Сети связи и системы коммутации

Глава 6. Принципы коммутации в сетях связи

191

Быстрая коммутация пакетов — асинхронный режим передачи и АТМ

Быстрая коммутация пакетов (БКП) представляет собой концепцию, основной идеей которой является пакетная коммутация с минимумом функций, выполняемых узлами коммутации на канальном уровне с целью повышения уровня временной прозрачности сети.

Утвердилось понятие «быстрый пакет» (Fast Packet), связанное с необходимостью обеспечить высокую пропускную способность коммуникационных и, в первую очередь, базовых сетей. Для увеличения скорости передачи данных в этих сетях данные не упаковываются в обычные пакеты. Здесь кадры либо ячейки ретранслируются узлами интегральной коммутации и передаются через коммуникационную сеть. щти кадры и ячейки стали именовать быстрыми пакетами. В сетях скоростной коммутации данных узлы выполняют обработку блоков данных аппаратным, а не программным способом и осуществляют сквозную коммутацию. Технология функционирования этих узлов потребовала, чтобы передаваемые блоки данных удовлетворяли двум важным требованиям: они должны иметь небольшие размеры и обрабатываться на канальном уровне. щти характеристики в значительной степени отличают быстрые пакеты от обычных, которые коммутируются на сетевом уровне при коммутации с запоминанием.

Ретрансляция быстрых пакетов в зависимости от размеров распадается на ретрансляцию кадров и ретрансляцию ячеек (рис. 6.2). Первая технология используется в создании постоянных виртуальных каналов (PVC) и в цифровых сетях с интегральным сервисом (ISDN). Вторая технология применяется в широкополосных цифровых сетях (B-ISDN) с использованием асинхронного способа передачи АТМ (Asynchronous Transfer Mode), а также в службах скоростной коммутации SMDS (Switched Multimegabit Data Service). В последнем случае часто используются стандарты IEEE и распределенная двойная шина с очередями (DQDB).

Ретрансляция быстрых пакетов

	Ретрансляция кадров				Ретрансляция ячеек
	PVC		ISDN		B-ISDN		SMDS
							(IEEE, DQDB)

Рис. 6.2 — Ретрансляция быстрых пакетов

Наиболее четко ретрансляция ячеек определена стандартами ITU для асинхронного способа передачи. В общем случае эффективность использования пропускной способности цифровых трактов связи при применении пакетов переменной длины несколько выше, чем при применении пакетов постоянной длины. Однако этот выигрыш не является определяющим. В то же время вариант с пакетами постоянной длины более предпочтителен по сравнению с вариантом пакетов переменной длины как по скорости работы коммутационного оборудования, так и по объему буферного пространства.

щксперты МСщ-Т пришли к заключению об использовании пакетов фиксированной длины. Было также принято решение использовать другое

192	В.М. Винокуров. Сети связи и системы коммутации

наименование, отличное от термина «пакет», чтобы подчеркнуть принятую фиксированную длину. Было одобрено название «ячейка» (Ñell).

Здесь каждый быстрый пакет, помещаемый в ячейку бесконечной ленты данных, имеет размер 53 байта, в том числе заголовок величиной в 5 байт. Европейские ученые выступали за размер ячейки в 32 байта с целью устранения эхоподавителей при передачи речи, а ученые США и Японии предлагали ячейку размером в 64 байта для достижения большей эффективности использования цифровых трактов. Был достигнут компромисс, и длина ячейки была принята равной 53 байтам.

Технология ретрансляции ячеек легко осуществляется в распределенной двойной шине с очередями (DQDB) и использует оптические каналы. Основными положительными сторонами метода ATM являются возможности транспортирования по сети информации любой службы независимо от скорости передачи, требований к семантической и временной прозрачности сети и па- чечности трафика ячеек.

Однако фазе передачи информации в сетях ATM предшествует фаза установления виртуального соединения, во время которой осуществляется проверка достаточности объема сетевых ресурсов, как для качественного обслуживания уже установленных виртуальных соединений, так и для создаваемого. Если сетевых ресурсов недостаточно, то оконечному устройству выдается отказ в установлении соединения.

В сетях ATM вероятность потери пакета в коммутационном устройстве ограничивается значениями 10−8...10−12.

Ошибка в заголовке может привести к неправильной маршрутизации. щто обусловливает эффект размножения ошибок: один искаженный бит в заголовке может привести и к утрате пакета, и к его доставке не по адресу. С целью уменьшения эффекта размножения ошибок из-за неправильной маршрутизации в заголовке пакета ATM обеспечиваются обнаружение ошибок и их исправление.

Рассмотрим вкратце структуру узла коммутации (УК) при БКП (рис. 6.3) [36, с. 100]. Кроме коммутационной системы КС, на узле коммутации содержится распределитель Р, в состав которого входят буферное запоминающее устройство БЗУ и управляющее устройство УУ. В функции входного распределителя (контроллера) входят прием из входящей соединительной линии ВСЛ ячеек, приписывание им некоторого заголовка, определяющего маршрут их движения в коммутационной системе, и распределение полученных после этой процедуры БП по входам КС. Выходной контроллер пересылает быстрый пакет БП с выходов коммутационной системы в выходные линии связи ИСЛ, осуществляя мультиплексирование. При этом в БП удаляется заголовок и он превращается в ячейку.

Управляющее устройство на этапе установления виртуального канала осуществляет функции выбора маршрута передачи БП по КС и формирования соответствующего маршрутного поля. На этапе разъединения виртуального канала УУ передает в распределитель сигнал о стирании этой информации.

Коммутация БП в КС осуществляется на основе анализа управляющей информации, содержащейся в заголовке БП. Существуют КС с самомаршрутизацией и без самомаршрутизации БП. В КС без самомаршрутизации необходимо осуществить предварительное занесение в таблицу маршрутизации информации о порядке коммутации БП, передаваемого в заданном виртуальном канале. При этом во входном контроллере не происходит приписывания

Глава 6. Принципы коммутации в сетях связи

193

заголовка БП. В КС с самомаршрутизацией, которая находит наибольшее применение, на входе в заголовок БП добавляется заголовок, самостоятельно определяющий порядок перемещения БП в коммутационной системе.

P		P
ÁÇÓ	ÊÑ	ÁÇÓ
ÂÑË		ÈÑË1
1

P		P
ÁÇÓ		ÁÇÓ
ÂÑËn	ÓÓ	ÈÑËn

 ÑÑ ‹ 7

Рис. 6.3 — Общая схема УК с БКП

Все коммутационные системы БКП, применяемые в АТМ, делятся на три типа [26, с. 120; 36, c. 102]: с коллективной памятью, с общей средой (КС шинного и кольцевого типов) и с пространственным разделением (матричные, баньяновидные (древовидные) и с N2-раздельными соединениями). КС шинного типа для соединения входных и выходных контроллеров используют высокоскоростную шину (моноканал) с временным мультиплексированием. В КС кольцевого типа входные и выходные контроллеры подклю- чаются к кольцевой шине. В КС с общей памятью входные и выходные контроллеры КС соединены между собой не через шину, а через общую память, запись в которую производится всеми входными контроллерами, а счи- тывание — всеми выходными контроллерами. В основу КС матричного типа (рис. 6.4) положен массив из N2 ключей, по одному на каждую пару «вход — выход». В настоящее время наиболее перспективной считается КС матричного типа. Однако такой матрице требуется N2 ключей. Многокаскадные КС баньяновидного типа (баньян — название дерева, встречающегося в Индии) при одинаковой емкости имеют меньшее число ключей. Ключ в такой КС может находиться в одном из двух состояний (рис. 6.5): сквозном (транзит) и перекрестном (кросс).

Схема разветвителя, показанная на рис. 6.5, имеет единственный путь от входа до каждого выхода. Схема концентратора строится зеркально. Совокупность разветвителей и концентраторов позволяет построить многозвенную схему КС типа Баньян (КС-Б) (рис. 6.6). Процесс маршрутизации в КС такого типа состоит в следующем. В заголовке каждого БП находится маршрутное поле S, представляющее собой последовательность двоичных разрядов, число которых равно числу каскадов в КС. В каждом каскаде КС происходит декодирование соответствующего разряда маршрутного поля,

194	В.М. Винокуров. Сети связи и системы коммутации

причем если разряд равен 1, то Кщ, на который поступил БП, реализует операцию «кросс»; в противном случае (разряд равен нулю) — операцию «транзит».

1

2

Â

õ

î

ä

û

N

Входной контроллер

Входной контроллер

á

Входной

контроллер

	Выходной			Выходной
	контроллер			контроллер
						â
	1		Выходы	N

à

Рис. 6.4 — Коммутационная матрица матричного типа:

à— массив из N2 ключей; á — сквозное состояние ключа;

â— перекрестное состояние ключа

												1		000
													2	001
											3			010	0
												4		011
															á
										5				100
										6				101	1
				à					7					110
															â
									8					111

Рис. 6.5 — Разветвитель типа Баньян:

à — схема разветвителя емкостью N = 23; á — состояние «транзит» ключа разветвителя; â — состояние «кросс» ключа разветвителя

Могут быть и другие принципы выбора выхода в Кщ. В случае, когда на оба входа Кщ одновременно поступают два БП, которые должны быть переданы на один и тот же выход Кщ, возникает конфликт между БП с возможностью потери одного или обоих. Чтобы устранить такие конфликты, на входе или выходе Кщ ставят буферное запоминающее устройство, в котором один из двух находящихся в конфликтном состоянии БП задерживается на время передачи другого БП, которому присвоен приоритет по тем или иным причинам.

Глава 6. Принципы коммутации в сетях связи				195
		Коммутирующий элемент
			0000
			0001
			0010
			0011
			0100	Â
Â			0101
			0110	û
õ
î			0111	õ
ä			1000	î
				ä
û			1001	û
			1010
			1011
			1100
			1101
			1110
			1111
1	2	3	4

Рис. 6.6 — Коммутационная система типа Баньян

Можно значительно снизить вероятность конфликтного состояния и блокировки путем использования КС со многими маршрутами, позволяющего благодаря наличию множества альтернативных маршрутов между каждой парой «вход — выход» уменьшить вероятность внутренних блокировок. Кроме того, КС со многими маршрутами обладает более высокой отказоустойчи- востью. Возможны два основных альтернативных варианта осуществления маршрутизации БП в КС со многими маршрутами. Одним из примеров КС со многими маршрутами может служить КС, получившая название схемы Бенеша, в которой имеются две ступени каскадов: каскады выбора маршрута и основные. Основные каскады схемы Бенеша представляют собой обычную схему типа Баньян, а следовательно, число основных каскадов в схеме Бенеша равно n = lg2N, ãäå N — число входов в КС. При N = 8 имеется 3 каскада. Каскады выбора маршрута обеспечивают организацию альтернативных маршрутов. При этом число каскадов в ступени выбора маршрута определяется необходимым числом альтернативных маршрутов. При k альтернативных маршрутах на ступени выбора маршрута необходимо иметь m = lg2k каскадов.

В КС, построенной по схеме Бенеша, также возможно возникновение конфликтных состояний, ведущих к состязаниям БП. Такие конфликты БП устраняются с помощью введения БЗУ и специального протокола обмена сигналами REQ и АСК, которые позволяют вместо конфликтов (состязаний) иметь дело с внутренними блокировками БП. Однако это снижает скорость переда- чи БП по КС.

Была разработана КС, не использующая БЗУ, в которой отсутствуют конфликты БП. В такой коммутационной системе перед схемой типа Баньян устанавливаются несколько каскадов, образующих сортирующую схему Бет- чера. В схеме Бетчера используются двоичные коммутационные элементы, аналогичные Кщ КС-Б. Однако правила передачи БП с входа на выход Кщ в схеме Бетчера иные, чем в КС-Б. В схеме Бетчера каждый Кщ отмечен

196	В.М. Винокуров. Сети связи и системы коммутации

стрелкой, указывающей на иное, чем в схеме типа Баньян, правило выбора направления передачи БП. Если на оба входа Кщ сортирующей схемы Бетче- ра поступают БП, то осуществляется сравнение разрядов маршрутных полей этих двух БП. При этом БП, у которого сравниваемый разряд имеет значе- ние 1, в то время как у другого БП этот разряд равен 0, направляется на выход по направлению стрелки. Второй БП передается на второй выход Кщ. Если эти разряды равны, то сравнивают следующие разряды вплоть до нахождения различия в значениях соответствующих разрядов, после чего принимается решение.

Когда все разряды маршрутных полей у двух поступивших БП равны, сравнивают соответствующие разряды информационных полей. Если на один из входов не поступает БП, то считается, что на этот вход поступил пассивный БП, значения всех разрядов маршрутного и информационного полей которого равны 0.

Благодаря технологии ATM все коммутационное оборудование становится однородным, решающим для всех видов информации одну задачу — быструю коммутацию фиксированных пакетов, получивших название ячеек, и асинхронного временного разделения ресурсов, при котором множество виртуальных соединений с различными скоростями асинхронно мультиплексируются в едином физическом канале связи — цифровом тракте.

Основные выводы проведенного обзора методов коммутации могут быть сведены в табл. 6.3 [15, с. 400].

			Таблица 6.3
Достоинства и недостатки коммутационных методов
Способ коммутации	Достоинства		Недостатки
Коммутация	1) не требуются ресурсы	1)	невозможно изменение поло-
каналов (КК)	сети для обработки	сы пропускания канала
	сообщений	2)	невозможна интеграция
	2) задержка сообщений	в одной сети видов служб
	минимальна и равна	с разными скоростями передачи
	времени установления	3)	низкое использование полосы
	соединения	пропускания канала
Многоскоростная	1) возможность измене-	1)	низкое использование канала
коммутация	ния полосы пропускания	при пачечном трафике
каналов (МКК)	канала;	2)	высокая сложность системы
	2) задержка сообщения	синхронизации
	минимальна	3)	необходимость установления
		большого количества соедине-
		ний для высокоскоростных
		служб
		4)	необходимость выбора
		низкой базовой полосы
		пропускания канала
Быстрая	1) невозможность измене-	1)	быстрый рост потерь
коммутация	ния полосы пропускания	при перегрузках
каналов (БКК)	канала благодаря переда-	2)	потеря части речевых
	че пакетов данных в	отрезков при перегрузках
	паузах речевого сигнала

Глава 6. Принципы коммутации в сетях связи			197
		Продолжение табл. 6.3
Способ коммутации	Достоинства	Недостатки
	2) улучшенное использо-	3) для передачи каждого сооб-
	вание полосы канала	щения (в паузах речевого
	при трафике пачечного	сигнала) необходимо установ-
	òèïà	ление соединения за время
	3) задержка сообщения	tóñò < 140 мс, чтобы межконце-
	ìàëà	вые задержки не превышали
		240 ìñ
Коммутация паке-	1) динамическое измене-	1) задержка для речевого тра-
òîâ (ÊÏ)	ние скорости передачи	фика может быть недопустимо
	2) высокое использование	велика
	ресурсов сети при пачеч-	2) высокая сложность протоко-
	ном трафике	лов канального и сетевого
		уровней
		3) большая зависимость
		задержки сообщений от посту-
		пающей нагрузки
Коммутация	1) динамическое измене-	1) задержка для речевого тра-
пакетов (КП)	ние скорости передачи	фика может быть недопустимо
	2) высокое использование	велика
	ресурсов сети при пачеч-	2) высокая сложность протоко-
	ном трафике	лов канального и сетевого
		уровней
		3) большая зависимость
		задержки сообщений
		от поступающей нагрузки
Быстрая коммута-	1) динамическое измене-	1) потери скорости передачи
ция пакетов (БКП)	ние скорости передачи	из-за необходимости
	(полосы пропускания	включения адреса в каждый
	канала)	пакет
	2) малая вероятность	2) усложнение
	ошибки	коммутационных полей
	3) простота протоколов
	канального и сетевого
	уровней
	4) малая величина
	задержки
	5) хорошее
	использование ресурсов
	при пачечном трафике
	6) гибкость в условиях
	перегрузки

198	В.М. Винокуров. Сети связи и системы коммутации

6.2. Коммутация в ТФОП

6.2.1. Общие положения

Коммутация речевых сообщений производится в ТФОП с помощью метода КК на основе двух главных принципов организации связи: непосредственной связи через соединительный шнур (СШ) или косвенной связи (Store-and- Forward) через запоминающее устройство. В общих чертах оборудование любой конкретной коммутационной станции можно разделить на ряд категорий в соответствии с тем, какую роль оно выполняет (рис. 6.7) [25, с. 17]: сигнализацию, управление или коммутацию. Основная функция, выполняемая оборудованием сигнализации, — наблюдение за активностью входящих ВСЛ и последующая трансляция этого состояния в устройство управления КС. Кроме того, оборудование сигнализации используется для выдачи управляющих сигналов на ИСЛ при поступлении указаний из блока управления КС. Устройство управления обрабатывает поступающую от цепи информацию и дает команду на соответствующие соединения. Коммутационная схема устанавливает соединения между ВСЛ и ИСЛ с помощью замыкания, размыкания контактов с управляемой выборкой.

Коммутационная

схема

	Сигнали-	Управление	Сигнали-
	зация		зация

Рис. 6.7 — Составные части системы коммутации

Основными функциями устройств коммутации являются:

1)концентрация нагрузки, исходящей от источников со слабой активностью, в объединенных средствах передачи;

2)адресация, сопровождение и направление информации от источника

êпотребителю согласно фиксированному или переменному трафику от одного центра к другому.

Различают коммутацию оперативную (соединение на короткое время) и кроссовую (долговременное соединение).

Коммутационные узлы и станции классифицируются по следующим признакам:

• по способу обслуживания вызовов — ручные, автоматические, полуавтоматические;

• по назначению — городские, междугородние, сельские, учрежден- ческие;

• по емкости — АТС малой, средней и большой емкости;

• по способу разделения каналов — пространственные и временные;

• по типу оборудования — декадно-шаговые, координатные, квазиэлектронные, электронные.

Начало развитию телефонных сетей было положено в 1876 г., когда американский учитель школы глухонемых А.Г. Белл (1847–1922 гг.) запатентовал изобретенный телефон. Уже в течение первого десятилетия суще-

Глава 6. Принципы коммутации в сетях связи

199

ствования телефона появились телефонные сети во многих городах мира (с коммутаторами ручного обслуживания), а также были изобретены автоматические телефонные станции (АТС). Здесь не обошлось без курьеза [46, с. 65]. Первую АТС изобрел гробовщик А. Строуджер из Канзас-Сити (США). Когда его ритуальный бизнес неожиданно пошел на убыль, он узнал, что телефонистка на городской телефонной станции преднамеренно соединяет его клиентов с конкурентом, ее женихом. Стремясь восстановить справедливость, Строуджер забросил похоронное дело, занялся электромеханикой, разработал и запатентовал устройство декадно-шаговой АТС и организовал производство коммутационной аппаратуры.

Декадно-шаговая система коммутации основана на применении электромеханического прибора — шагового искателя, в котором щетки при срабатывании электромагнита перемещаются на один шаг по десятирядному контактному полю. щлектромагнит же срабатывает от импульса, возникающего

âцепи постоянного тока при ее кратковременном разрыве. Пользуясь номеронабирателем, который осуществляет серию кратковременных разрывов цепи

âзависимости от набранной цифры, абонент телефонной сети сам управляет процессом установления своего соединения. Однако придуманное Строуджером прямое управление процессами установления соединения от номеронабирателя оказалось неэффективным потому, что абонент может делать большие паузы между набираемыми цифрами и занимать тем самым непродуктивно коммутационный прибор и даже канал связи (например, если он уже начал набирать номер абонента в другом городе). Поэтому вместо прямого управления были созданы системы косвенного или регистрового управления, при котором процесс установления соединения начинается лишь после того, как весь набранный номер зафиксирован в специально предназначенном для этого приборе-регистре. В этом случае процесс управления становится более гибким, поскольку он не связан с необходимостью реализации каждого элемента команды (каждой отдельной цифры), а может использовать целую группу элементов или даже весь их набор. Однако и косвенное управление с помощью импульсов постоянного тока (или, как говорят, батарейных импульсов), по современным меркам, действует слишком медленно, особенно когда нужно передать с десяток цифр при международной связи.

Более быстродействующий метод набора связан с созданием кнопочного номеронабирателя, или тастатуры. При нажатии кнопки такого номеронабирателя цифра передается двухчастотным сигналом продолжительностью 40 мс. Появление системы косвенного управления было первым шагом важного процесса разделения средств коммутации и управления, который полу- чил дальнейшее развитие в электронных АТС.

Серьезный недостаток декадно-шаговой системы коммутации заключа- ется в применении контактов скольжения, требующих значительных затрат на техническое обслуживание. Развитие коммутационных приборов пошло по пути перехода от контактов скольжения к более надежным контактам нажатия (реле, многократные координатные соединители (МКС)), в результате чего появились КС координатного типа. Дальнейшее же повышение надежности и технологичности коммутационного оборудования уже связано с применением электроники.

Êсожалению, создать электронный коммутационный прибор для аналогового телефонного сигнала не удается. Для этого требуется переключающее

устройство с перепадом сопротивления во включенном и выключенном состоянии не менее 108 раз. Ввиду невозможности реализаци такого прибора

200	В.М. Винокуров. Сети связи и системы коммутации

электронными средствами, крупные аналоговые системы коммутации могут быть только так называемого квазиэлектронного типа. В таких станциях на электронных элементах построены все узлы, кроме коммутационного поля. В по-следнем применяются механические герметизированные контакты (герконы, гезаконы, ферриды) в стеклянных баллончиках с электрическим или магнитным удержанием соединений.

Из экспертных оценок специалистов европейских стран тенденций развития различных видов коммутации (рис. 6.8) следует, что в перспективе будут использоваться как электронные, так и оптические системы коммутации на основе БКП [36, с. 58].

Использование системы

щлектронные системы коммутации

Оптические системы коммутации

Ø-ñÑÈÎ (ÁÊÏ)

Ó-ñÑÈÎ (ÊÊ, ÊÏ)

Ñèñтемы с коммутацией пакетов

щАТС с цифровой коммутацией каналов

щлектромеханические АТС

1960 1970 1980 1990 2000 2010 Ãîäû

широкое использование системы; возможное использование системы

Рис. 6.8 — Оценка тенденций развития видов коммутации

В основу функционирования коммутационных систем всех перечисленных типов была положена идея гальванического контакта, осуществляемого между ВСЛ и ИСЛ тем или иным способом. Величина сопротивления этого контакта определяла качественные характеристики коммутатора. Современные электронные, и в особенности цифровые, коммутаторы позволяют полностью отказаться от указанной идеи, используя в качестве «электронного контакта» логическую схему «И», осуществляющую логическое умножение входного потока двоичных данных либо на «1» в состоянии «контакт вклю- чен», либо на «0» в состоянии «контакт разомкнут».

Современные станции коммутации содержат три основных функциональных группы приборов: коммутационное поле, управляющие è периферийные устройства. К последним относятся абонентские комплекты (станционные оконечные устройства каждой абонентской линии), комплекты соединительных линий (линий, связывающих данную телефонную станцию с другими станциями), сигнально-вызывные и другие устройства, которые могут связываться с коммутационным полем или устройствами управления в процессе работы станции.