Комутација на пакети

Пол Баран и Доналд Дејвис независно еден од друг го вовеле концептот на дигитално преклопување на пакети во мрежната комуникација, вклучувајќи го интернет.

Комутација или преклопување на пакети е метод на дигитална мрежна комуникација која ги дели податоците кои се праќаат во податочни болокови со оптимална големина, наречени податочни пакети, без разлика на нивната содржина, тип или структура. Комутацијата на пакети се одликува со променлива брзина на податочниот проток кај споделените мрежи. При поминување низ мрежните приспособувачи, преклопувачи, насочувачи и други мрежни јазли, пакетите се чуваат во мемориски региони наречени бафери, каде се подредуваат, што доведува до променливо задоцнување и пропусен опсег кои зависат од оптовареноста на мрежата.

Друга основна парадигма за мрежна комуникација, која се разликува од методот на комутирање на пакети е комутацијата на кола. Со овој метод се резервираат конечен број на посветени врски со константна податочна брзина и константно задоцнување помеѓу јазлите, за ексклузивна употреба за време на комуникациската сесија. Во случај на трошоци при користен мрежен сообраќај, на пример кај мобилната телефонија, кај комутацијата на кола трошокот се пресметува по временска единица(цена/време), дури и кога не се праќаат податоци. Додека кај комутацијата на пакети, трошокот се пресметува по информациска единица(цена/информација).

Се користат два главни пристапи. Првиот е со користење на датаграми, а вториот е со виртуелни кола. Кај првиот пристап секој пакет содржи информации за насочување или изворната и целната адреса. Секој од пакетите се насочува посебно, што резултира со различни патеки на пренесување и нередоследно пристигање на пакетите. Кај вториот пристап, пред да се испрати било кој пакет, се воспоставува претходно испланирана патека т.н. виртуелна патека. При ваквиот пристап, пакетите во себе вклучуваат индетификатор на виртуелната врска, наместо информации за адреси, и тие пристигаат до целта по редослед.

Комуникацијата со пакети може да се оствари со и без посредни јазли. Кај сите комуникации засновани на пакети, мрежните ресурси се управувани со статистичко милтиплексирање или динамичка алокација на податочната брзина, каде комуникацискиот канал е поделен на произволен број на логички канали со променлива брзина на пренос или податочни протоци. Алтернативно, пакетите може да бидат препраќани според некоја шема или распоред за рамноправност или со некои механизми на одредување на различен приоритет за различни пакети со цел поквалитетен пренос(quality of service), како што се препраќањето по групи(pipelinе forwarding) и временско доделување на приорите(time driven priority-TDP). Со секое чување на пакетите во бафери се појавува задоцнување и промена на податочна брзина при пренос. Во случај на споделен физички медиум, пакетите може да се доставуваат според некоја шема на повеќекратен пристап до медиумот(мрежата).

Концептот на комутација на мали блокови на податоци првпат бил претставен од Пол Баран во раните 1960-ти години. Истовремено, истата идеја ја развил и Доналд Дејвис од Обендинетото Кралство во Националната Лабораторија по Физика.

Лионард Клајнрок спровел истражување за теоријата на редење која ќе се покаже како многу важна за комутацијата на пакети, а во 1961 година издал книга од областа на преклопување на дигитални пораки. Подоцна имал значајна улога во градењето и водењето на првата мрежа која поддржувала комутација на пакети, АРПАНЕТ.

Баран за време на истражувањето, во РАНД корпорацијата, за преживувачки комуникациски мрежи наманети за Американската Авијација, го развил концептот на преклопување на блок пораки. Првпат го претставил на Американската Авијација, летото 1961 како брифинг Б-265^[1], а потоа во 1962 го издал како Документ П-2626 во споственост на РАНД [1]. Потоа ја проширува истата и додава уште 11 документи и во 1961 ги издава како "За Дистрибуираните Коминикации"(On Distributed Communications)[2]. Во П-2626 е опишана архитектура за дистрибуирана преживувачка комуникациска мрежа од голем размер. Документот се фокусира на три клучни идеи. Првата е употреба на децентрализирана мрежа со повеќе патеки помеѓу две комуникациски точки. Втората, разделување на корисничките пораки во блокови(претходници на пакетите). Третата, доставувањето/преносот на овие болокови да биде преку комутација зачувај-препрати.

Идеите и истрачувањата на Баран, стигнале до Роберт Тејлор и Џозеф Ликлидер, стручњаци за широко распространети мрежи. Овие идеи го убедиле Лоренс Робертс, кој бил поставен од Тејлор за одговорен за развој на АРПАНЕТ, да ја користи оваа технологијата на комутација на пакети.

Истражувањата на Барана биле слични на истражувањата кои Дејвис самостојно ги извел во Националната Лабораторија по Физика во Велика Британија. Во 1965г. Дејвис го развил концептот за комутација на пакети и дал предлог за изградба на широко распространета мрежа во Велика Британија. Во 1966 година, на говорот за неговиот предлог, човек од министерството за одбрана на САД му укажал на сличноста на неговите истражувања со оние на Баран. Па во 1967 година на симпозиумот на АЦМ за Принципите на Оперативните Системи, дошло до средба на човек од тимот на Дејвис со Лоренс Робертс, која потоа резултирала со обединување на двете групи.

Интересно е тоа што Дејвис ги одбрал истите параметри за дизајнот на мрежата исто како Баран, како на пример големината од 1024 бити на пакетите. Во 1966, Дејвис предложува да се изгради мрежа во Националната Лабораторија за да служи за потребте на истата и притоа ја докажал надежноста на методот на преклопување на пакети. Податочната комуникациска мрежа на НЛФ била во функција во 1970 година. Робертс и тимот на Арпанет го користат називот на Дејвис, за оваатехнологија, "преклопување на пакети"(packet switching).

Првата компјутерска мрежа со технологијата на комутација на пакети која се користела за размена на компјутерски ресурси била Октопус Мрежата(Octopus Network) на Националната Лабораторија Лоренс Ливрмор, која била во употреба од 1968. Поврзувала 4 компјутери од типот Control Data 6600 со неколку уреди за сладирање(вклучувајќи еден IBM 2321 Data Cell^[2] во 1968 и еден an IBM Photostore^[3] во 1970) и со неколку стотици терминали со временска поделба од типот ASR-33 Teletype^[4].

Сервисот кој им е овозможен на корисниците на мрежи со комутација на пакети може да биде без воспоставување на врска т.е со користење на датаграми или со воспоставување на логичка врска, познато како преклопување на виртуелни кола. Протоколи за мрежи кои не воспоставуваат врска се: Етернет, Интернет протокол и Кориснички протокол. А протоколи за мрежите кои воспоставуваат логичка врска се: X.25, Препраќање на рамки(Frame relay), Режим на асинхрон пренос(ATM), Multiprotocol Label Switching(MPLS) и Протокол за конторла на пренос(TCP).

Кај мрежите каде се воспоставува логичка врска секој пакет има индетификатор ID, а не адреса. Информации за адресата се пренесуваат до секој јазел при воспоставување на врската, кога ќе се дознае целта на патеката се внесува податок во преклопувачките табели на секој јазел. Сигнализирачките протоколи кои се користат, овозможуваат апликацијата да ги специфицира своите побарувања, а мрежата да специфицира колкав капацитет и други параметри се достапни и се договараат вредности на тие параметри на сервис. Насочување на пакет е многу едноставно, јазелот само треба да го побара индетификаторот во табелата. Заглавјето на пакетот ќе биде мало, затоа што би содржело само индетификатор и информации како должина, временски печат или секвенцен број, кои се различни за различни пакети.

Кај сервисот без воспоставување на врска секој пакет е означен со целна адреса, изворна адреса и броеви на порти, а можно е да имаат и секвенцни броеви. Овие неколку атрибути ја исклучуваат потребата од посветена патека, но поради нив заглавјето е поголемо,содржи повеќе информации и овие информации мора да бидат најдени во содржински адресибилна меморија која користи многу енергија. Секој пакет може да има поинаква патека. И системот треба да вложи напор за секој пакет толку колку што системот со воспоставување на врски вложува за поставување на виртуелната врска. На целта оригиналната порака се составува врз основа на секвенцните бројки на пакетите. Затоа виртуелната врска, позната како виртуелно коло е овозможена за корисникот од протоколи кои работат на трансспортното ниво, иако посредничките мрежни јазли овозможуваат само сервис без воспоставување на врска на мрежниот слој.

Со комутацијата на пакети се оптимизира употребата на капацитетот на каналот кој е достапен кај дигиталните комуникациски мрежи, како што се компјутерските мрежи, да го сведе до минимум доцнењето на преносот и комуникацијата да биде што е можно поотпорна на грешки т.е. да се справува со нив.

Најпознатиот пример за мрежа каде се користи комутацијата на пакети се Интернетот и локалната мрежа(LAN). Интернетот е имплементиран со TCP/IP архитектура на протоколи користејќи различни протоколи на поврзувачкото ниво. Најчесто се користат Етернет и Препраќање на рамки. Комутација на пакети се користи и кај комуникацијата со мобилен телефон.

Протоколот X.25 е еден од почесто користените кај мрежите со комутација на пакети, кој иако е заснован на комутација на пакети, овозможува виртуелни кола. Преку овие виртуелни кола се пренесуваат пакети со различна големина. Во 1978 со X.25 протоколот е остварена првата интернационална комерцијална мрежа, International Packet Switched Service(IPSS), која работи со комутација на пакети. Режимот на асинхрон пренос(ATM) е исто така протокол за виртуелни кола, која користи клетки, наместо пакети, кои се за разлика од пакетите со фиксна големина.

Кај преклопувањето на кола без воспоставување на врска т.е. со користење на датаграми, се наоѓаат протоколи како Повеќе протоколното преклопување на лабели(Multiprotocol Label Switching -MPLS) и протокол за резервирање на ресурси(resource reservation protocol- RSVP), кои создаваат виртуелни кола кај мрежи кој поддржуваат комуникација со датаграми. Виртуелните кола се особено корисни кога се градат редундантни мрежи отпорни на грешки и при алоцирање на поголем пропусен опсег за апликации чувствителни на задоцнување.

MPLS и неговите претходници, па и ATM, се наречени технологии со брзи пакети(fast packet technologies). MPLS е познат и како "ATM без ќелии"^[5]. Но овие протоколи веќе не им се потребни на современите насочувачи, за да препраќаат пакети со различна големина, со гигабитни брзини.

Двата се стандарди за комутација на пакети со воспоставување на логичка врска т.е. виртуелни кола. Главната разлика тоа што X.25 е доверлив протокол, затоа што испраќањето на секој пакет помеѓу два соседни јазли е контролирано од механизам за контрола на грешки каде примачот го известува праќачот, со порака, дека пакетот пристигнал кај него(ARQ). Додека препраќањето на рамки е недоверлив протокол и максималната големина на пакетот е 1000 бајти. X.25 протоколот работи на мрежниот слој и е дел од X.25 стандардот за протоколи, познат како OSI стандард за протоколи. Широко е употребуван во 1980-тете, кај мрежите со релативно мали брзини на проток, на пример како алтернатива за терминали со преклопување на кола и за банкомати. Препраќањето на рамки е следбеник на X.25 протоколот. Едноставноста на овој протокол, го прави истиот прилично побрз и поекономичен во споредба со X.25. Овој протокол работи на податочното ниво и не обезбедува логичко адресирање и насочување. Се користи кај полупостојани врски, додека X.25 врски може да се воспостават за секоја комуникациска сесија. Во 1990-тите, препраќањето на рамки се користело за поврзување на локални мрежи со други локални мрежи или сегменти на локлани мрежи, од страна големи компании кои одржувале широко распространети телекомуникациски мрежи^[6]. Покрај предностите што ги нуди препраќањето на рамки, некои компании си остануваат доследни на X.25 стандардот. Во САД, X.25 воглавно се користел кај владините и финансиските мрежи кои користеле мејнфрејм апликации. Многу компании не се префрлаат од X.25 на препраќање на рамки, затоа што поекономично им е да користат X.25 на поспори мрежи. А во некои делови на светот, како Азискиот брег на тихиот океан и Јужна Америка, X.25 бил единствен достапен протокол^[7].