ЦСРС_1 / Grebeshkov_Tehnika_mikroproz_sistem_v_kommutazii_uchebnik_dlya_vuzov_2011

Техника микропроцессорных систем в коммутации

Далее на этом уровне реализуется физический и канальный уровень интерфейса узла коммутации с внешней средой. В результате обеспечиваются необходимые транспортные услуги по переносу сигналов электросвязи на участке «пользователь – узел коммутации». На 1-м уровне сигналы электросвязи, например цифры набора номера, символьные адреса и идентификаторы принимаются и без подробного анализа транслируются для обработки на вышестоящие уровни управления. На уровне 1 вся обработка сигналов электросвязи осуществляется с наименьшими задержками по времени. Управление уровнем 1 осуществляется с уровня 2. Также на уровне 1 реализуются процессы восстановления и инициализации оборудования и программного обеспечения.

На уровне 2 осуществляется групповое управление отдельными блоками или группами блоков с помощью МПр средней мощности. Каждый МПр поддерживает функционирование либо собственной малой ОС/kernel, либо исполняемый сегмент распределенной ОС. Большинство функций управления здесь реализуется специализированными МПр с загружаемым ПО, например сетевыми процессорами. Допускается использование МПр общего назначения. На уровне 2 для целей коммутации и маршрутизации осуществляется обработка информационной части сигналов – заголовков пакетов/кадров, анализ цифр набора номера, сбор, обработка и анализ результатов тестирования и диагностики аппаратуры и программного обеспечения уровня 1 и результатов самотестирования уровня 2. На уровне 2 принимается решение о начале процедуры обработки вызова пользователя, о завершении процедуры обработки вызова пользователя, формируется детальная запись о состоявшемся соединении CDR, осуществляется фильтрация и приоретизация заявок на обслуживание на основании анализа информационной части, происходит обработка сообщений систем сигнализации. На уровне 2, как описано выше, реализуются процессы восстановления и инициализации оборудования и программного обеспечения этого уровня и управление процессами восстановления уровня 1. Используются компоненты программ управления и базы данных в части, касающейся работы данного уровня. В управляющих устройствах на уровне 2 применяется распределение функций между отдельными уст-

162

Техника микропроцессорных систем в коммутации

ройствами за счѐт различий в загружаемом программном обеспечении. В тоже время аппаратная конструкция управляющих устройств уровня 2 одинакова с уровнем 1, иногда вплоть до типов используемых микропроцессоров. Это позволяет повысить уровень унификации при производстве оборудования узлов коммутации и тем самым снизить стоимость конечного оборудования. Управление уровнем 2 осуществляется с вышестоящего уровня 3.

На уровне 3 осуществляется общее управление всеми блоками узла коммутации и управление периферийным оборудованием с помощью МПр средней или большой мощности. Каждый МПр поддерживает функционирование либо собственной ОС/kernel, либо является пользователем сетевой ОС, либо поддерживает исполняемый сегмент распределенной ОС. Большинство функций управления здесь реализуется МПр общего назначения (универсальные МПр) с загружаемым ПО. На третьем уровне осуществляется сетевая маршрутизация и коммутация вызовов или пакетов, общестанционный сбор, обработка и анализ данных тестирования и диагностики аппаратуры и программного обеспечения. На уровне 3 принимается решение о сценарии обслуживания пользователя, осуществляется учѐт трафика, доступны функции обновления и модернизации программного обеспечения узла коммутации, поддерживается система диалога «человек–машина», осуществляется управление уровнем 2. Используются все компоненты программ управления и базы данных в части, касающейся функций ЦУУ; могут не использоваться программы, уже функционирующие на уровне 2. Также на третьем уровне обеспечивается функционирование узла доступа к услугам SSP интеллектуальной сети, функции менеджера в рамках TMN. Рассмотрим компонентный состав программного обеспечения управления на рис. 3.1 более подробно.

Основой программного обеспечения управления узла коммутации является операционная система. Операционная система – совокупность системных программ, предназначенная для обеспечения определенного уровня эффективности системы обработки информации за счѐт автоматизированного управления еѐ работой и предоставления пользователю определенного набора услуг. Операционная система, а также программы начальной загрузки УУ отно-

163

Техника микропроцессорных систем в коммутации

сятся к системному программному обеспечению. С учѐтом ГОСТ Р

51840–2001, системное программное обеспечение – программ-

ное обеспечение, определяющее функционирование узла коммутации как с прикладными программами так и без них. Системное программное обеспечение представляет собой множество подпрограмм, действующих как интерпретатор при преобразовании инструкций прикладных программ, загруженных в память МПр в виде машинных кодов. Системное программное обеспечение предназначено для поддержания работоспособности узла коммутации и обеспечения эффективного использования узла коммутации в процессе выполнения прикладных программ. В составе системного программного обеспечения можно выделить управляющую программу, которая выполняет функции управления ресурсами, управление вводомвыводом, программу восстановления штатной работы системы управления после устранения неисправностей и отказов. Приклад-

ное программное обеспечение – программы узла коммутации,

предназначенные для организации обработки вызовов, для предоставления инициаторам этих вызовов основных и дополнительных услуг связи, а также для учета и начисления платы за услуги связи.

Ядро операционной системы, kernel, представляет собой часть программного обеспечения операционной системы, которая хранится в ОЗУ всех МПр управляющих устройств. Kernel обеспечивает выполнение базовых функций операционной системы, таких как:

оперативное управление и планирование процессов;

управление основной памятью (регистры, кэш-память, ОЗУ);

управление вводом/выводом запросов для внешних устройств и буферов;

защита областей оперативной памяти в части запрета/разрешения операций записи/чтения;

обслуживание прерываний с учѐтом приоритетов.

Ядро операционной системы работает в привилегированном режиме, т.е. обладает несомненным преимуществом над остальными компонентами программного обеспечения узла коммутации, особенно в части управления ресурсами. Как правило, привилегированный режим работы ядра операционной системы поддерживается ап-

164

Техника микропроцессорных систем в коммутации

паратными средствами МПр – например специальными регистрами, стеками. Уровней привилегий может быть несколько, в МПр Intel x86/Pentium таких уровней четыре. Помимо поддержки привилегированных режимов, аппаратно могут поддерживаться такие возможности ОС как трансляция адресов из виртуальных в физические, система аппаратных прерываний, системный таймер для определения единичных интервалов времени, средства защиты памяти от записи/считывания. Уровень аппаратной поддержки ядра операционной системы данным типом МПр определяет разработчик операционной системы. Следует отметить, что для узлов коммутации, рассмотренных в [8,19], характерен высокий уровень аппаратной поддержки ядра операционной системы, поэтому операционные системы узлов коммутации включают гораздо больший объѐм машинно-зависимых компонент, чем операционные системы персональных компьютеров или сетевые ОС информационно-вычислительных сетей. Такое решение обеспечивает наиболее эффективное использование ресурсов МПр, однако не способствует переносимости операционных систем узлов коммутации. Однако в последнее время для систем компьютерной телефонии, серверов телематических служб сетей связи следующего поколения всѐ чаще применяются универсальные переносимые операционные системы типа Linux, машинно-зависимые компоненты которой позволяют работать на МПр разных типов и ар-

хитектур, таких как Intel x86/Pentium, Motorola 68xxx, ARM и другие.

Подробнее операционные системы рассматриваются далее. Управление базой данных предусматривает, что в узлах ком-

мутации для станционных данных, статистических данных, данных об абонентах используются такая форма представления, организации и систематизации данных, чтобы они могли быть найдены и автоматически обработаны с помощью управляющих устройств. Базы данных современных узлов коммутации, как правило, распределенные и реляционные. Распределенность означает, что УУ могут поддерживать свои базы данных, которые необходимо периодически синхронизировать с базами данных других УУ, прежде всего с базой данных ЦУУ. В реляционной базе все данные организованы в виде двумерных таблиц, причѐм каждый столбец в таблице включает данные одинакового типа (число, символ), столбец имеет уникальное

165

Техника микропроцессорных систем в коммутации

ции следует рассматривать как критический, перезапуск на таком уровне может привести к потере работоспособности узла коммутации вплоть до завершения всех восстановлений, на что может уйти до нескольких часов.

В случае полного или частичного неуспеха инициализации каждого уровня узел коммутации может перейти в режим ручного восстановления. В этом случае инженер по техобслуживанию и эксплуатации проводит детальное тестирование отказавших элементов, перезапускает программное обеспечение управления с внешнего носителя, заменяет отказавшее или сбойное оборудование на стативе. После выполнения процедур ремонта, процедуры восстановления вновь запускаются на автоматическое исполнение. При этом инженер имеет возможность определять направление и уровень детализации (охвата) процессов восстановления и инициализации.

Многие системы коммутации поддерживают концепцию построения программной системы управления как основной программы управления (generic program) или прикладной программной системы, APS. Указанная программная система управления, как правило, включает несколько типов прикладных программ или прикладных подсистем. Прикладная программа (подсистема) или программное приложение (application program) – программа для ЭВМ, предназначенная для решения задач или класса задач, связанных с обработкой данных в определенной области деятельности. Для узла коммутации можно выделить следующие области деятельности:

обработка заявок на обслуживание вызовов;

хранение и обновление данных о состоянии пользователей и коммутационного оборудования;

обеспечение функций технической эксплуатации и технического обслуживания;

реализация дополнительных видов обслуживания и функциональных возможностей;

организация и разграничение доступа технического и инженерного персонала к функциям программного управления узла коммутации.

Соответственно, можно выделить по крайней мере шесть базо-

167

Техника микропроцессорных систем в коммутации

вых прикладных программ (подсистем) узла коммутации. Рассмотрим их детально.

Коммутационные программы – управляют процессами установления соединений и разъединения каналов/трактов, процессами коммутации в цифровом коммутационном поле, процессами маршрутизации и передачи кадров/пакетов, включая транзитные и тестовые соединения и сообщения. Коммутационные программы включают программы оперативного управления периферийным оборудованием и сетевыми элементами в процессе коммутации и передачи.

База станционных данных предназначена для хранения сведений о конфигурации и составе аппаратуры средства связи, составе программного обеспечения. В базе станционных данных может указываться как фактически установленное оборудование (модули соединительных линий, модули линий доступа, модули пространствен- но-временной коммутации, УУ) так и максимально допустимое число аппаратуры, которая может быть установлена в данной конфигурации. В базе станционных данных так же могут находиться таблицы со сведениями статистических счѐтчиков и регистров для записи и хранения данных по трафику, по количеству записей о состоявшихся разговорах, счѐтчики с указанием попыток вызовов/занятий в направлении связи, по данному тракту и т.п. База станционных данных позволяет формировать таблицы с описанием маршрутов пропуска нагрузки с привязкой к данным транспортной сети и сети доступа.

База абонентских данных предназначена для хранения информации об абонентах. Перечень информации об абонентах, список параметров и доступных характеристик, данные о назначаемых абоненту основных и дополнительных услугах связи предоставляет производитель средства связи. Оператор связи осуществляет информационное наполнение базы данных, осуществляет ввод актуальной информации по каждому абоненту, например номер абонента, тип номеронабирателя, IP-адрес порта, количество и порядок анализа цифр набора номера, код зоны семизначной нумерации, приоритет абонента или группы абонентов и т.п.

Программы технической эксплуатации и технического обслуживания (ТЭ и ТО) предназначены для автоматизации процессов контроля, диагностики, тестирования, восстановления оборудования и

168

Техника микропроцессорных систем в коммутации

ПО средства связи, включают программы установок обновлений ПО и патчей т.е. частичных исправлений ПО без перекомпиляции всего программного кода ПО. Программы ТЭ и ТО так же используется при запуске оборудования и программного обеспечения в эксплуатацию после устранения отказа.

Программы функциональных возможностей средства связи предназначены для реализации различных функций средства связи, которые могут реализовываться как дополнительные возможности в процессе функционирования коммутационных программ. Это относится к созданию узлов коммутации услуг интеллектуальной сети

SSP (Service Switching Point), поддержке агента протокола SNMP, услуги Centrex и т.п.

Административные программы предназначены для авторизации и идентификации пользователей программного обеспечения, для разграничения доступа пользователей к функциям программного управления средством связи с помощью паролирования и присвоения соответствующих полномочий. Административные программы используются для запуска задач по сбору статистических данных о трафике, сбору и предоставлению данных о состоявшихся соединениях (CDR-записи), сведений о работе оборудования системы коммутации. В зависимости от конкретного типа средства связи набор перечисленного программного обеспечения может изменяться.

По способу хранения и обработки данных программное обеспечение управления узла коммутации можно условно разделить на внутреннее и внешнее. Внутреннее программное обеспечение постоянно (резидентно) находится в оперативной памяти средств связи или хранится в состоянии постоянной готовности к применению на накопителе на жѐстком диске. Внешнее программное обеспечение физически постоянно хранится на внешних запоминающих устройствах (накопители на магнитных лентах, оптические и магнитооптические накопители), а также на отдельных персональных ЭВМ, иных вычислительных устройствах, не входящих в состав управляющего комплекса средства связи [9,32].

Внутреннее ПО включает ядро (kernel), операционную систему, программы восстановления и инициализации, базы данных и программы управления. Как правило, состав, структура и способы орга-

169

Техника микропроцессорных систем в коммутации

низации внутреннего ПО неразрывно связаны со структурой и способами построения управляющего комплекса, типами используемых процессоров.

Внешнее ПО – это программное обеспечение, которое непосредственно не используется при штатной эксплуатации средства связи. Внешнее ПО включает в себя программы автоматизированного проектирования ПО средств связи, отладочные программы, ис- пытательно-наладочные программы.

Программы автоматизированного проектирования применяются на этапе разработки и кодирования программного обеспечения для создания программ на языках программирования высшего уровня и в машинных кодах. Отладочные программы используются для контроля и тестирования целостности, корректности и устойчивости к сбоям оборудования разработанного ПО управления. Отладка может осуществляться на программных эмуляторах средств связи или на макетах оборудования. Как правило, в качестве макета оборудования используется серийный промышленный образец. Возможна автономная отладка отдельных модулей ПО с последующей комплексной проверкой ПО в целом.

Испытательно-наладочные программы предназначены для обнаружения и локализации неисправностей в УК в процессе пусконаладки и эксплуатации.

Внешнее ПО не работает в реальном времени, т.к. оно не решает непосредственно задачи поддержки функционирования средств связи. В этой связи рассмотрим далее функции операционных систем, которые обеспечивают функционирование средств связи

вреальном времени.

3.2Функции и назначение операционных систем, виртуализация и прерывания

3.2.1 Управление ресурсами, процессами и потоками

Цель использования операционной системы в узлах коммутации – управление ресурсами для обработки максимального количества вызовов с заданным качеством. Для достижения цели необхо-

170