1573

Коммутация каналов

Коммутаторы, а также соединяющие их каналы должны обеспечивать одновременную передачу данных нескольких абонентских каналов. Для этого они должны быть высокоскоростными и поддерживать какую-либо технику мультиплексирования абонентских каналов. В зависимости от способов мультиплексирования (см. п.2.3) абонентских каналов различают коммутацию на основе техники частотного мультиплексирования (Frequency Division Multiplexing, FDM) и тех-

ники мультиплексирования с разделением времени (Time Division Multiplexing, TDM).

На входы FDM-коммутатора поступают исходные сигналы, например, от абонентов телефонной сети. Коммутатор выполняет перенос частоты каждого канала в свой диапазон частот. В уплотненном канале между двумя FDM-коммутаторами одновременно передаются сигналы всех абонентских каналов, но каждый из них занимает свою полосу частот.

Рис. 4.3. Коммутация на основе частотного уплотнения

Выходной FDM-коммутатор выделяет модулированные сигналы каждой несущей частоты и передает их на соответствующий выходной канал, к которому непосредственно подключен абонентский телефон.

61

Коммутаторы FDM могут выполнять как динамическую, так и постоянную коммутацию. При динамической коммутации один абонент инициирует соединение с другим абонентом, посылая в сеть номер вызываемого абонента. Коммутатор динамически выделяет данному абоненту одну из свободных полос своего уплотненного канала. При постоянной коммутации за абонентом полоса в 4 кГц закрепляется на длительный срок путем настройки коммутатора по отдельному входу, недоступному пользователям.

В цифровых телефонных сетях используются коммутаторы, работающие на основе техники мультиплексирования с разделением времени. Аппаратура TDM-сетей – мультиплексоры, коммутаторы, демультиплексоры – работает в режиме разделения времени, поочередно обслуживая в течение цикла своей работы все абонентские каналы. Коммутатор принимает уплотненный кадр по скоростному каналу от мультиплексора и записывает каждый байт из него в отдельную ячейку своей буферной памяти, причем в том порядке, в котором эти байты были упакованы в уплотненный кадр. Для выполнения операции коммутации байты извлекаются из буферной памяти не в порядке поступления, а в таком порядке, который соответствует поддерживаемым в сети соединениям абонентов.

Сети, использующие технику TDM, требуют синхронной работы всего оборудования, что и определило второе название этой техники – синхронный режим передач. Нарушение синхронности разрушает требуемую коммутацию абонентов, так как при этом теряется адресная информация. Поэтому перераспределение тайм-слотов между различными каналами в оборудовании TDM невозможно, даже если в каком-то цикле работы мультиплексора тайм-слот одного из каналов оказывается избыточным, так как на входе этого канала в данный момент нет данных для передачи (например, абонент телефонной сети молчит). Сети TDM могут поддерживать либо режим динамической коммутации, либо режим постоянной коммутации, а иногда и оба эти режима. Так, например, основным режимом цифровых телефонных сетей, работающих на основе технологии TDM, является динамическая коммутация, но они поддерживают также и постоянную коммутацию, предоставляя своим абонентам службу выделенных каналов.

Сегодня практически все данные – голос, изображение, компьютерные данные –передаются в цифровой форме. Поэтому выделенные каналы TDM-технологии, которые обеспечивают нижний уровень для

62

передачи цифровых данных, являются универсальными каналами для построения сетей любого типа: телефонных, телевизионных и компьютерных.

Коммутация пакетов

Для увеличения пропускной способности сетей была разработана техника коммутации абонентов на основе коммутации пакетов. Эта техника впервые была применена для эффективной передачи компьютерного трафика в вычислительных сетях, а позднее, при развитии компьютерных технологий, и в цифровой телефонии (сети ISDN).

При коммутации пакетов все передаваемые пользователем сети сообщения разбиваются в исходном узле на сравнительно небольшие части, называемые пакетами. Пакеты могут иметь постоянную или переменную длину. 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. 4.4). 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. 4.4. Разбиение сообщения на пакеты

Коммутаторы пакетной сети отличаются от коммутаторов каналов тем, что они имеют буферную память для временного хранения

63

пакетов, если выходной порт коммутатора в момент принятия пакета занят передачей другого пакета. 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.

4.2. Цифровые сети с интегрированным сервисом (ISDN)

Основная цель ISDN – объединение в рамках одной сети голоса, звука, изображения и цифры. Телефон сетей ISDN должен обеспечивать самый разнообразный сервис: программируемые функции, показ номера телефона, от которого поступил звонок, имя звонящего, умение работать с компьютером – выдать запрос к базе данных и высветить на экране ответ, переадресовать звонки, удаленный доступ к своему телефону, автоматические звонки в скорую помощь, полицию, пожарную службу в случае опасности и т.д.

Основой архитектуры сетей ISDN является концепция потока битов в цифровой форме или просто цифрового потока между пользователем и системой передачи, через которую этот поток будет передаваться. При этом не важно, как был сформирован этот поток битов – телефоном, факсмашиной, компьютером и т.п. Цифровые потоки строго специфицированы , т.е. определены интерфейсы, формат цифрового потока и правила мультиплексирования. Было разработано два стандарта: один для низкоскоростной передачи для домашнего использования и высокоскоростной – для бизнес-приложений. На рис. 4.5 показаны основные конфигурации использования ISDN[4]. Провайдер службы ISDN устанавливает сетевое оконечное устройство пользователя – NT1. NT1 соединено, с одной стороны, с оборудованием пользователя, а с другой – с устройством обмена в помещении поставщика сервиса. NT1 может быть удалено от устройства обмена на несколько километров и соединено с ним витой парой обычного телефонного соединения. К одному NT1 может быть подключено до 8 устройств пользователя. С точки зрения пользователя, граница сети

ISDN – NT1.

64

Рис. 4.5. Структура сети ISDN

Устройство NT2 – устройство обмена второго уровня, которое соединено с NT1 и обеспечивает связь с телефонами, терминалами в офисе, а также их мультиплексирование. Таким образом, NT2 – это, по существу, ISDN-коммутатор.

Для оборудования сетей ISDN определено четыре вида точек подключения: R, S, T, U. Интерфейс U – определяет соединение между коммутатором провайдера служб телефонных сетей (PSTN) и NT1. На сегодня это медная витая пара или оптоволоконная линия. Соединение Т – определяет подключение NT1 к оборудованию в офисе пользователя. S – подключение NT2 к терминалам ТЕ1. Соединение R – адаптер между ISDN-терминалом и оборудованием, которое не принадлежит к сетям ISDN. Подключение типа Т позволяет подключить 23 телефонных канала, что хорошо укладывается в стандарт Т1 и 30 каналов – для Е1. Однако надо подчеркнуть, что для одного низкоскоростного ISDN-терминала доступна скорость не более 64 Kbps.

Для использования линии ISDN необходимо подключаться через телефонную компанию, поддерживающую подключения к сетям ISDN. В этом случае необходимо установить совместимое устройство связи и заключить с телефонной компанией контракт на использование ISDN-оборудования. Терминальный адаптер реализуется обычно

65

ввиде платы, устанавливаемой в персональный компьютер и дающий ему возможность непосредственно подключиться к оконечному оборудованию линии ISDN, которое установил провайдер этой сети.

Высокоскоростные сети B-ISDN (Broadband ISDN) – это цифровые виртуальные каналы, по которым движутся пакеты фиксированной длины (ячейки) со скоростью 155 Мбит/с . Такой скорости вполне достаточно, чтобы удовлетворить даже такие приложения, как высококачественное телевидение.

Основной технологией, которая делает возможным реализацию

B-ISDN, является ATM (Asynchronous Transfer Mode) или режим асинхронной передачи, технология коммутации, в которой для пересылки данных применяются ячейки фиксированной длины. Технология АТМ разрабатывалась в расчете на телефонные сети передачи данных, функционируя с высокими скоростями, поддерживает интегрированную передачу речи, видео и данных в одном канале, выполняя роль и локальных, и территориально-распределенных сетей. Поскольку работа сетей АТМ отличается от разновидностей Интернет и требует специальной инфраструктуры, то эти сети в основном применяются в качестве магистральных сетей, соединяющих и объединяющих сетевые сегменты. Технология АТМ разрабатывалась сначала как часть технологии B-ISDN, позднее стала развиваться самостоятельно как разновидность вычислительных сетей.

Основная единица передачи в стандарте АТМ – это ячейка. Ячейка содержит в себе 48 байт данных и 5 байт заголовка. Частично это необходимо, чтобы обеспечить очень маленькое время задержки при передаче мультимедийных данных. Размер ячейки является компромиссом между американскими телефонными компаниями, которые предпочитают размер ячейки 64 байта, и европейскими, у которых он равен 32 байтам. Размер ячейки в 48 байт плюс пятибайтовый заголовок являются причиной того, что только 90,5 % пропускной полосы тратится на передачу полезной информации. В заголовке 24 бита отдано идентификатору виртуального соединения, 8 бит – контрольные, оставшиеся 8 бит отведены для контрольной суммы. Из 48 байт содержательной части 4 байта может быть отведено для специального адаптационного уровня ATM, а 44 – собственно под данные. Адаптационные байты позволяют объединять короткие пакеты ATM

вболее крупные сущности, например, в кадры вычислительной сети. Ethernet. В контрольном поле содержится служебная информация о

66

пакете. Устройства АТМ устанавливают связь между собой и передают данные по виртуальным каналам связи, которые могут быть временными или постоянными. Постоянный канал связи – это путь, по которому передается информация. Он всегда остается открытым вне зависимости от трафика. Временные каналы создаются по требованию и, как только передача данных заканчивается, закрываются.

Основные достоинства сетей ISDN:

– предоставление пользователю широкого круга качественных услуг: передача данных, телефония, объединение ЛВС, доступ к Интернету, передача видео-и аудиотрафика;

–использование обычных двухпроводных линий связи с мультиплексированием одного канала между несколькими абонентами;

–более высокая, чем при работе с традиционными модемами, скорость передачи информации по телефонным каналам связи — до 128 Кбит/с на один канал;

–эффективность эксплуатации в корпоративных сетях.

Недостатки сетей:

–большие единовременные затраты при создании и модернизации сети;

–синхронное использование каналов связи, не позволяющее динамически подключать к работающему каналу новых абонентов.

Следует сказать, что для работы по цифровым каналам связи, особенно по выделенным цифровым каналам, существуют технологии, позволяющие передавать информацию с гораздо большими ско-

ростями. Например, технологии SDH (Synchronous Digital Hierarchy) и SONET (Synchronous Optical NET) [5] обеспечивают скорости переда-

чи, в частности по волоконно-оптическому кабелю, до 2488 Мбит/с.

4.3. Передачи данных по технологии АDSL

Многие телекоммуникационные компании внедряют различные варианты цифровых абонентских линий DSL (Digital Subscriber Line):

–симметричная цифровая абонентская линия (SDSL);

–цифровая абонентская линия с переменной скоростью (Rate Adaptive DSL, RADSL);

–быстрая цифровая абонентская линия (High speed DSL, HDSL);

67

– сверхбыстрая цифровая абонентская линия (Very high speed DSL,VDSL).

Варианты использования цифровых абонентских линий отличаются использованием от одной до трех телефонных пар и выбором скорости передачи данных.

Наибольшее внимание специалистов привлекла технология асимметричной цифровой абонентской линии (Asymmetric Digital Subscriber Line, АDSL), использующая телефонное соединение абонента с ближайшей телефонной АТС. В то время как обычные модемы рассчитаны на работу с полосой пропускания в 3100 Гц, модемы DSL могут получить в свое распоряжение полосу порядка 1 МГц – эта величина зависит от расстояния до АТС и сечения используемых проводов. ADSL-модемы, подключаемые к обоим концам короткой линии между абонентом и АТС, образуют три канала: быстрый канал передачи данных из сети в компьютер, менее быстрый дуплексный канал передачи данных из компьютера в сеть и простой канал телефонной связи, по которому и передаются обычные телефонные разговоры. Передача данных в каналах с высокой пропускной способностью происходит со скоростью от 1,5 до 8 Мбит/с, в дуплексных же каналах данные передаются со скоростью от 16 Кбит/с до 1 Мбит/с. В обоих случаях конкретная величина скорости передачи зависит от длины и качества линии.

В противоположность каналам ISDN, которые расширяют цифровые возможности телефонных сетей общего пользования (ТФОП), каналы АDSL отделены от телефона линейным интерфейсом. Как показано на рис. 4.6 , каналы АDSL оканчиваются в АТС, где потоки данных направляются или принимаются от устройств, отделенных от телефонной сети. Доступ по АDSL имеет два основных преимущества по сравнению с ISDN. Во-первых, скорость передачи данных к абоненту гораздо выше основной скорости 128 кбит/с в системе ISDN. Во вторых, АDSL совмещает цифровую передачу со стандартной аналоговой по проводной телефонной паре . Таким образом, АDSL остается совместимой с обычными аналоговыми телефонами, тогда как для работы с ISDN необходимо заменить телефон на цифровой либо работать через преобразователь.

68

Рис.4.6. Конфигурация сети АDSL

Для каналов передачи АDSL были разработаны две версии: ам- плитудно-фазовая модуляция с подавлением несущей (Carrierless Amplitude and Phase,CAR) и модуляция цифровым многотональным сигналом (Digital Multi-Tone, DMT). При реализации модулятора используется обратное быстрое преобразование Фурье (ОБПФ), а в качестве демодулятора – быстрое преобразование Фурье (БПФ). В устройствах АDSL реализуются следующие основные функции.

В режиме обучения определяются характеристики канала: затухание и фазовые искажения, отношение сигнал / помеха, информационная пропускная способность. По измеренным характеристикам производится привязка информационных битов к подканалам.

Для устранения ошибок используются корректирующие коды Рида – Соломона [см. формулу (3.1)] и сверточный код.

На обоих окончаниях линии для разделения аналоговой речи и данных используется разделитель. В некоторых версиях ADSL функции разделения содержатся в модеме.

69

Вопросы для самоконтроля

1.Для чего используются коммутаторы?

2.В чем отличие коммутации каналов и коммутации пакетов?

3.Как связаны между собой методы мультиплексирования и методы коммутации?

4.Объясните преимущества цифровых телефонных сетей перед аналоговыми ?

5.В чем отличие цифровых потоков низкоскоростных и высокоскоростных сетей ISDN?

6.Какие способы мультиплексирования используются в ISDN?

7.Какова структура цифрового потока АТМ сетей?

8.Что такое виртуальный канал?

9.В чем отличие каналов ISDN и ADSL?

10.В чем асимметричность передачи данных в ADSL?

11.Для чего в ADSL используются коды Рида–Соломона?

12.Для чего в ADSL реализован режим обучения?

70