer-nätverksarkitekturerna, vilket gjorde DEC till ett kraftfullt nätverkscenter på 1980-talet. Ursprungligen byggd med tre lager, utvecklades det senare (1982) till ett sjulagers OSI-kompatibelt nätverksprotokoll. DECnet-protokollen utvecklades helt av Digital Equipment Corporation. DECnet Phase II (och senare) var dock öppna standarder med publicerade specifikationer, och flera implementeringar utvecklades utanför DEC, inklusive för Linux.
DDX-1 var ett experimentellt nätverk från Nippon PTT. Detta är blandad växling och paketväxling. Den ersattes av DDX-2.
European Informatics Network ( EIN ), som ursprungligen kallades COST 11, var ett projekt som startade 1971 för att koppla samman nätverk i Storbritannien, Frankrike, Italien, Schweiz och Euratom. Sex andra europeiska länder deltog också i studien av nätverksprotokoll. Derek Barber ledde projektet och Roger Scantlebury ledde Storbritanniens tekniska input; båda var från NPL. Arbetet började 1973 och det började fungera 1976, inklusive noder som förbinder NPL-nätverket och CYCLADES. EIN-transportprotokollet var grunden för det protokoll som antogs av International Network Working Group. EIN ersattes av Euronet 1979.
EPSS (Experimental Packet Switched Service ) var ett brittiskt postexperiment baserat på färgboksprotokoll som definierades av den brittiska akademiska världen 1975. Det var Storbritanniens första offentliga datanätverk när det gick i drift 1977. Ferranti levererade hårdvaran och mjukvaran. Behandlingen av kanalstyrningsmeddelanden (bekräftelser och flödeskontroll) skilde sig från de flesta andra nätverk.
General Electric Information Services ( GEIS ), General Electric var en stor internationell leverantör av informationstjänster. Företaget designade ursprungligen telefonnätet som ett internt (om än kontinentomfattande) telefonnät för röstkommunikation.
1965, på initiativ av Warner Sinback, designades ett datanätverk baserat på detta rösttelefonnätverk för att ansluta fyra GE datorförsäljnings- och servicecenter (Schenectady, New York, Chicago och Phoenix) för att underlätta tidsdelningstjänster för datorer.
Efter att ha gått internationellt några år senare startade GEIS ett nätverksdatacenter nära Cleveland, Ohio. Mycket lite har publicerats om de interna detaljerna i deras nätverk. Designen var hierarkisk med redundanta kommunikationslinjer.
IPSANET var ett semi-privat nätverk byggt av IP Sharp Associates för timesharing kundservice. Den togs i bruk i maj 1976.
Internetwork Packet Exchange ( IPX ) och Sequential Packet Exchange ( SPX ) är Novell-nätverksprotokoll baserade på Xerox Network Systems IDP- respektive SPP-protokoll. De användes främst i nätverk med Novell NetWare-operativsystem.
1965 utvecklade och föreslog Donald Davis från National Physical Laboratory (UK) ett nationellt dataöverföringsnät baserat på paketförmedling. Förslaget accepterades inte nationellt, men 1967 visade ett pilotexperiment möjligheten att bygga paketkopplade nätverk.
1969 började Davis bygga ett Mark I-paketförmedlat nätverk för att möta behoven hos ett multidisciplinärt laboratorium och för att testa tekniken i fältförhållanden. 1976 anslöts 12 datorer och 75 terminaler och fler tillkom tills nätverket byttes ut 1986. NPL, följt av ARPANET, var de två första nätverken som använde paketväxling och var sammankopplade i början av 1970-talet.
Octopus var det lokala nätverket för Lawrence Livermore National Laboratory. Han kopplade olika värdar i labbet till interaktiva terminaler och olika kringutrustning, inklusive ett masslagringssystem.
Philips Research Laboratories i Redhill, Surrey utvecklade ett paketkopplat nätverk för internt bruk. Det var ett datagramnätverk med en enda kopplingsnod.
PARC Universal Package ( PUP eller Pup) var en av de två första internetprotokollsviterna; den skapades av Xerox PARC-forskare i mitten av 1970-talet. Hela sviten tillhandahåller paketrouting och leverans, såväl som funktioner på högre nivå som tillförlitlig byteströmning, såväl som många applikationer. Ytterligare utveckling ledde till uppkomsten av Xerox Network Systems (XNS).
RCP var ett experimentellt nätverk skapat av franska PTT . Den användes för att få erfarenhet av paketväxlingsteknik innan TRANSPAC-specifikationen frystes. RCP var ett virtuellt kretsnätverk, till skillnad från CYCLADES, som var baserat på datagram. RCP betonar terminal-till-värd- och terminal-till-terminal-anslutningar; CYCLADES tog hand om kommunikationen mellan värdarna. TRANSPAC introducerades som ett X.25-nätverk. RCP påverkade X.25-specifikationen.
Red Especial de Transmisión de Datos är ett nätverk utvecklat av Compañía Telefónica Nacional de España. Hon tjänade 1972 och blev det första offentliga nätverket.
”Det experimentella skandinaviska paketkopplade telekommunikationsnätverket SCANNET implementerades i skandinaviska tekniska bibliotek på 1970-talet och inkluderade det första skandinaviska e-magasinet Extemplo. Biblioteken var också bland de första vid universiteten att installera mikrodatorer för allmänt bruk i början av 1980-talet."
SITA är ett konsortium av flygbolag. Dess nätverk på hög nivå togs i drift 1969 ungefär samtidigt som ARPANET. Den förde interaktiv trafik och trafik för meddelandeväxling. Som med många icke-akademiska nätverk har väldigt lite publicerats om det.
System Network Architecture ( SNA ) är IBMs egenutvecklade nätverksarkitektur skapad 1974. En IBM-kund kan köpa hårdvara och mjukvara från IBM och hyra privata linjer från en gemensam operatör för att bygga ett privat nätverk.