Глобальные связи на основе сетей с коммутацией каналов
Выделенные линии представляют собой наиболее надежное средство соединения локальных сетей через глобальные каналы связи, так как вся пропускная способность такой линии всегда находится в распоряжении взаимодействующих сетей. Однако это и наиболее дорогой вид глобальных связей - при наличии N удаленных локальных сетей, которые интенсивно обмениваются данными друг с другом, нужно иметь Nx(N-l)/2 выделенных линий. Для снижения стоимости глобального транспорта применяют динамически коммутируемые каналы, стоимость которых разделяется между многими абонентами этих каналов.
Наиболее дешевыми оказываются услуги телефонных сетей, так как их коммутаторы оплачиваются большим количеством абонентов, пользующихся телефонными услугами, а не только абонентами, которые объединяют свои локальные сети.
Телефонные сети делятся на аналоговые и цифровые в зависимости от способа мультиплексирования абонентских и магистральных каналов. Более точно, цифровыми называются сети, в которых на абонентских окончаниях информация представлена в, цифровом виде и в которых используются цифровые методы мультиплексирования и коммутации, а аналоговыми - сети, которые принимают данные от абонентов аналоговой формы, то есть от классических аналоговых телефонных аппаратов, а мультиплексирование и коммутацию осуществляют как аналоговыми методами, так и цифровыми. В последние годы происходил достаточно интенсивный процесс замены коммутаторов телефонных сетей на цифровые коммутаторы, которые работают на основе технологии TDM. Однако такая сеть по-прежнему останется аналоговой телефонной сетью, даже если все коммутаторы будут работать по технологии TDM, обрабатывая данные в цифровой форме, если абонентские окончания у нее останутся аналоговыми, а аналого-цифровое преобразование выполняется на ближней к абоненту АТС сети. Новая технология модемов V.90 смогла использовать факт существования большого количества сетей, в которых основная часть коммутаторов являются цифровыми.
К телефонным сетям с цифровыми абонентскими окончаниями относятся так называемые службы Switched 56 (коммутируемые каналы 56 Кбит/с) и цифровые сети с интегральными услугами ISDN (Intergrated Services Digital Network). Службы Switched 56 появились в ряде западных стран в результате предоставления конечным абонентам цифрового окончания, совместимого со стандартами линий Т1. Эта технология не стала международным стандартом, и сегодня она вытеснена технологией ISDN, которая такой статус имеет.
Сети ISDN рассчитаны не только на передачу голоса, но и компьютерных данных, в том числе и с помощью коммутации пакетов, за счет чего они получили название сетей с интегральными услугами. Однако основным режимом работы сетей ISDN остается режим коммутации каналов, а служба коммутации пакетов обладает слишком низкой по современным меркам скоростью - обычно до 9600 бит/с. Поэтому технология ISDN будет рассмотрена в данном разделе, посвященном сетям с коммутацией каналов. Новое поколение сетей с интеграцией услуг, названное B-ISDN (от broadband - широкополосные), основано уже целиком на технике коммутации пакетов (точнее, ячеек технологии АТМ), поэтому эта технология будет рассмотрена в разделе, посвященном сетям с коммутацией пакетов.
Выделенные линии представляют собой наиболее надежное средство соединения локальных сетей через глобальные каналы связи, так как вся пропускная способность такой линии всегда находится в распоряжении взаимодействующих сетей. Однако это и наиболее дорогой вид глобальных связей - при наличии N удаленных локальных сетей, которые интенсивно обмениваются данными друг с другом, нужно иметь Nx(N-l)/2 выделенных линий. Для снижения стоимости глобального транспорта применяют динамически коммутируемые каналы, стоимость которых разделяется между многими абонентами этих каналов.
Наиболее дешевыми оказываются услуги телефонных сетей, так как их коммутаторы оплачиваются большим количеством абонентов, пользующихся телефонными услугами, а не только абонентами, которые объединяют свои локальные сети.
Телефонные сети делятся на аналоговые и цифровые в зависимости от способа мультиплексирования абонентских и магистральных каналов. Более точно, цифровыми называются сети, в которых на абонентских окончаниях информация представлена в, цифровом виде и в которых используются цифровые методы мультиплексирования и коммутации, а аналоговыми - сети, которые принимают данные от абонентов аналоговой формы, то есть от классических аналоговых телефонных аппаратов, а мультиплексирование и коммутацию осуществляют как аналоговыми методами, так и цифровыми. В последние годы происходил достаточно интенсивный процесс замены коммутаторов телефонных сетей на цифровые коммутаторы, которые работают на основе технологии TDM. Однако такая сеть по-прежнему останется аналоговой телефонной сетью, даже если все коммутаторы будут работать по технологии TDM, обрабатывая данные в цифровой форме, если абонентские окончания у нее останутся аналоговыми, а аналого-цифровое преобразование выполняется на ближней к абоненту АТС сети. Новая технология модемов V.90 смогла использовать факт существования большого количества сетей, в которых основная часть коммутаторов являются цифровыми.
К телефонным сетям с цифровыми абонентскими окончаниями относятся так называемые службы Switched 56 (коммутируемые каналы 56 Кбит/с) и цифровые сети с интегральными услугами ISDN (Intergrated Services Digital Network). Службы Switched 56 появились в ряде западных стран в результате предоставления конечным абонентам цифрового окончания, совместимого со стандартами линий Т1. Эта технология не стала международным стандартом, и сегодня она вытеснена технологией ISDN, которая такой статус имеет.
Сети ISDN рассчитаны не только на передачу голоса, но и компьютерных данных, в том числе и с помощью коммутации пакетов, за счет чего они получили название сетей с интегральными услугами. Однако основным режимом работы сетей ISDN остается режим коммутации каналов, а служба коммутации пакетов обладает слишком низкой по современным меркам скоростью - обычно до 9600 бит/с. Поэтому технология ISDN будет рассмотрена в данном разделе, посвященном сетям с коммутацией каналов. Новое поколение сетей с интеграцией услуг, названное B-ISDN (от broadband - широкополосные), основано уже целиком на технике коммутации пакетов (точнее, ячеек технологии АТМ), поэтому эта технология будет рассмотрена в разделе, посвященном сетям с коммутацией пакетов.
Пока географическая распространенность аналоговых сетей значительно превосходит распространенность цифровых, особенно в нашей стране, но это отставание с каждым годом сокращается.
2.2 Обзор импортных систем коммутации
Для моего дипломного проекта наиболее подходят следующие коммутационные системы: DX-200 фирмы "Telenokia" (Финляндия), SI 2000 фирмы "Iskratel" (Словения), AXE-10 фирмы "Ericsson" (Швеция), EWSD фирмы "Siemens" (Германия), S12 Alkatel фирмы "Alkatel" (Германия).
Электронная цифровая коммутационная система DX-200.Система DX-200 активно используется во всем мире уже в течение многих лет и за это время заслужила уважение своей надежной и качественной работой. Система DX-200 характеризуется временным разделением каналов в коммутационном поле и цифровым способом передачи информации на основе системы передачи ИКМ-30/32. Управление осуществляется по записанной программе с применением распределенных функциональных управляющих устройств, реализованных на микропроцессорах. Система построена по модульному принципу, как аппаратных средств, так и программного обеспечения. Все функциональные блоки и программные средства подразделяются на независимые друг от друга модули. Модули взаимодействуют посредством стандартизированных сигналов.
Cистема DX-200 может использоваться в качестве опорной станции, транзитной станции, а также абонентских концентраторов.Опорная станция обеспечивает установление оконечных соединений между телефонными аппаратами абонентов местных сетей, а также выход на зоновые, междугородние и международние сети. Станции предназначены также для работы на районированных сетях с узлами входящего и исходящего сообщения, а также на сетях без узлообразования. На сетях может использоваться 5-, 6- и 7- значная нумерация, а также смешенная нумерация.
Транзитная станция предназначена для коммутации каналов, пропуска транзитной нагрузки на городскую телефонную станцию и обеспечивает организацию узлов входящего сообщения, узлов исходящего сообщения, узлов входящего междугороднего сообщения, узлов заказно-соединительных линий, совмещенных узлов, объединяющих вышеперечисленные узлы, узлов учрежденческих сетей.
Система DX-200 обеспечивает взаимодействие с существующими на сетях станциями: декадно-шаговыми, координатными, квазиэлектронными автоматическими телефонными станциями, а также со специальными информационными службами городской телефонной станции.
Для абонентов DX-200 предусмотрен целый ряд дополнительных видов услуг:
1) сокращенный набор номера;
3) повторный вызов без нового набора номера;
5) передача вызова в случае занятости вызываемого абонента на другой телефонный аппарат;
6) передача вызова на автоинформатор или телефонистке;
7) определение номера вызываемого абонента.
В системе DX-200 повременной учет стоимости разговора осуществляется при исходящей связи с учетом категории абонентов.
В состав системы DX-200 входят два типа автоматических телефонных станций: DX-210 и DX-220. Станция DX-210 в основном испольуется в качестве автоматической телефонной станции малой емкости . Основные характеристики системы DX-200 приведены в таблице 2.2.
Электронная цифровая коммутационная система SI 2000.Система SI 2000 предназначена для обслуживания телефонных сетей пригородной и сельской местности. Передовая концепция организации сети SI 2000 является базовой стратегией. В противоположность другим решениям данная концепция обеспечивает несравнимую экономическую выгоду и гибкость. Сети связи многих стран большей частью являются еще аналоговыми, и осуществить немедленную цифровизацию всех путей передачи практически невозможно. Наряду со стандартными возможностями система SI 2000 имеет еще некоторые специфические особенности, служащие для оптимизации решений, связанных с созданием цифровой сети связи.
Во всех телефонных станциях SI 2000 интегрированы аналоговые линейные комплекты. Такое решение для имеющегося аналогового оборудования передачи является экономически наиболее выгодным.
Разработка оптимизированной сети, ориентированной на пригородную и сельскую местность, требует создания цифровых островов. Способность SI 2000 синхронизироваться от цифровой сети позволяет выполнить цифровизацию подчиненных оконечных автоматических телефонных станций и трактов передачи. Для обеспечения беспрепятственного развития сети связи узловая SI 2000 будет выполнять в целом коммутацию и аналого-цифровое преобразование. Если будет смонтирована главная цифровая городская автоматическая телефонная станция, синхронизация SI 2000 будет выполняться от нее без какого-либо дополнительного оборудования.
Абонентом системы SI 2000 предоставляет следующие услуги:
2) наличие контрольного счетчика у абонента;
3) наблюдение;
5) переадресация вызова;
6) сокращенный набор номера (прямой вызов);
7) установка на ожидание
и многие другие со всей необходимой поддержкой по учету их стоимости.
Выносные модули в SI 2000 оптимизированы в соответствии с передовой концепцией организации сети. При возникновении потребности в больших емкостях используется автономные автоматические телефонные станции семейства SI 2000. Автономная автоматическая телефонная станция может быть преобразована в выносной модуль или, наоборот, без каких-либо изменений в аппаратных средствах.
Передача по маршрутам большой протяженности в сельской местности является более дорогостоящей, чем в городских зонах. Для того, чтобы сэкономить на оборудовании передачи, в систему SI 2000 интегрировано, в качестве обязательного, устройство ответвления каналов тракта ИКМ–30. В одном тракте ИКМ поток может быть разделен максимально по 15 станциям. Оборудование передачи данных может вводить или выделять свыше двух потоков данных со скоростью 64 килобит в секунду.
Основными достоинствами системы SI 2000 является надежность (менее 0,5 отказов на 100 линий в год), простота, распределенность и модульность, экономичность [ 7 ].
Основные характеристики системы SI 2000 приведены в таблице 2.2.
Электронная автоматическая коммутационная система AXE-10.Система коммутации AXE-10 может использоваться в качестве опорной автоматической телефонной станции, в качестве различных узлов связи (включая международние), а также в качестве центральных, узловых и оконечных автоматических телефонных станций малой емкости на сельских телефонных сетях.
В зависимости от варианта предлагаемого использования различают:
1) местную станцию AXE;
2) транзитную станцию;
3) станцию мобильной (подвижной) связи для создания сотовой сети связи.
Максимальная емкость AXE-10, используемой в качестве местной автоматической телефонной станции, составляет 200000 абонентских линий при средней продолжительности разговора 100 секунд и нагрузке на одну абонентскую линию до 0,1 эрланга.
Транзитная станция типа AXE-10 рассчитана до 2048 цифровых соединительных линий, позволяет пропускать нагрузку транзита до 200 тысяч абонентских линий, включаемых в местные автоматические телефонные станции. Допустимая нагрузка на один канал соединительной цифровой линии установлена равной 0,8 Эрланга.
Для аналого-цифрового преобразования используется импульсно-кодовая модуляция со скоростью передачи информации 2048 килобит в секунду.
Обмен управляющими сигналами с координатными автоматическими телефонными станциями осуществляется на базе системы сигнализации R2 посредством многочастотного кода "2 из 6".
При междугородней связи используется преимущественно одночастотная система сигнализации, применяется также система сигнализации по общему каналу сигнализации №7.
Посредством системы эксплуатации и технического обслуживания обеспечивается постоянное и всестороннее наблюдение за порядком и результатами установления соединений, контроль поступающей нагрузки.
Основные услуги, предоставляемые абонентам:
1) сокращенный набор номера;
3) наведение справки во время разговора;
4) переадресация вызова к телефону или на автоинформатор;
5) автоматическая конференц-связь;
6) установка на ожидание в случае занятости абонента с уведомлением;
7) вызов абонента по заказу;
8) сопровождающий вызов;
9) переключение на другой аппарат при занятости или при не ответе абонента;
10) ограничение исходящей связи;
11) определение номера вызывающего абонента при наличии заявки от вызывающего абонента;
12) автоматическая побудка.
Система коммутации может быть использована для планирования и разработки сетей связи в сельской местности. При этом должны учитываться большие расстояния, низкая телефонная плотность. В основе системы AXE-10 для сельской местности лежит тот же состав оборудования, что и для цифровой сети города. Дополнительно включается в поставку удаленный абонентский мультиплексор, позволяющий подключить до 128 абонентских линий. Предусмотрено использование кабельных цифровых линий связи или линий радиосвязи для соединения удаленных абонентских мультиплексоров с опорной автоматической телефонной станцией. Разработаны варианты размещения оборудования в специальных контейнерах, содержащих необходимые устройства для включения в сеть электропитания немедленного ввода в эксплуатация.
Для абонентов учрежденческого сектора специально разработаны такие услуги, как Центрекс и передача данных по специально выделенным каналам. С помощью этой услуги часть абонентов системы коммутации объединяется в группы с закрытой нумерацией и общим вызовом со стороны телефонной сети по выделенному номеру. Практически могут создаваться учрежденческие автоматические телефонные станции на базе одного и того же оборудования коммутации.
Система коммутации AXE-10 рассчитана на использование в качестве центральной станции сотовой сети связи типа NMT-450. Разработка специальной подсистемы для включения подвижной телефонной связи позволила организовать сопряжение системы AXE-10 с базовыми станциями сотовой связи .
Основные характеристики системы AXE-10 приведены в таблице 2.2.
Электронная автоматическая коммутационная система EWSD.Система EWSD приобрела прекрасную репутацию во многих странах мира благодаря своей надежности, экономической эффективности и многообразию предоставляемых услуг.
Цифровая электронная станция EWSD применяется: с использованием удаленного цифрового блока для оптимизации абонентской сети или для внедрения в зоне новых услуг, в качестве местной телефонной станции, в качестве транзитной телефонной станции, в качестве городской и транзитной междугородней станции, в качестве коммутационного центра для подвижных объектов, в качестве сельской станции, станции малой емкости, как контейнерная станция, в качестве коммутационной системы, в качестве центра эксплуатации и технического обслуживания группы станций, в качестве узла в системе общеканальной сигнализации, в цифровой сети интегрального обслуживания, для предоставления специальных услуг.
EWSD обеспечивает эксплуатационные компании многими преимущественными возможностями, которые, в свою очередь, обуславливаются универсальностью, гибкостью и эксплуатационными качествами коммутационной системы. К основным характерным возможностям EWSD можно отнести: интегрированный надзор, включающий надзор за работой, индикацию ошибок, процедуры анализа ошибок и их диагностику, внедрение в существующие сети, выбор маршрута, выбор альтернативного маршрута, регистрация учета стоимости телефонных разговоров, измерение нагрузки, управление базой данных и других.
В EWSD могут быть использованы все стандартные системы сигнализации. Передача сигнализации также осуществляется стандартными системами. Станция может работать как с абонентами с декадным набором номера, так и с абонентами с тональным набором номера. Для регистрации учета стоимости используются все стандартные методы.
Аналоговому абоненту могут быть представлены следующие виды услуг:
1) сокращенный набор номера;
2) соединение без набора номера (прямая связь);
3) соединение без выдержки времени;
4) передача входящего вызова при отсутствии абонента на службу отсутствующих абонентов;
5) автоинформатор с заранее записанными фразами;
7) временный запрет входящей связи;
8) постановка вызова на ожидание (в случае занятости вызываемого абонента);
9) наведение справки во время разговора;
10) конференц-связь;
11) распечатанная запись длительности и стоимости разговора;
12) автоматическая побудка;
13) специальный абонент;
14) приоритет вызовов
и другие.
Для абонентов цифровой сети интегрального обслуживания дополнительно могут быть предоставлены следующие виды услуг:
1) подключение до восьми оконечных устройств одновременно;
2) изменение оконечного устройства, выбор оконечного устройства;
3) мобильность оконечного устройства;
4) индикаторы услуги;
5) изменение услуги во времени вызова;
6) работа с одновременным пользованием двумя услугами;
7) регистрация учета стоимости разговора по отдельным услугам;
8) вызова, оплачиваемые абонентом и другие .
Основные характеристики системы EWSD приведены в таблице 2.2.
Электронная автоматическая коммутационная система Alkatel S12. При разработке системы большое внимание уделялось проблемам экономичности в производстве и эксплуатации. Экономичность производства обеспечивается высокой степенью унификации оборудования.
Главной функциональной характеристикой станции "Alkatel S12" является децентрализованная структура, основанная на полностью распределенном управлении, как функциями обработки информации, так и непосредственно процессами коммутации.
В сочетании с модульностью аппаратных и программных средств распределенное управление обеспечивает:
1) высокую надежность работы оборудования;
2) возможность построения станции в широком диапазоне емкостей;
3) гибкость в плановом наращивании емкостей системы по требованиям заказчика;
4) устойчивость к изменениям системных требований в будущем, поскольку новые применения будут связаны только с доукомплектованием станции новыми аппаратными или программными модулями без изменения архитектурных принципов и базовых аппаратно-программных средств;
5) упрощение программного обеспечения.
Модульная архитектура станции обеспечивает гибкое внедрение новых технологических решений и предоставление новых услуг в условиях эксплуатации без перерывов в работе. Новые технологические решения и версии программного обеспечения внедрены на сетях различных стран, доведя "Alkatel S12" до совершенного уровня соответствия требованиям к функциональным и технико-эксплуатационным характеристикам, а также обеспечив ее дальнейший эволюционный переход к узкополосной и широкополосной цифровой сети интегрального обслуживания.
Оборудование станции "Alkatel S12" предназначено для применения на сетях общего и специального назначения, охватывая спектр применения от малых вынесенных абонентских блоков до крупных городских и междугородних станций. Основными вариантами конфигурации оборудовании являются:
1) городские автоматические телефонные станции малой емкости (от 256 до 5376 абонентских линий);
2) городские автоматические телефонные станции средней и большой емкости (до 100000 абонентских линий);
3) транзитные узлы коммутации (до 60000 соединительных линий);
4) вынесенные абонентские концентраторы (до 976 абонентских линий).
Станции "Alkatel S12" обеспечивает предоставление абонентам следующих видов связи:
1) автоматическая внутренняя связь между всеми абонентами станции;
2) автоматическая входящая и исходящая местная связь к абонентам других станций;
3) транзитная связь между входящими и исходящими линиями;
4) автоматическая связь внутри определенной группы абонентов;
5) автоматическая исходящая связь к справочным службам;
6) полупостоянная коммутация.
Абонентам "Alkatel S12" предоставляются следующие виды дополнительных телефонных видов услуг:
1) переадресация входящего вызова к другому аппарату;
2) переадресация вызова в случае занятости абонента;
3) переадресация входящего вызова на автоинформатор или оператора;
4) сопровождающий вызов по паролю на аппарат, с которого заказывались услуги;
5) поисковая сигнализация;
6) установка на ожидание освобождения вызываемого абонента (ожидание с обратным вызовом);
7) повторный вызов без набора номера;
8) соединение с абонентом по предварительному заказу;
9) конференц-связь и другие.
Основные характеристики системы "Alkatel S12" приведены в таблице 2.2 .
Таблица 2.2 - Основные характеристики импортных систем коммутации
| Наименование параметров | SI 2000 | AXE-10 | EWSD | Akatel S12 | |
| Максимальная абонентская емкость, номеров | 10400 | 200000 | 250000 | 120000 | |
| Максимальное количество СЛ | 3600 | 60000 | 60000 | 85000 | |
| Пропускная способность,(Эрл). | 2500 | 30000 | 25200 | 30000 | |
| Максимальное количество вызовов в ЧНН | 80000 | 1000000 | 1000000 | 1000000 | |
| Минимальное количество портов на 1-ой плате | 60 | 16 | 128 | 256 | 16 |
| Потребляемая мощность на один номер,(Вт). | 0,6..0,9 | 0,7..1,0 | 0,65..0,7 | 0,6..1,2 | 0,7..1,1 |
Как видно из вышесказанного, параметры импортных систем коммутации близки друг к другу, и в этом случае решающее значение имеет стоимость. Вот именно по этому критерию мной выбрана система коммутации AXE-10, как наилучшая по соотношению "качество-цена".
Вопросы по курсу
«СЕТИ ЭЛЕКТРОСВЯЗИ»
1. Основные понятия теории сетей связи и систем коммутации
2. Коммутация каналов, сообщений и пакетов +
3. Назначение систем коммутации в сетях связи
4. Диаграмма обмена сигналами в системах коммутации +
5. Централизованные системы коммутации +
6. Способы организации сетей связи +
7. Структура общегосударственной системы автоматизированной телефонной связи +
8. Типы городских сетей телефонной связи +
9. Организация спецслужб и система нумерации в сетях телефонной связи
10. Организация цифровых сетей связи +
11. Варианты модернизации аналоговых сетей телефонной связи +
12. Семиуровневая модель взаимодействия открытых систем +
13. Иерархия цифровых каналов +
14. Режимы доставки для широкополосных ЦСИС+
15. Обоснование концепции и модель обслуживания вызова в интеллектуальных сетях связи +
16. Архитектура интеллектуальной сети связи +
17. Концептуальная модель интеллектуальных сетей связи +
18. Способы повышения эффективности аналоговых абонентских линий +
19. Способы повышения эффективности цифровых абонентских линий +
20. Способы построения цифровой абонентской сети +
21. Цифровые системы передачи абонентских линий по технологии xDSL +
22. Способы кодирования линейных сигналов по технологии xDSL +
23. Структура сетей профессиональной связи
24. Структура сетей персонального вызова +
25. Структура сетей спутниковой связи +
26. Структура сотовых сетей связи +
27. Структура сетей беспроводной связи +
28. Классификация систем сигнализации
29. Абонентская сигнализация
30. Линейная и регистровая сигнализации
31. Общеканальная сигнализация
32. Назначение устройств синхронизации сети телефонной связи и
33. Основные методы синхронизации цифровой сети
34. Организация синхронизации в цифровых телефонных сетях
35. Функции эксплуатационного управления +
Коммутация каналов, сообщений и пакетов
Известны следующие типы систем коммутации:
С коммутацией каналов ;
С коммутацией сообщений ;
С коммутацией пакетов .
Коротко рассмотрим особенности организации указанных систем в сетях связи. Примерами сетей с коммутацией каналов являются телефонная сеть и сеть Телекс (абонентский телеграф). В этих системах сначала создается канал связи между двумя оконечными устройствами, а затем по нему осуществляется обмен информацией
Рис. 2.2. Фрагмент сети связи
Недостатком систем с коммутацией каналов является низкий коэффициент использования линий.
Примером сетей с коммутацией сообщений являются некоторые военные сети и сети речевой почты. В качестве оконечных устройств в этих системах могут использоваться ПЭВМ, которые в отличие от сети Телекс, не соединяются между собой напрямую. Сообщение, предназначенное для передачи из пункта А в другое оконечное устройство пункта В, последовательно запоминается в промежуточных пунктах С, D, Е, обрабатывается и передается в требуемый пункт В с некоторой задержкой во времени. При этом также последовательно освобождаются использованные промежуточные соединительные линии АС, СD, DЕ. Причина задержки сообщений заключается в том, что они ставятся в очередь для передачи по каждой последующей соединительной линии. В этих системах достигается значительно более высокое использование соединительных линий, чем в системах с коммутацией каналов. Однако электронные ящики имеют память большой емкости, что является недостатком сети с коммутацией сообщений.
Сети с коммутацией пакетов были разработаны в 80-х годах прошлого века. Примером такой сети может служить система IP–телефонии, в которой данные, полученные от терминала или ЭВМ, передаются в требуемый пункт назначения в виде коротких пакетов информации фиксированной длины. Такие системы занимают промежуточные положения между выше рассмотренными системами с точки зрения использования соединительных линий связи. Системы IP-телефонии обеспечивают в настоящее время наиболее экономически выгодный режим коммутации речевых сообщений. Однако при попадании отдельных пакетов в сети связи наблюдается значительное ухудшение качества передаваемых речевых сообщений, что является недостатком данных систем.
Диаграмма обмена сигналами в системах коммутации
Кроме канала для передачи информации между каждым терминалом и коммутационной станцией имеется также двухсторонний тракт для обмена сигналами управления. В большинстве реально существующих коммутационных систем для обоих цепей используется один и тот же физический канал.
Первым шагом в разработке любой коммутационной системы является рассмотрение совокупности сигналов управления для обмена служебной информацией между терминалом и коммутационной системой. Эта информация переносится в виде сигналов, закодированных определенным способом: в случае аналоговых телефонных систем – в амплитуде и частоте синусоидального напряжения, в цифровых системах передачи данных – в двоичных кодовых комбинациях.
Сети с коммутацией каналов обладают несколькими важными общими свойствами независимо от того, какой тип мультиплексирования в них используется.
Сети с динамической коммутацией требуют предварительной процедуры установления соединения между абонентами. Для этого в сеть передается адрес вызываемого абонента, который проходит через коммутаторы и настраивает их на последующую передачу данных. Запрос на установление соединения маршрутизируется от одного коммутатора к другому и в конце концов достигает вызываемого абонента. Сеть может отказать в установлении соединения, если емкость требуемого выходного канала уже исчерпана. Для FDM-коммутатора емкость выходного канала равна количеству частотных полос этого канала, а для TDM-коммутатора - количеству тайм-слотов, на которые делится цикл работы канала. Сеть отказывает в соединении также в том случае, если запрашиваемый абонент уже установил соединение с кем-нибудь другим. В первом случае говорят, что занят коммутатор, а во втором - абонент. Возможность отказа в соединении является недостатком метода коммутации каналов.
Если соединение может быть установлено, то ему выделяется фиксированная полоса частот в FDM-сетях или же фиксированная пропускная способность в TDM-сетях. Эти величины остаются неизменными в течение всего периода соединения. Гарантированная пропускная способность сети после установления соединения является важным свойством, необходимым для таких приложений, как передача голоса, изображения или управления объектами в реальном масштабе времени. Однако динамически изменять пропускную способность канала по требованию абонента сети с коммутацией каналов не могут, что делает их неэффективными в условиях пульсирующего трафика.
Недостатком сетей с коммутацией каналов является невозможность применения пользовательской аппаратуры, работающей с разной скоростью. Отдельные части составного канала работают с одинаковой скоростью, так как сети с коммутацией каналов не буферизуют данные пользователей.
Сети с коммутацией каналов хорошо приспособлены для коммутации потоков данных постоянной скорости, когда единицей коммутации является не отдельный байт или пакет данных, а долговременный синхронный поток данных между двумя абонентами. Для таких потоков сети с коммутацией каналов добавляют минимум служебной информации для маршрутизации данных через сеть, используя временную позицию каждого бита потока в качестве его адреса назначения в коммутаторах сети.
Обеспечение дуплексного режима работы на основе технологий FDM, TDM и WDM
В зависимости от направления возможной передачи данных способы передачи данных по линии связи делятся на следующие типы:
o симплексный - передача осуществляется по линии связи только в одном направлении;
o полудуплексный - передача ведется в обоих направлениях, но попеременно во времени. Примером такой передачи служит технология Ethernet;
o дуплексный - передача ведется одновременно в двух направлениях.
Дуплексный режим - наиболее универсальный и производительный способ работы канала. Самым простым вариантом организации дуплексного режима является использование двух независимых физических каналов (двух пар проводников или двух световодов) в кабеле, каждый из которых работает в симплексном режиме, то есть передает данные в одном направлении. Именно такая идея лежит в основе реализации дуплексного режима работы во многих сетевых технологиях, например Fast Ethernet или АТМ.
Иногда такое простое решение оказывается недоступным или неэффективным. Чаще всего это происходит в тех случаях, когда для дуплексного обмена данными имеется всего один физический канал, а организация второго связана с большими затратами. Например, при обмене данными с помощью модемов через телефонную сеть у пользователя имеется только один физический канал связи с АТС - двухпроводная линия, и приобретать второй вряд ли целесообразно. В таких случаях дуплексный режим работы организуется на основе разделения канала на два логических подканала с помощью техники FDM или TDM.
Модемы для организации дуплексного режима работы на двухпроводной линии применяют технику FDM. Модемы, использующие частотную модуляцию, работают на четырех частотах: две частоты - для кодирования единиц и нулей в одном направлении, а остальные две частоты - для передачи данных в обратном направлении.
При цифровом кодировании дуплексный режим на двухпроводной линии организуется с помощью техники TDM. Часть тайм-слотов используется для передачи данных в одном направлении, а часть - для передачи в другом направлении. Обычно тайм-слоты противоположных направлений чередуются, из-за чего такой способ иногда называют «пинг-понговой» передачей. TDM-разделение линии характерно, например, для цифровых сетей с интеграцией услуг (ISDN) на абонентских двухпроводных окончаниях.
В волоконно-оптических кабелях при использовании одного оптического волокна для организации дуплексного режима работы применяется передача данных в одном направлении с помощью светового пучка одной длины волны, а в обратном - другой длины волны. Такая техника относится к методу FDM, однако для оптических кабелей она получила название разделения по длине волны (Wave Division Multiplexing, WDM). WDM применяется и для повышения скорости передачи данных в одном направлении, обычно используя от 2 до 16 каналов.
Коммутация пакетов
Принципы коммутации пакетов
Коммутация пакетов - это техника коммутации абонентов, которая была специально разработана для эффективной передачи компьютерного трафика. Эксперименты по созданию первых компьютерных сетей на основе техники коммутации каналов показали, что этот вид коммутации не позволяет достичь высокой общей пропускной способности сети. Суть проблемы заключается в пульсирующем характере трафика, который генерируют типичные сетевые приложения. Например, при обращении к удаленному файловому серверу пользователь сначала просматривает содержимое каталога этого сервера, что порождает передачу небольшого объема данных. Затем он открывает требуемый файл в текстовом редакторе, и эта операция может создать достаточно интенсивный обмен данными, особенно если файл содержит объемные графические включения. После отображения нескольких страниц файла пользователь некоторое время работает с ними локально, что вообще не требует передачи данных по сети, а затем возвращает модифицированные копии страниц на сервер - и это снова порождает интенсивную передачу данных по сети.
Коэффициент пульсации трафика отдельного пользователя сети, равный отношению средней интенсивности обмена данными к максимально возможной, может составлять 1:50 или 1:100. Если для описанной сессии организовать коммутацию канала между компьютером пользователя и сервером, то большую часть времени канал будет простаивать. В то же время коммутационные возможности сети будут использоваться - часть тайм-слотов или частотных полос коммутаторов будет занята и недоступна другим пользователям сети.
При коммутации пакетов все передаваемые пользователем сети сообщения разбиваются в исходном узле на сравнительно небольшие части, называемые пакетами. Напомним, что сообщением называется логически завершенная порция данных - запрос на передачу файла, ответ на этот запрос, содержащий весь файл, и т. п. Сообщения могут иметь произвольную длину, от нескольких байт до многих мегабайт. Напротив, пакеты обычно тоже могут иметь переменную длину, но в узких пределах, например от 46 до 1500 байт. Каждый пакет снабжается заголовком, в котором указывается адресная информация, необходимая для доставки пакета узлу назначения, а также номер пакета, который будет использоваться узлом назначения для сборки сообщения (рис. 2.29). Пакеты транспортируются в сети как независимые информационные блоки. Коммутаторы сети принимают пакеты от конечных узлов и на основании адресной информации передают их друг другу, а в конечном итоге - узлу назначения.
Рис. 2.29. Разбиение сообщения на пакеты
Коммутаторы пакетной сети отличаются от коммутаторов каналов тем, что они имеют внутреннюю буферную память для временного хранения пакетов, если выходной порт коммутатора в момент принятия пакета занят передачей другого пакета (рис. 2.30). В этом случае пакет находится некоторое время в очереди пакетов в буферной памяти выходного порта, а когда до него дойдет очередь, то он передается следующему коммутатору. Такая схема передачи данных позволяет сглаживать пульсации трафика на магистральных связях между коммутаторами и тем самым использовать их наиболее эффективным образом для повышения пропускной способности сети в целом.
Рис. 2.30. Сглаживание пульсаций трафика в сети с коммутацией пакетов
Действительно, для пары абонентов наиболее эффективным было бы предоставление им в единоличное пользование скоммутированного канала связи, как это делается в сетях с коммутацией каналов. При этом способе время взаимодействия этой пары абонентов было бы минимальным, так как данные без задержек передавались бы от одного абонента другому. Простои канала во время пауз передачи абонентов не интересуют, для них важно быстрее решить свою собственную задачу. Сеть с коммутацией пакетов замедляет процесс взаимодействия конкретной пары абонентов, так как их пакеты могут ожидать в коммутаторах, пока по магистральным связям передаются другие пакеты, пришедшие в коммутатор ранее.
Тем не менее общий объем передаваемых сетью компьютерных данных в единицу времени при технике коммутации пакетов будет выше, чем при технике коммутации каналов. Это происходит потому, что пульсации отдельных абонентов в соответствии с законом больших чисел распределяются во времени. Поэтому коммутаторы постоянно и достаточно равномерно загружены работой, если число обслуживаемых ими абонентов действительно велико. На рис. 2.30 показано, что трафик, поступающий от конечных узлов на коммутаторы, очень неравномерно распределен во времени. Однако коммутаторы более высокого уровня иерархии, которые обслуживают соединения между коммутаторами нижнего уровня, загружены более равномерно, и поток пакетов в магистральных каналах, соединяющих коммутаторы верхнего уровня, имеет почти максимальный коэффициент использования.
Более высокая эффективность сетей с коммутацией пакетов по сравнению с сетями с коммутацией каналов (при равной пропускной способности каналов связи) была доказана в 60-е годы как экспериментально, так и с помощью имитационного моделирования. Здесь уместна аналогия с мультипрограммными операционными системами. Каждая отдельная программа в такой системе выполняется дольше, чем в однопрограммной системе, когда программе выделяется все процессорное время, пока она не завершит свое выполнение. Однако общее число программ, выполняемых за единицу времени, в мультипрограммной системе больше, чем в однопрограммной.
