3.5. Стандартизация методов коммутации

Международный союз электросвязи определяет коммутацию как «установление индивидуального соединения по требованию между желающими входящим и исходящим абонентами на время, требуемое для передачи информации». Слово «информация» обозначает не только речь, оно объединяет все типы информации, необходимые для предоставления различных телекоммуникационных услуг.

Коммутационное оборудование обеспечивает много услуг, включая высококачественную передачу аудио- и видеосообщений различных стандартов качества, связь между локальными сетями, передачу больших файлов данных и новые интерактивные услуги на основе кабельных телевизионных сетей. Сигнальная информация для установления соединений в сети также должна быть коммутирована. Вследствие этого, количество методов коммутации в сетях общего пользования заметно увеличилось (рис. 3.3). Изначально существовала только коммутация каналов, которая очень подходила для таких служб, как телефонная. Сейчас абонентам требуется лучшее использование пропускной способности среды передачи и большая ширина полосы частот, поэтому были введены и другие технологии.

Поступающее в сеть сообщение должно быть доставлено определенному потребителю информации интерактивной службы связи или одновременно множеству потребителей вещательной службы. Для передачи сообщения из одного оконечного пункта (ОП) в другой нужно установить соединение между этими пунктами, т.е. образовать сквозной канал связи – физический или виртуальный. Эта задача решается с помощью оконечных и транзитных узлов коммутации, соединяемых между собой линиями и организованными на этих линиях каналами связи. Процесс такого соединения называют коммутацией. По способу выполнения различают ручную, полуавтоматическую и автоматическую коммутацию. Ручная коммутация осуществляется телефонисткой коммутатора (устройство ручной коммутации), автоматическая – с помощью автоматических коммутационных приборов, а полуавтоматическая использует сочетание первых двух способов.

Коммутация может быть долговременной или оперативной.

Долговременная (кроссовая) коммутация выполняется сетевым оператором заблаговременно и не связана с поступлением заявки на обслуживание, поэтому она не зависит от потоков передаваемых сообщений и существует в течение значительно большего времени, чем время передачи одного сообщения.

Оперативная коммутация выполняется в соответствии с поступившей заявкой и существует в течение времени, необходимого для передачи данного сообщения.

Кроссовая коммутация. Образование прямых каналов. Кроссирование (долговременное подключение) осуществляется чаще всего вручную. Изменение установленных кроссировок может производиться:

- одноразово – при вводе в строй новых абонентов или участков сети;

- эпизодически – по специальному указанию (для перераспределения каналов в случае повреждения, какого-либо участка сети), а также в зависимости от изменения интенсивности потоков поступающих сообщений;

- по расписанию – переключение группы каналов в определенное время суток.

В некоторых случаях путем установки кроссировок на узлах коммутации УК создаются прямые каналы связи ОП для непосредственного обмена сообщениями. Прямые каналы могут предоставляться в аренду. Использование прямого канала целесообразно, если между ОП постоянно существует большой поток сообщений и канал загружен не менее, чем на 40% времени, а также при большой важности и срочности сообщений. Применение кроссовой коммутации целесообразно только в тех случаях, когда требования пользователей исключительно высоки, и они не могут удовлетворять при применении оперативной коммутации.

Наиболее эффективный способ повышения производительности сети – применение одного из способов оперативной коммутации: коммутация каналов КК, коммутация сообщений КС, коммутация пакетов КП или гибридная коммутация ГК.

Коммутация каналов. При коммутации каналов на время передачи сообщения между пользователями создается последовательное соединение каналов или линий, называемое соединительным трактом. Все создаваемые соединения – дуплексные. На каждом УК для установления соединения выбирается один из свободных каналов нужного направления связи и осуществляется соединение его с предыдущим и последующим каналами или с абонентом. Соединение от одного УК непосредственно к другому УК называется прямым направлением. При отсутствии свободных каналов в прямом направлении может быть использовано обходное направление связи через промежуточный (транзитный) УК. Коммутация каналов применяется в сетях, где информация передается в реальном масштабе времени (телефонные сети, сети абонентского телеграфа, некоторые сети ПД). Процесс обслуживания при КК можно разделить на три стадии: сигнализация для установления соединения, обмен полезной информации по установленному соединению, сигнализация для разъединения.

Недостатки КК:

- возможность отсутствия свободных каналов в требуемом направлении;

- большое время установления соединения;

- заданная скорость передачи информации на цифровых участках сети – 64 Кбит/с;

- высокие требования к синхронизации сети.

Несмотря на указанные недостатки, этот вид коммутации широко применяется. При КК абоненты на определенное время получают двухсторонний канал связи, по которому можно вести натуральный обмен информацией. Информация во время обмена между пользователями доставляется практически без задержки, так как не требует ее обработки в УК. Управляющие устройства узлов КК участвуют в обслуживании вызова только на стадии сигнализации, т.е. при установлении и разрушении соединения. Это обуславливает высокую пропускную способность систем управления узлов КК.

Коммутация сообщений. В службах связи, где передача сообщений ведется не в реальном масштабе времени, возможна некоторая их задержка. В таких случаях может применяться коммутация сообщений, состоящая из приема, накопления и последующей передачи сообщений в соответствии с их адресом. При этом само сообщение состоит из двух частей: заголовка и самого сообщения. Кроме адреса, заголовок может содержать категорию приоритета и другую необходимую информацию. Сообщение полностью формируется в абонентском терминале. Узел коммутации сообщений (в сетях с КС его называют центр коммутации сообщений, ЦКС) принимает сообщение, записывает его в ЗУ, анализирует заголовок, проверяет достоверность принятой информации и передает это сообщение в другой транзитный ЦКС либо по АЛ в терминал получателя информации. Рис. 3.4 поясняет принцип КС. Передача сообщения проходит в несколько этапов:

а) прием сообщений, поступающих из ОП–1 и ОП–2, и контроль их достоверности, на рисунке сообщения пронумерованы в соответствии с моментами окончания их передачи, адреса сообщений разные;

б) запись в ЗУ сообщений в порядке их поступления;

в) перезапись сообщений из ЗУ–1 в ЗУ–2 с формированием двух очередей в соответствии с их

адресами и приоритетами (сообщения 5, 1, 4);

г) передача сообщений по направлениям связи, соответствующим адресам, при наличии свободных каналов в этих направлениях.

В общем случае ЦКС можно представить как систему массового обслуживания с ожиданием. В каждом ЦКС происходит задержка информации на время ее обработки, поэтому для сети с КС важным показателем является время доставки сообщения. По сети с КС нельзя вести телефонный обмен, однако КС имеет и существенные преимущества: нет необходимости устанавливать сквозной тракт от абонента А до абонента Б, поэтому не нужно согласовывать между собой его участки. На разных этапах и на разных участках передача сообщений может вестись с разной скоростью (на рис. 3.4 этапы а и б – с низкой скоростью, этапы в и г – с высокой); повышается использование каналов до h = 93-98% в результате предварительного формирования очереди и увеличения скорости передачи.

Метод КС имеет весьма существенный недостаток, определяемый принципом переприема – время задержки в сетях с КС является величиной переменной и носит случайный характер. На величину задержки влияют пропускная способность каналов и быстродействие ЦКС, а также интенсивность потока сообщений, поступающих в сеть. Система более устойчива к перегрузкам, чем КК, за счет хранения сообщений в ЗУ при невозможности их немедленной передачи. В ней возможны: задержки сообщений, если приемный пункт не работает; регистрация всех проходящих через узел сообщений (благодаря хранению их в ЗУ); а также повторная выдача информации из ЗУ при обнаружении ошибки (по запросу из приемного пункта). Кроме этого, возможно приоритетное обслуживание наиболее важных сообщений и циркулярная передача одного сообщения нескольким адресатам. Отсутствуют жесткие требования к синхронизации. Другой недостаток сети с КС – невозможность организации диалога между пользователями из-за отсутствия прямого соединения между АП.

Коммутация пакетов сообщений. Возможность живого диалога между пользователями обеспечивает способ коммутации пакетов сообщений, в котором принятое сообщение (обычно большой длины) разбивается на небольшие части одинакового объема – пакеты. Каждому пакету присваивается одинаковый адрес получателя и порядковый номер пакета (см. операцию а на рис. 3.5). Пакеты передаются через сеть по различным свободным путям в любом порядке (операция б). На вызываемом УК пакеты принимаются и записываются в ЗУ в порядке их прибытия (операция в), а затем восстанавливается (собирается) сообщение из пакетов в порядке их нумерации (операция г) и передается абоненту. Процесс передачи пакетов аналогичен передаче сообщений, поэтому КП можно считать разновидностью коммутации сообщений. Важная особенность метода КП – одновременное коллективное использование каналов значительным числом пользователей. Здесь физические тракты не создаются, и ни один канал не отдается в монопольное владение паре пользователей. По каждому из каналов по мере поступления передаются блоки данных.

При использовании КП в режиме диалога обеспечивается передача не только данных, но (с некоторыми трудностями) и речи. Трудности связаны с тем, что речь «упаковывается» в последовательности пакетов, интервалы времени между которыми на приеме не должны превышать определенных пределов. Для передачи речи непрерывный сигнал превращается в последовательность битов (примерно со скоростью не менее 8000 бит/с). Из потока битов собирается последовательность пакетов, передаваемая через сеть. Оконечный пункт, получив последовательность пакетов, выполняет обратное преобразование, восстанавливая естественную форму речи. При передаче речи может использоваться ее избыточность в информативном отношении, благодаря этому часть запоздавших пакетов может быть выброшена без существенных искажений речи. Исследования показали, что при потере до 10% пакетов речь все еще имеет приемлемое качество.

К недостаткам КП можно отнести:

- необходимость дополнительных процедур формирования пакетов;

- ожидание прибытия на конечный пункт всех пакетов одного сообщения для его восстановления, что требует увеличения ресурса УУ;

- вместо анализа одного заголовка эти действия необходимо производить столько раз,

- сколько пакетов составляет одно сообщение.

Преимущества КП:

- ускорение передачи сообщений за счет использования обходных направлений и сокращения задержек на УК;

- повышение использования каналов вследствие одновременной передачи частей сообщений по различным путям;

- возможность обхода поврежденных или занятых участков сети;

- уменьшение необходимой емкости ЗУ и его стандартизация;

- восстановление ошибочной передачи за счет повторной передачи только искаженной части, а не всего сообщения в целом.

При КП, как и при КС, в системе передачи нет необходимости производить деление общего ресурса на каналы. Вся СП представляет собой моноканалы с определенной скоростью передачи информации. Аналогично КС при различных коммутируемых участках тракта передачи возможно использование различных скоростей и нет необходимости обеспечивать синхронизацию тракта от терминала передачи до терминала приема. Однако на каждом из участков необходима битовая синхронизация. Коммутация пакетов требует не только высокой производительности УУ, но и наличия систем с высокой скоростью передачи информации. КП может осуществляться в датаграммном и виртуальном режиме.

Гибридная коммутация. Опыт и расчеты показывают, что экономически выгодно по одним и тем же каналам передавать любую информацию, требующую определенного времени доставки, допускающую появление случайных величин запаздывания. В этой связи возникла необходимость создания смешанной коммутации, обеспечивающей на базе одного и того же УК коммутацию, как каналов, так и пакетов. КП вносит в процессе передачи временные задержки, КК обычно предоставляет обслуживание с возможностью блокировок, т.е. отказов пользователям в доступе к сети, если сетевые ресурсы недоступны. В этих условиях технически и экономически целесообразным оказалось создание гибридной коммутации, сочетающей как КК, так и КП.

При использовании ГК возможно статическое, динамическое и адаптивное раз-деление пропускной способности цифрового тракта передачи. При статическом распределении часть цифровых каналов используется для передачи информации по принципу КК, оставшиеся каналы, в совокупности образующие один общий канал с повышенной скоростью передачи, используются для КП. Этот способ рекомендуется, когда нагрузка пакетной информации гораздо меньше речевой. При динамическом распределении число каналов, работающих в режиме КК и КП, может изменяться в зависимости от поступающей нагрузки. Динамическое распределение повышает использование каналов связи, однако, увеличивает нагрузку на УУ, возлагая на них функции по переключению каналов. При адаптивном распределении все каналы работают в режиме КК, а для передачи пакетной информации используются паузы в речевой информации. Для его реализации необходим опознаватель активности речевого канала, обеспечивающий переключение на передачу речи или пакетной информации на передающей стороне. На приемной стороне обеспечивается аналогичное переключение, для чего вводится специальный маркер, отмечающий начало и конец пакетной информации. При адаптивной коммутации использование каналов максимально, но она требует дополнительных затрат на опознавание активности речевого канала. Во всех случаях гибридной коммутации на сети необходима цикловая и битовая синхронизация.

Быстрая коммутация каналов является развитием КК и ориентирована на передачу пакетной информации. При КК устанавливается сквозное соединение между двумя абонентами, поддерживаемое на время обмена информацией. При БКК соединение в КУ поддерживается только на время передачи одного пакета, т.е. для передачи каждого пакета на КУ устанавливается соединение, осуществляется передача пакета, и соединение разрушается. БКК требует высокой производительности УУ и высокоскоростной межстанционной системы сигнализации, однако при этом не обязательно иметь высокоскоростной канал передачи информации пользователя.

Интегральная коммутация, как и гибридная, предназначена для обеспечения совместной передачи информации с заданным и случайным временем доставки блоков данных. Однако интегральная коммутация отличается от гибридной тем, что здесь КК и КП осуществляется одновременно в каждом физическом канале. Для обеспечения интегральной коммутации в каждом канале организуется группа виртуальных каналов. Любой из них работает так, что у пары взаимодействующих оконечных систем создается впечатление, что они, используя виртуальный канал, передают блоки данных по выделенному им физическому каналу. Важно отметить, что предыдущие способы коммутации оперировали со значительным (не менее трех) числом каналов. Интегральная коммутация может осуществляться при наличии только одного физического канала, например, моноканала. На базе интегральной коммутации предоставляется возможность передавать любые виды информации: данные, неподвижные изображения, речь и видео.