Комутація є необхідним елементом зв'язку вузлів між собою, що дозволяє скоротити кількість необхідних ліній зв'язку й підвищити завантаження каналів зв'язку. Практично неможливо надати кожній парі вузлів виділену лінію зв'язку, тому в мережах завжди застосовується той або інший спосіб комутації абонентів, що використовує існуючі лінії зв'язку для передачі даних різних вузлів.

 Мережею, що комутирується, називається мережа, у якій зв'язок між вузлами встановлюється тільки по запиту.

Абоненти з'єднуються з комутаторами виділеними (індивідуальними) лініями зв'язку. Лінії зв'язку, що з'єднують комутатори, використовуються абонентами спільно.

Комутація може здійснюватися у двох режимах: динамічно й статично. У першому випадку комутація виконується на час сеансу зв'язку (звичайно від секунд до годин) з ініціативи одного з вузлів, а по закінченні сеансу зв'язок розривається. У другому випадку комутація виконується обслуговуючим персоналом мережі на значно більше тривалий період часу (кілька місяців або років) і не може бути змінена з ініціативи користувачів. Такі канали називаються виділеними (dedicated) або орендованими (leased).

Дві групи способів комутації: комутація каналів (circuit switching) і комутація із проміжним зберіганням (store-and-forward). Друга група складається із двох способів: комутації повідомлень (message switching) і комутації пакетів (packet switching).

При комутації каналів між вузлами, яким необхідно встановити зв'язок один з одним, забезпечується організація безперервного складеного каналу, що складається з  послідовно з'єднаних окремих каналів між вузлами. Окремі канали з'єднуються між собою комутуючим устаткуванням (комутаторами). Перед передачею даних необхідно виконати процедуру встановлення з'єднання, у процесі якої створюється складений канал.

Під комутацією повідомлень розуміється передача єдиного блоку даних між вузлами мережі з тимчасовий буферизациєю цього блоку кожним із транзитних вузлів. Повідомленням може бути текстовий файл, файл із графічним зображенням, електронний лист - повідомлення має довільний розмір, обумовлений винятково його змістом, а не тими або іншими технологічними міркуваннями.

При комутації пакетів всі передані користувачем дані розбиваються передавальним вузлом на невеликі (до декількох кілобайт) частини – пакети (packet). Кожний пакет оснащується заголовком, у якому вказується, як мінімум, адреса вузла-одержувача й номер пакета. Передача пакетів по мережі відбувається незалежно друг від друга. Комутатори такої мережі мають внутрішню буферну пам'ять для тимчасового зберігання пакетів, що дозволяє згладжувати пульсації трафіка на лініях зв'язку між комутаторами. Пакети іноді називають дейтаграмами (datagram), а режим індивідуальної комутації пакетів – дейтаграмним режимом.

Мережа з комутацією пакетів сповільнює процес взаємодії кожної конкретної пари вузлів, оскільки їхні пакети можуть очікувати в комутаторах, поки передадуться інші пакети. Однак загальна ефективність (обсяг переданих даних в одиницю часу) при комутації пакетів буде вище, ніж при комутації каналів. Це пов'язане з тим, що трафік кожного окремого абонента носить пульсуючий характер, а пульсації різних абонентів, відповідно до закону більших чисел, розподіляються в часі, збільшуючи рівномірність навантаження на мережу.

Аналогові канали передачі даних.

Під каналом передачі даних (КПД) розуміється сукупність середовища передачі (середовища поширення сигналу) і технічних засобів передачі між канальними інтерфейсами. Залежно від форми інформації, що може передавати канал, розрізняють аналогові й цифрові канали.

Аналоговий канал на вході (і, відповідно, на виході) має безперервний сигнал, ті або інші характеристики якого (наприклад, амплітуда або частота) несуть передану інформацію. Цифровий канал приймає й видає дані в цифровий (дискретної, імпульсної) формі.

Аналогова модуляція

Оскільки мережі зв'язують цифрові комп'ютери, по каналу зв'язку необхідно передавати дискретні дані. Відповідно, при використанні аналогових сигналів необхідно деяке перетворення (кодування) переданих даних цими сигналами. Таке перетворення називається аналоговою модуляцією (або аналоговим кодуванням). У його основі лежить зміна однієї з характеристик синусоїдального несучого сигналу відповідно до послідовності переданих даних. Основні способи аналогової модуляції: амплітудна, частотна й фазова. Можливо також використання комбінованих методів, наприклад, сполучення амплітудної й фазової модуляцій.

При амплітудній (рис. 3.1 b) модуляції змінюється тільки амплітуда синусоїди несучої частоти, при передачі логічної одиниці видається синусоїда однієї амплітуди, а при передачі логічного нуля – іншої амплітуди. Цей спосіб у чистому виді має низьку помилкостійкість і застосовується рідко.

При частотній (рис. 3.1 c) модуляції змінюється тільки частота несучої – для логічної одиниці й логічного нуля вибираються синусоїди двох різних частот. Цей спосіб досить просто реалізувати, і часто застосовується при низькошвидкісній  передачі даних.

При фазовій (рис. 3.1 d) модуляції логічній одиниці й логічному нулю відповідають сигнали однакової амплітуди й частоти, але відрізняються по фазі (наприклад, 0 і 180 градусів).

З комбінованих методів широко використовуються методи квадратурної амплітудної модуляції (Quadrature Amplitude Modulation, QAM), що сполучать амплітудну модуляцію з 4 рівнями амплітуди й фазову модуляцію з 8 значеннями зрушення фази. З 32 можливих комбінацій амплітуди й зрушення фази для передачі даних у різних модифікаціях методу використовуються всього деякі, у той час, як всі інші комбінації є забороненими, що дозволяє поліпшити розпізнавання помилкових сигналів.

Рис. 3.1 Різні типи модуляції

Модеми

Пристрої, що виконують модуляцію й демодуляцію (відновлення з модульованого сигналу вихідних даних), називаються модемами (Модулятор-Демодулятор). Модеми класифікують по області застосування, функціональному призначенню, типу використовуваного каналу, підтримці протоколів модуляції, виправлення помилок і стиску даних, конструктивному виконанню.

По області застосування модеми можна розділити на наступні групи:

-         для телефонних каналів, що комутируються;

-         для виділених каналів;

-         для фізичних ліній:

-         вузькосмугові (baseband);

-         короткого радіуса дії (short range або line driver);

-         для цифрових систем передачі (CSU/DSU);

-         для стільникових систем зв'язку;

-         для радіоканалів з пакетною передачею;

-         для локальних радіомереж.

Модеми для телефонних каналів, що комутуються, призначені для широкого кола користувачів і найпоширеніші. Такі модеми повинні працювати в смузі пропускання 3,1 кГц у голосовому діапазоні (оскільки апаратура АТС не пропустить інші сигнали), уміти взаємодіяти з АТС – набирати номер в імпульсному або тоновому режимі, визначати сигнал "зайняте” і т.д.

Модеми для виділених орендованих каналів відрізняються від модемів для ліній, що комутируються, тільки в тім, що їм не потрібно взаємодіяти з апаратурою АТС для встановлення з'єднання. Вони теж повинні працювати у вузькій смузі пропускання.

Модеми для фізичних ліній не обмежені вузькою смугою пропускання, певної АТС (при цьому діють інші обмеження смуги, пов'язані з довжиною, екранованістю й іншими характеристиками лінії). Вузькосмугові модеми для фізичних ліній використовують методи модуляції, аналогічні застосовуваним у модемах для ліній, що комутуються, але за рахунок більше широкої смуги проскання, можуть досягати більше високих швидкостей передачі - 128 Кбіт/с і вище.

Модеми короткого радіуса дії використовують уже не аналогову модуляцію, а цифрові сигнали. Часто використовуються різноманітні методи цифрового кодування, що виключають постійну складову із сигналу.

Модеми для цифрових систем передачі забезпечують підключення до стандартних цифрових каналів (T1/E1, ISDN) і підтримують функції канальних інтерфейсів.

Модеми для стільникових систем зв'язку звичайно підтримують спеціальні протоколи модуляції й корекції помилок, що дозволяють працювати при параметрахсередовища передачі,  що часто змінюються й високому рівні перешкод.

Модеми для радіоканалів з пакетною передачею використовують ту саму смугу частот, у якій організується множинний доступ, наприклад, з контролем несучої. Швидкість передачі, що досягається при цьому, звичайно невисока - до 64 Кбіт/с, але відстань між станціями може становити кілька кілометрів.

Модеми для локальних радіомереж забезпечують передачу даних з високою швидкістю (до 16 Мбіт/с) на невеликі відстані (до 300 м). Для запобігання взаємного впливу декількох одночасно передавальних модемів використовуються різні способи, наприклад, псевдовипадкової перебудови робочої частоти або широкополосну передачу.

По методу передачі модеми звичайно ділять на синхронні й асинхронні. Оскільки модем зв'язаний, з одного боку, з комп'ютером, а з іншого боку - через канал - з іншим модемом, можливий асинхронно-синхронний режим роботи: модем одержує дані від комп'ютера асинхронно, а передає їх іншому модему в синхронному режимі.

Протоколи, що підтримуються модемами

Всі модемні протоколи можна розділити на міжнародні й фірмові. Часто фірмовий протокол, розроблений тією або іншою компанією, реалізують і інші виробники модемів, він стає стандартом де-факто, а потім на його основі виробляється міжнародний стандарт.

Міжнародні стандарти в області електрозв'язку випускаються Комітетом зі стандартизації комунікацій ITU-T (раніше називалася Міжнародним консультативним комітетом з телефонії й телеграфії, МККТТ - Comitet Consultatif Internationale de Telegraphique et Telephonique, CCITT) у формі рекомендацій. Рекомендації ITU-T, що стосуються модемів, ставляться до серії V.

Модемні протоколи можна розбити на кілька груп:

-         протоколи, що визначають з'єднання модему й каналу зв'язку: V.2, V.25 і ін.

-         протоколи, що визначають з'єднання модему з комп'ютером: V.10, V.11, V.14, V.25, V.25bis, V.28 і ін.

-         протоколи модуляції: V.17, V.22, V.32, V.32bis, V.32ter, V.34, V.90, HST, PEP, ZyX і ін.

-         протоколи корекції помилок: MNP1-MNP4, MNP6, MNP10, V.41, V.42;

-         протоколи стиску даних: V.42bis, MNP5, MNP7;

-         протоколи узгодження параметрів зв'язку: V.8;

-         протоколи діагностики модемів: V.51-V.54, V.56.

Режими передачі

Режим передачі визначає спосіб комунікації між двома вузлами.

При симплексному (simplex) режимі приймач і передавач зв'язується лінією зв'язку, по якій інформація передається тільки в одному напрямку. Передавальний вузол у симплексному режимі повністю займає канал. Приклади: радіомовлення, телемовлення.

Напівдуплексний (half duplex) режим допускає передачу у двох напрямках, але в різні моменти часу. Два вузли зв'язуються таким каналом зв'язку, що дозволяє їм по черзі (але не одночасно) передавати інформацію. Для зміни напрямку передачі, як правило, використовується передача спеціального сигналу й одержання підтвердження.

Дуплексний або повнодуплексний (duplex, full duplex) режим  дозволяє одночасно передавати інформацію у двох напрямках. У найпростішому випадку для дуплексного зв'язку використовується дві лінії зв'язку (прям і зворотна), але існують рішення, що дозволяють підтримувати дуплексний режим на єдиній лінії (наприклад, обидва вузли можуть одночасно передавати дані, а із прийнятого сигналу віднімати власні дані). Дуплексний режим може бути симетричним (смуга пропускання каналу однакова в обох напрямках) або асиметричним.

Асинхронна, синхронна, ізохронна й плезиохронна передача

Для послідовної передачі даних досить однієї лінії, по якій можуть послідовно передаватися біти даних. Приймач повинен уміти розпізнавати, де починається й де закінчується сигнал, що відповідає кожному біту даних. Інакше кажучи, передавач і приймач повинні вміти синхронізуватися. Якщо якість синхронізації низька (за час передачі одного біта неузгодженість досягає декількох відсотків), використовується асинхронний (asynchronous) режим: виконується узгодження синхрогенераторів на початку передачі кожного байта. Як правило, передача байта починається зі спеціальний старт-біта, потім йдуть біти даних, а за ними, можливо, біт парності. Після всіх бітів даних передається стоп-битий. Старт-біт і стоп-біт завжди мають певне значення: старт-біт кодується логічним нулем, а стоп-біт - логічною одиницею. Між передачею стоп-біта одного байта й старт-біта наступного байта може проходити довільний час. Асинхронний режим сильно залежить від погрішностей синхрогенераторів, що задає моменти прийому бітів. Чим вище швидкість передачі, тим більше ця погрішність. У результаті цих і деяких інших обмежень швидкість передачі в асинхронному режимі обмежена сотнями кілобит у секунду (стандартні швидкості: 50, 75, 110, 150, 300, 600, 1200, 2400, 4800, 9600, 19200, 38400, 57600, 115200 біт/с).

Якщо синхронізація дуже якісна (наприклад, використовується додаткова лінія, по якій передаються синхросигнали), то можна передавати потік даних без додаткової синхронізації окремих байтів. Такий режим називається синхронним (synchronous). Передача бітів даних випереджається й закінчується видачею в канал символу синхронізації. При відсутності даних передавач повинен постійно передавати в канал символи синхронізації.

У випадку ізохронної (isochronous) передачі відправлення кадрів даних відбувається в задані (відомі приймачу й відправникові) моменти часу. При цьому дані, переданим одним вузлом з постійною швидкістю, будуть надходити до приймача з тією же швидкістю. Ізохронна передача необхідна, наприклад, для доставки оцифрованого відеозображення або звуку.

Плезиохронна (plesiochronous) передача вимагає внутрішньої синхронізації вузлів від джерел з номінально співпадаючими частотами. Термін "плезиохронна” означає "майже синхронна”, оскільки частоти джерел точно не збігаються, і згодом накопичується розбіжність, що компенсується вставкою фіктивних даних.