3.6. Стандартизация режимов переноса
Организация МСЭ–Т ввела термин режим переноса (РП), который означает правила передачи информации от одного абонента к другому. Понятие режима переноса включает в себя взаимодействие методов коммутации, мультиплексирования и пакетирования информации. Различают следующие режимы переноса: канальный, пакетный, кадровый и ячеечный, все они стандартизованы МСЭ–Т и все соответствуют первому – третьему уровням ВОС. Классификация режимов переноса основана на методе разделения информации на блоки для передачи по сети (рис. 3.6).
Это или отдельные биты, или пакеты, или кадры различной длины, или ячейки, имеющие фиксированную длину, превышающую размер пакета. Пакет состоит из нескольких байтов (групп из 8 битов). Минимальный пакет содержит 16 байт, а максимальный – 1024 байт. Кроме адресной информации, пакет может содержать управляющую информацию, информацию по устранению ошибок и ретрансляционную. Этой информацией располагают первый – третий уровни модели ВОС.
Метод коммутации каналов, при котором коммутация основана на расположении временных интервалов в кадре (рис. 3.7), используется при передаче речевых сообщений. Коммутация каналов с постоянным соединением означает, что коммуникационной фазе предшествует фаза установления соединения, при которой осуществляется сигнальный обмен. Традиционно для определения этой технологии передачи использовался термин «коммутация каналов», но термин «канальный режим» является более корректным, принимая во внимание, что должен учитываться и метод мультиплексирования. Этот термин МСЭ–Т предложен в Рекомендации І.231 «Категории платформ предоставления услуг канального режима». Вначале информация передавалась как длительный сигнал на всем пути от одного телефонного абонента к другому.
Когда в 1960 году начала развиваться цифровая технология передачи, появились системы импульсно-кодовой модуляции (ИКМ), созданные для канального режима и для передачи с интервалами времени (слотами). Разделение на слоты требует разделения информации на блоки такой же длины, как и слот. За основу берется блок телефонного происхождения, но он может содержать и текстовые сообщения телекса, аварийные сигналы и т. п. При канальном режиме нет необходимости вводить в передаваемую информацию дополнительные биты. Блок передается по адресу, указанному в сигнальном сообщении.
Основой общедоступного канального режима является битовая скорость 64 Кбит/с в каждом канале, поскольку технология развивалась для речевых служб. Мультиплексирование потоков скоростью 64 Кбит/с осуществляется поэтапно.
Как правило, канальный режим используется и для видеопередачи, при этом полоса пропускания превышает 64 Кбит/с, что определяет коммутируемую полосу частот более 2 Мбит/с.
Поскольку канальный режим разработан для речевой службы, то при его использовании для ПД должна быть адаптирована компьютерная технология связи.
Передачу данных с КК описывают рекомендации МСЭ–Т: V.24 и Х.21 для сетей ПД общего использования с коммутацией каналов.
Пакетный и кадровый режим означают, что информация делится на пакеты различной длины, снабженные заголовком, определяющим путь передачи по сети. Метки, относящиеся к заголовкам и трейлерам (дополнительным указателям в конце пакета), используются для мультиплексирования, коммутации, обнаружения неисправности и т. д. Системы с пакетным режимом оптимизированы для часто прерывающейся передачи данных. Тип сообщения ПД зависит от его назначения и подразделяется на: интерактивные прикладные программы (вопрос-ответ) и пакеты прикладных программ (передача больших файлов данных). Интерактивная программа требует короткого времени отклика. Для передачи сообщений группы прикладных программ был создан пакетный режим, с целью предоставления возможности пользователю занимать канал только в течение процесса передачи. В этом случае каждому пользователю отдельный канал не предоставляется, передача информации занимает требуемую полосу частот. Рекомендации для пакетного режима описывают протоколы І.232 и Х.25.
Кадровый режим разработан для оптимального использования полосы частот и устранения задержек в сети. Ретрансляция кадров (Frame Relay) применяет более высокоскоростную технологию, чем технология, используемая при пакетном режиме протокола Х.25. Frame Relay использует виртуальный режим с переменной длиной пакетов подобно пакетному режиму. Пакеты подвергаются минимальному контролю на своем пути через сеть. Для реализации кадрового режима необходимы высококачественные каналы – иначе ретрансляция из конца в конец приведет к длительной передаче и длительному времени отклика. Кадровый режим, главным образом, используется для взаимосвязи локальных сетей.
Рекомендации ITU для кадрового режима: I.233 и I.122 – «Кадровый режим предоставления услуг».
Ячеечный режим – это компромисс между канальным и пакетным режимами, разработанный с целью создания универсального режима передачи. Ячейки имеют фиксированную длину, так же как и интервалы времени в канальном режиме, однако длина ячейки намного больше, чем слот. Так же как и пакеты в пакетном режиме, каждая ячейка имеет заголовок, но из-за фиксированной длины ячейки нет необходимости в трейлере.
Меточное мультиплексирование (рис. 3.8 а) используется при пакетном, кадровом и ячеечном режимах. При меточном мультиплексировании имеющаяся пропускная способность передачи может быть разделена между несколькими соединениями без наличия у любого из них зарезервированной пропускной способности. Метка, принадлежащая каждому пакету информации, идентифицирует соединение, поэтому исчезает необходимость находить ячейки или пакеты, принадлежащие одному и тому же соединению, через одинаковые интервалы. Наиболее существенной характерной чертой всех режимов меточного мультиплексирования является их способность эффективно использовать полосу частот. В меточном мультиплексировании полоса частот доступна по мере необходимости. При пакетном, кадровом и ячеечном режимах маршрут через станцию выбирается при помощи метки. Информационные пакеты движутся от входного буфера к выходному.
При канальном режиме используется позиционное мультиплексирование (рис. 3.8. б), в котором отсутствуют метки, поэтому соединение должно идентифицироваться по-другому. Соединение как бы привязывается к определенному временному интервалу в системе передачи. Соотношение между соединением и количеством временных интервалов регулируется системой сигнализации.
Позиционное мультиплексирование требует больших ресурсов, чем меточное, поскольку временные интервалы резервируются на все время, необходимое для каждого соединения. При канальном режиме соединение идентифицируется его позицией в СП – временной интервал на входе соединяется с временным интервалом на выходе. Номер, набираемый абонентом и передаваемый системой сигнализации, определяет маршрутизацию вызова.
Каждый временной слот повторяется через одинаковые интервалы в течение всего вызова, и в те же самые интервалы соединение должно быть установлено на станции. В промежутках между временными слотами соединения не устанавливаются.
В кадровом режиме, так же как и при применении передачи по протоколу Х.25, сетевые ресурсы используются пользователями совместно, а данные разделяются на большие пакеты. Поскольку протокол Х.25 разработан в то время, когда качество передачи по каналам было плохим, он предусматривает определение всех ошибок и осуществление текущих контрольных функций. Например, узел посылает четыре пакета и ждет достижения ими приемного узла перед тем, как послать другие четыре пакета. Эта процедура объясняет, почему передача данных согласно протоколу Х.25 занимает много времени.
Для пояснения основных различий между Х.25 и Frame Relay воспользуемся моделью ВОС. Протокол Х.25 охватывает первый – третий уровни модели ВОС. Третий уровень описывает, как несколько логических каналов организуются в одном физическом соединении, и каким способом образуются и разрушаются виртуальные соединения. Второй уровень описывает, как данные формируются в пакеты, как эти пакеты формируются в кадры, и каким образом ошибочные биты исправляются при ретрансляции. Оба эти уровня (второй и третий) содержат процедуры для текущего контроля, распознавания и проверки правильности порядка доставки кадров и пакетов. Первый уровень описывает физические соединения.
Ретрансляция кадров в настоящее время использует только первый уровень и упрощенный второй уровень. Вместо сложного протокола для обнаружения и исправления ошибок используется только простая процедура обнаружения ошибок для того, чтобы дать гарантию, что ошибочные данные будут отброшены. За любую ретрансляцию отвечают высшие уровни терминального оборудования. Причина неиспользования третьего уровня заключается в том, что соединения осуществляются сетевым оператором, и нет необходимости в функциях по установлению и разъединению индивидуальных виртуальных трактов (третий уровень), как в Х.25. Нужен только второй, адресный уровень. Недостатком такого метода является ретрансляция на любом пути через всю сеть, а не только через канал, где может произойти ошибка. При плохом качестве канала необходимо большое число ретрансляций, а, следовательно, нежелательных задержек, поэтому ретрансляция кадров должна использоваться только при высокой помехозащищенности каналов и низком коэффициенте ошибок. Значение коэффициента ошибок менее 10-3 часто упоминается, как граничная величина, где Frame Relay начинает превосходить Х.25. Текущий контроль в Frame Relay проще, чем в Х.25. Вместо использования процедуры распознавания для подтверждения правильности принятой информации пользователь предполагает, что передача данных осуществляется правильно. Если сеть перегружена, узел Frame Relay может послать сигнал предупреждения, вследствие чего внешний трафик будет ограничен.
На рис. 3.9 показан формат кадра несущего нагрузку при использовании Frame Relay. Кадр содержит как данные пользователя, так и адрес, называемый идентификатором соединения канала данных (data link connection identifier, DLCI). Адрес определяет, какой текущий кадр, в какую локальную сеть будет передан. Конечная адресация определенной рабочей станции в локальной сети осуществляется посредством данных пользователя. Обозначая различные кадры различными значениями DLCI, можно создать одновременно несколько виртуальных соединений в одной физической линии. Так как DLCI имеет только локальное значение (для соединения между двумя узлами), необходимо его изменять в процессе прохождения через сеть.
Кадр ограничивается двумя флагами F (специальными битами). Между этими флагами находится адрес, биты для текущего контроля, данные пользователя и контрольная последовательность битов (frame check sequence, FCS), предназначенная для определения ошибочных битов. Как и в Х.25, поле для данных пользователя в кадре Frame Relay имеет переменную длину, поэтому задержка через узлы непредсказуема: она может меняться от одного кадра к другому. Это означает, что Frame Relay не очень хорошо подходит для синхронных служб (таких, как телефония), требующих минимальной и, главное, постоянной задержки. В настоящее время технология Frame Relay стандартизована только для постоянных виртуальных соединений. Это означает, что виртуальные соединения постоянно существуют (установлены) между двумя сетями. Эти соединения осуществляет оператор. Пользователи в связанных сетях не могут контролировать установление и разъединение соединений. Посредством сигнализации пользователь может установить так называемое коммутируемое виртуальное соединение к другому пользователю.
Рекомендации для ячеечного режима. Ячеечный режим охватывает асинхронную технологию передачи АТМ и использование двойной шины с распределенной очередью (DQDB). В сетях общего пользования предполагается внедрение технологии АТМ и в скором времени будет возможным предоставление различных видов услуг в одной широко-полосной сети вне зависимости от того, как посылается информация – продолжительно или пакетами. Технология АТМ вполне может быть первым режимом передачи, способным предоставлять платформу всем службам. Это означает возможность осуществления передачи речи так же хорошо, как данных и видеоинформации в ячейках фиксированной длины. С использованием ячеечного режима можно передавать сообщения, созданные при использовании любого другого режим переноса (рис. 3.10).
При передаче информации по сети все больше будет возрастать необходимость в смене режима передачи, что требует перепакетирования.
Основа технологии АТМ – ячейка. Сеть АТМ состоит из узлов и каналов АТМ. Постоянный поток ячеек АТМ, несущих информацию соответствующих служб, передается в каждом канале. Неиспользуемое пространство в потоке ячеек содержит пустые ячейки, называемые свободными. Интенсивность ячеек, передаваемых по сети АТМ, зависит от мгновенной потребности в полосе частот (рис. 3.11).
ITU-T стандартизировал протокол модели АТМ, сходной с моделью ВОС, три уровня которые описывают функционирование протоколов АТМ: первый уровень -физический, второй - уровень АТМ и третий адаптационный - уровень AAL (рис. 3.13). Для того чтобы можно было передавать как данные, так и информацию синхронных служб, информация должна различными способами адаптироваться к сети.
Развитие телекоммуникационных систем и сетей в мире испытывает важные революционные изменения, в основу которых будут положены новейшие технологические решения, которые, в первую очередь, касаются конвергенции телекоммуникационных, информационных технологий и систем беспроводной связи. Строительство сетей нового поколения способно обеспечить мультисервисные услуги и опирается на целый ряд новейших технологий и технических решений. Новейшие технологии ознаменовали собою качественный переход от коммутационных сетей, ориентированных на установление физических соединений, к новому поколению сетей, которые основываются на пакетной передаче цифровой информации и ориентированные на предоставление множества услуг. Развитие телекоммуникаций на Украине происходит по таким же направлениям.
Рынок услуг связи Украины – это поддержка равновесия между спросом на услуги и предложенным объемом и ассортиментом. Ежегодно предприятиями связи всех форм собственности предоставляются услуги на сумму более 5,5 млрд. грн., в частности, по населению – около 3,0 млрд. грн. Среди услуг для населения наибольший удельный вес занимает городская (32,7%), междугородняя (23,9%) и международная (17,4%) связь.
На протяжении многих лет ведущей на первичной сети была технология частотного уплотнения, а на вторичных сетях – коммутация каналов. Тогда предоставлялись услуги преимущественно двух видов: телефонной и телеграфной связи. С появлением технологий PDH и SDH ситуация кардинально не изменилась, а только новые телекоммуникационные технологии, основанные на коммутации пакетов, положили начало революционным изменениям в сфере предоставления услуг.
Имеется в виду новые сетевые технологии (FR, ATM, IP, IN и др.), мобильная связь и новые технологии предоставления услуг (электронная почта, доступ к базам данных, видеоконференции и др.).
Сетевые технологии охватывают 3-4 уровня эталонной модели OSI. В настоящее время наиболее «современными» признаны технологии пакетной коммутации и технологии транспортных сетей WDM (DWDM, CDWDM). Технология Х.25, которая отвечает требованиям стандартов МСЭ-Т, была одной из первых и сыграла значительную роль в развитии сетей передачи данных. Способность Х.25 неплохо работать на некачественных сетях позволила этой технологии активно развиваться на вторичных сетях Украины (Укрпак, Совам Телепорт и др.).
Тем не менее, в дальнейшем в Украине следует ожидать снижение популярности Х.25, что отвечает и мировым тенденциям.
Технология FR («ретрансляция кадров») открыла новые возможности сетей передачи данных (повышение скорости передачи, возможность интеграции голоса и данных). Она приобрела значительное распространение на сетях регионального и корпоративного уровня. Отечественными «пионерами» использование FR стали СП «Инфоком» и ОАО «Укртелеком». Можно ожидать дальнейшее возрастание сетей такого типа и, соответственно, численности их пользователей.
Технология АТМ («асинхронное транспортирование кадров») уже сейчас является бесспорным лидером на магистральном уровне, хотя нередко ее используют и на низших уровнях. Особенностями этой технологии является высокая скорость (до 50 Гбит/с, а в ближайшем будущем и выше), гарантированное качество передачи и «прозрачность» относительно вида переданной информации. Благодаря этому создание и развитие сетей АТМ является стратегическим направлением деятельности крупнейших мировых фирм (Siemens, Alcatel, Ericsson, Cisco и др.).
Внедрение АТМ началось и на Украине. Исследовательская эксплуатация проходит на сетях фирм «Совам Телепорт», «Укртелеком», НБУ, Велтонтелеком и др.
Главная цель – это обеспечение высокоскоростного доступа к всемирной сети Интернет, расширение номенклатуры и повышение качества предлагаемых услуг.
Технология ІР (Internet Protokol), созданная значительно раньше АТМ, уступает ей по важным параметрам, прежде, всего относительно гарантий необходимого качества передачи. Эта общая тенденция прослеживается и на Украине. Количество ІР-сетей уже исчисляется десятками, и все более увеличивается. Крупнейшие операторы – «Глобал Юкрейн», ОАО «Укртелеком», Велтонтелеком, «Инфоком» и др. Одним из действующих факторов развития сетей ІР является их совместимость с технологией АТМ. Взаимно обогащающие друг друга, эти две технологии становятся главным двигателем развития NII Украины и GII.
Среди новых технологий предоставления услуг наиболее популярной следует назвать электронную почту, доступ к справочным базам данных, ІР-телефонию.
Электронная почта, которая стала уже традиционной, остается одним из наиболее эффективных способов передачи сообщений, популярность которого возрастает. Благодаря промежуточному накоплению (работе в виртуальном масштабе времени) эффективность использования каналов (трактов) многократно увеличивается даже по сравнению с пакетной коммутацией. Поэтому сравнительно невысокой является себестоимость передачи сообщений. Комплекс протоколов X.400, разработанных МСЭ-Т, оказал влияние на то, что электронная почта приобрела исключительную надежность и многофункциональность (интегрирование разных служб документальной электросвязи в единую систему обработки сообщений).
На Украине услуги электронной почты предложил «Инфоком». Украинский научно- исследовательский институт связи (УНИИС) подверг испытанию сеть электронной почты на базе одного из наиболее перспективных разновидностей стека протоколов Х.400. Затраты на передачу международных факсов в УНИИС снизились более чем вдвое.
Доступ к базам данных (Web-сервер) по своей популярности сравнялся с электронной почтой (по объему информации – превысил ее). Количество Web-серверов возрастает, как и трафик, обусловленный обращением к ним. В Украине используются уже десятки тысяч Web-серверов (Web-страниц). Много предприятий и учреждений области электросвязи и информатизации Украины имеют свои Web-серверы или Web-страницы.
IP-телефония – одна из наиболее молодых и вместе с тем популярная технология. Она может составить реальную конкуренцию традиционной телефонии. По прогнозам иностранных специалистов, до 2004 года трафик IP-телефонии будет составлять не менее чем 20 % общей погрузки на телекоммуникационных сетях.
В Украине уже несколько операторов начали предоставлять услуги IP-телефонии (ОАО «Укртелеком», «Инфоком», »Совам Телепорт», »Глобал Юкрейн»). Около десятка фирм заявили о намерении предоставлять такие услуги.
Телефонная сеть общего пользования, сохраняя традиционные услуги, мигрирует в сторону дополнительных видов обслуживания (ДВО), а также интеллектуальных и дополнительных видов услуг.
Начиная с 1998 года на Украине ведутся работы по внедрению комплексов компьютерной телефонии, которые обеспечивают предоставление информационно-справочных и развлекательных услуг.
Телефонные и нетелефонные услуги, которые начинают предоставляться современной телефонной сетью общего пользования в Украине, характеризуются в табл. 3.1.
Вопреки всей значимости услуг, которые предоставляются телефонной сетью, важное значение начинают приобретать услуги сетей передачи данных. В промышленно развитых странах их объемы уже превысили объемы услуг традиционных телефонных сетей. На Украине так же ожидается рост услуг передачи данных (табл. 3.2).