2727

пакетами. Напомним, что сообщением называется логически завершенная порция данных — запрос на передачу файла, ответ на этот запрос, содержащий весь файл и т.д. 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 на узел назначения, а также номер пакета, который будет использоваться узлом назначения для сборки сообщения (рисунок 3.20). Пакеты транспортируются по 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.

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 (рисунок 3.20). В этом случае пакет находится некоторое время в очереди пакетов в буферной памяти выходного порта, а когда до него дойдет очередь, он передается следующему коммутатору. Такая схема передачи данных позволяет сглаживать пульсацию трафика на магистральных связях между коммутаторами и тем самым наиболее эффективно использовать их для повышения пропускной способности сети в целом.

Рисунок 3.20.  Разбиение сообщения на пакеты

Действительно, для пары абонентов наиболее эффективным было бы предоставление им в единоличное пользование скоммутированного канала связи, как это делается в сетях с коммутацией каналов. В таком случае 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 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 так, что их пики не совпадают. Поэтому коммутаторы постоянно и достаточно равномерно загружены работой, если число обслуживаемых ими абонентов действительно велико. На рисунке 3.20 показано, что трафик, поступающий от конечных узлов на коммутаторы, распределен во времени очень неравномерно. 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.

Буферизация сглаживает пульсации, поэтому коэффициент пульсации на магистральных каналах гораздо ниже, чем на каналах абонентского доступа — он может быть равным 1:10 или даже 1:2.

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 ее выполнение не завершится. Однако общее число программ, выполняемых за единицу времени, в мультипрограммной системе больше, чем в однопрограммной.

Рисунок 3.21.  Сглаживание пульсаций трафика в сети

с коммутацией пакетов

Сеть с коммутацией пакетов замедляет процесс взаимодействия конкретной пары абонентов, но повышает пропускную способность сети в целом.

Задержки в источнике передачи:

- время на передачу заголовков;

- задержки, вызванные интервалами между передачей каждого

следующего пакета.

Задержки в каждом коммутаторе:

- время буферизации пакета;

- время коммутации, которое складывается из:

1) времени ожидания пакета в очереди (переменная величина);

2) времени перемещения пакета в выходной порт.

Достоинства коммутации пакетов:

1.Высокая общая пропускная способность сети при передаче пульсирующего трафика. 

2.Возможность динамически перераспределять пропускную способность физических каналов связи между абонентами в соответствии с реальными потребностями их трафика.

Недостатки коммутации пакетов:

  1.Неопределенность скорости передачи данных между абонентами сети, обусловленная тем, что задержки в очередях буферов коммутаторов сети зависят от общей загрузки сети.

2.Переменная величина задержки пакетов данных, которая может быть достаточно продолжительной в моменты мгновенных перегрузок сети.

3.Возможные потери данных из-за переполнения буферов. В настоящее время активно разрабатываются и внедряются методы, позволяющие преодолеть указанные недостатки, которые особенно остро проявляются для чувствительного к задержкам трафика, требующего при этом постоянной скорости передачи. Такие методы называются методами обеспечения качества обслуживания (Quality of Service, QoS).

Сети с коммутацией пакетов, в которых реализованы методы обеспечения качества обслуживания, позволяют одновременно передавать различные виды трафика, в том числе такие важные как телефонный и компьютерный. Поэтому методы коммутации пакетов сегодня считаются наиболее перспективными для построения конвергентной сети, которая обеспечит комплексные качественные услуги для абонентов любого типа. Тем не менее, нельзя сбрасывать со счетов и методы коммутации каналов. Сегодня они не только с успехом работают в традиционных телефонных сетях, но и широко применяются для образования высокоскоростных постоянных соединений в так называемых первичных (опорных) сетях технологий SDH и DWDM, которые используются для создания магистральных физических каналов между коммутаторами телефонных или компьютерных сетей. В будущем вполне возможно появление новых технологий коммутации, в том или ином виде комбинирующих принципы коммутации пакетов и каналов.

Контрольные вопросы:

1. Перечислите виды телефонных сетей.

2. Как строится телефонная сеть?

3. Назовите основные методы коммутации.

4. Изобразите структурную сеть с коммутацией абонентов.

5. Как происходит установление составного канала?

6. Назовите достоинства и недостатки коммутации каналов.

7. Опишите как происходит разбиение сообщений на пакеты.

8. Назовите достоинства и недостатки коммутации пакетов.

3.3 Технико-экономические и потребительские предпосылки перехода к универсальным цифровым технологиям передачи сообщений любого вида

Одним из наиболее мощных факторов прогресса в телекоммуникации является цифровизация информации, средств ее обработки и доставки.

Начавшийся в 60е годы переход от аналоговой формы представления информации всех типов к цифровому формату делает более легко реализуемыми процессы обработки, накопления и транспортировки информации.

Традиционно сети проектировались и строились для определенного вида трафика. Цифровые же сети могут рассматриваться как сети общего назначения, обеспечивающие передачу любого типа информации, сто разрушает устойчивые традиции о создании сетей, предназначенных под конкретные нужды (для передачи речи – телефонные сети, трансляция видео сети ТВ и кабельного телевидения).

Сети связи в настоящее время и в недалеком будущем становятся полностью цифровыми и характеризуются широким применением компьютерных средств.

Всепроникающий компьютинг означает, что микропроцессоры будут использоваться повсюду, оказывая определяющее влияние на характеристики систем. Сети начинают использоваться не только для транспортировки

информации, но и для управления приложениями. Этот процесс ведет к конвергенции и между электросвязью и другими тесно связанными отраслями работающими с содержанием, такими как издательская деятельность развлечения, обучение и др.

Телефон остался сегодня основным видом связи, предоставляя услугу передачи речевых сообщений. Телефонная сеть общего пользования (ТФОП) мира насчитывает сегодня свыше 900 млн. телефонов.

Для повышения качества связи, расширения числа услуг связи, автоматизации сети, в развитых странах с 70-х годов аналоговые и коммуникационные станции переводятся на электронные цифровые. Во многих из них цифровизация междугородной связи закончена, на местных сетях цифровые АТС составляют 80%. Идет быстрое внедрение волоконно-оптических линий связи.

Цифровые системы коммутации более эффективны, чем однокоординатные системы пространственного типа. Основные преимущества цифровых АТС: уменьшение габаритных размеров и повышение надежности оборудования за счет использования элементной базы высокого уровня интеграции; повышение качества передачи и коммутации; увеличение числа вспомогательных и дополнительных служб; возможность создания на базе цифровых АТС и цифровых систем коммутации интегральных сетей связи, позволяющих внедрение различных видов и служб электросвязи на единой методологической и технической основе; уменьшение объема работ при монтаже и настройке электронного оборудования в объектах связи; сокращение обслуживающего персонала за счет полной автоматизации контроля функционирования оборудования и создания необслуживаемых станций; значительное уменьшение металлоемкости конструкции станций; сокращение площадей, необходимых для установки цифрового коммутационного оборудования.

Недостатки цифровых АТС: высокое энергопотребление из-за непрерывной работы управляющего комплекса и необходимости кондиционирования воздуха.

Сети связи в настоящее время и в недалеком будущем становятся полностью цифровыми и характеризуются широким применением компьютерных средств.

Всепроникающий компьютинг означает, что микропроцессоры будут использоваться повсюду, оказывая определяющее влияние на характеристики систем. Сети начинают использоваться не только для транспортировки информации, но и для управления приложениями. Этот процесс ведет к конвергенции и между электросвязью и другими тесно связанными отраслями работающими с содержанием, такими как издательская деятельность развлечения, обучение и др. В последнее время слово «конвергенция» стало очень часто мелькать в статьях и докладах, прямо или косвенно относящихся к вопросам дальнейшего развития телекоммуникационных сетей.

Происхождение интересующего нас термина восходит к латинскому слову «convergo" - приближаюсь, схожусь. Если немного перефразировать общее определение, то конвергенцию можно трактовать как возникновение сходства в строении и функциях у систем, изначально далеких по происхождению и назначению. 

Для определения, более близкого к профессиональному языку связистов, целесообразно изменить некоторые слова. В результате, можно предложить такую трактовку словосочетания «Конвергенция телекоммуникационных сетей» - возникновение сходства в структуре сетей связи, в используемых ими аппаратно-программных средствах и в совокупности услуг, предоставляемых абонентам.

В этом определении выделены три аспекта: структура сети, технические средства их построения и предоставляемые абонентам услуги.  Целесообразно привести три примера, иллюстрирующих эти аспекты конвергенции. Это поможет нам разобраться в другом вопросе - различия между конвергенцией и интеграцией. Часто эти два термина рассматриваются как синонимы, что не совсем правильно. Весьма показателен процесс конвергенции, который можно наблюдать на примере структуры транспортных (первичных) сетей. 

Так, структура городских транспортных сетей чаще всего соответствовала полносвязному графу, то есть все между всеми узлами, которые должны быть соединены, организовывался свой пучок соединительных линий. В междугородных и сельских транспортных сетях практическое применение нашли структуры типа «дерево» и «звезда». В наши дни все перечисленные выше транспортные сети строятся, в основном, на базе кольцевых топологий. Конечно, все эти сети значительно различаются по величине обслуживаемой территории (в этом смысле никакой конвергенции между ними быть не может), но принципы их построения заметно сближаются.

Рассматривая структурные характеристики телекоммуникационных сетей, можно найти и другие, вероятно - более удачные, примеры конвергенции. В частности, на всех уровнях иерархии коммутируемых (вторичных) сетей прослеживается общая тенденция - максимальное использование принципа связи коммутационных станций, который на нашем профессиональном сленге называется «каждая с каждой».

Обратимся к истории автоматизации телефонной связи, которая началась с установки АТС в городских телефонных сетях. Между собой АТС связывались многопарными кабелями. В это же время сеть междугородной связи строилась за счет установки ручных коммутаторов, которые соединялись между собой воздушными линиями связи, уплотняемыми малоканальными аналоговыми системами передачи. Конечно, можно, при желании, найти сходство между АТС и ручным коммутатором, а также между многопарным кабелем и проводами, подвешенными на опорах линий связи. Если быть объективными, различий все еже больше.

Цифровая коммутационная техника и программное обеспечение позволяют максимально унифицировать все виды станций, используемых в телефонной сети. Практически все ведущие производители коммутационного оборудования уже разработали комплекс аппаратно-программных средств, позволяющий выпускать международные, междугородные, городские и сельские станции.

Аналогичную картину можно проследить на примере эволюции систем передачи. В настоящее время одни и те же цифровые системы передачи синхронной иерархии успешно работают как в международной сети, так и в сетях абонентского доступа. Кабель с оптическими волокнами также стал той средой передачи сигналов, которая применяется на всех уровнях иерархии транспортных сетей.

Столь основополагающее понятие, как универсальная цифровая сеть с интеграцией служб электросвязи, требует предварительного международного соглашения. После обсуждения в мировом масштабе в MKKTT были определены следующие основ­ные показатели цифровой сети с интеграцией служб ISDN (Integra­tedServicesDigitalNetwork, рисунке 3.22).

Рисунок 3.22. Цифровая сеть с интеграцией служб ISDN

Основой ISDNявляется цифровизируемая телефонная сеть, т. е. сеть на базе цифровых телефонных каналов 64 кбит/с. Поэто­му по сути ISDN— сеть с коммутацией каналов, однако в ней воз­можна также передача данных с коммутацией пакетов.Соединения от абонента до абонента проходят по непрерывно­му цифровому каналу.

Основной доступ для одного пользователя предусматривает образование в обоих направлениях по два основ­ных канала 64 кбит/с (В-каналы) и одному вспомогательному ка­налу 16 кбит/с (D-канал); соединения через оба канала 64 кбит/с могут быть организованы в различных направлениях. Кроме того, определен (прежде всего, для подключения учрежденческих стан­ций ISDN) первичный доступ, который в зависи­мости от применяемой системы передачи может охватывать до 24 или 30 информационных каналов 64 кбит/с и один вспомогательный канал 64 кбит/с. Основной и первичный доступы могут быть организованы на парах медных жил сущест­вующих абонентских линий. Если использовать оптические волокна, то в ISDNможно также сформировать поня­тия доступа, содержащего широкополосные каналы, например, для передачи подвижных изображений.

Универсальный стык пользователь-сеть позволяет подключить различные оконечные установки для различных видов информа­ции к единой «штепсельной розетке связи». При этом стандартизованы процедуры пользователя для установления и разрушения соединения.

Различные оконечные аппараты одной установки пользовате­ля могут быть включены в конфигурации типов «шина» и «звез­да». Сеть организует соединения не только между установками пользователя, но и, кроме того, между теми оконеч­ными аппаратами установок пользователя, которые соответству­ют требуемой конкретной службе и являются совместимыми.

Абоненты существующих сетей, например аналоговой коммути­руемой телефонной сети, могут быть соединены с абонентами ISDNчерез устройства сопряжения сетей. Если соответст­вующее устройство сопряжения сетей отсутствует, то абонентское устройство должно содержать блок подключения к конкретной сети (на рисунке 3.22штриховой линией показано прямое включение учреж­денческой станции ISDNв коммутируемую сеть передачи текста и данных).

В ISDNосуществляется также техническая интеграция и интегра­ция служб для диалоговой связи и связи по запросу. Она позволяет пользователю получить ряд полезных служб и обеспечивает новые возможности:

- экономичные и многосторонние применения связи вследствие возможности обмена информацией различного вида, например, речью и текстами, текстами и данными, одновременно или поочередно во вре­мени с одной или несколькими установками;

- обмен информацией с сетью (через вспомогательный канал с боль­шой пропускной способностью) и во время установленного соедине­ния без помех передаче полезной информации, например для таких дополнительных услуг, как извещение о поступившем вызове с ин­формацией вызывающего пользователя, указание текущей тарифной единицы;

- улучшенная доступность за счет наличия двух основных каналов, возможностей вспомогательного канала и чередования служб;

- подсоединение оконечных аппаратов, обеспечивающее доступ к различным видам информации простым и единственным способом не только через одну, но и через несколько служб связи; чередование служб, включая активизацию или дезактивизацию соответствующих дополнительных услуг;

- большее распространение систем связи с повышенными скоростими передачи, что прежде всего важно для неречевой связи, например для факсимильнойи передачи данных.

Для пользователя ISDNпрежде всего важны следующие преиму­щества.

Службы и характеристики ISDNоткрывают новые возможности ее применения и увеличения числа соединений через сеть связи.

Организация двух основных каналов на одной линии пользовате­ля повышает практическую ценность существующих абонентских линий.

Единая всеобщая сеть связи с унифицированной для всех служб техникой приводит к унификации эксплуатации и технического обслуживания.

Гибкость цифровой сети позволяет также вводить новые службы связи при сравнительно низких затратах (при известных условиях даже в виде эксперимента).

Концепция ISDNпредусматривает наряду с речью, текстом, дан­ными и неподвижными изображениями возможность передачи под­вижных изображений. Такие важные элементы ISDN, как, например, сигнализация пользователя, блоки управления внутри коммутационной станции, могут быть использованы для коммутации каналов с повышенной пропускной способностью. Естественно, тогда для передачи на участке абонентской линии вместо пар с медными жилами потребуются оптические волокна, а коммутационное поле в станциях коммутациидолжно будет иметь соответствующую пропускную способность.

Такая цифровая сеть, интегрирующая все службы индивидуаль­ной связи, сможет, наконец, взять на себя и службы с разветвленным режимом работы.