19.4. Построение коммутационных полей станций ш-цсио

При использовании БКП на коммутационных узлах возможно при­менение многозвеньевых пространственно-временных коммутацион­ных полей с высокой скоростью коммутации и малой задержкой паке­тов (единицы миллисекунд на одно звено) [3].

Учитывая сказанное о свойствах различных способов комму­тации и данные табл. 19.4, можно сделать вывод о том, что в Ш-ЦСИО могут использоваться как БКК, так и БКП. Тот и другой виды коммутации приспособлены для широкополосного трафика пачечной структуры.

Необходимо, однако, учитывать общую тенденцию в использова­нии принципов коммутации пакетов в информационных сетях и боль­шую гибкость БКП при перегрузках (благодаря буферированию паке­тов), однако при пакетной передаче речевой информации в ЦСИО возникают следующие технические трудности:

1) преобразование аналогового сигнала в пакеты и обратное пре­образование приводит к искажениям и задержкам;

2) для построения масштабной сети ЦСИО, например цифровой сети России, к которой будет подключено до 100 млн. оконечных пунктов, необходимо иметь системы передачи со скоростями в не­сколько сотен Мбит/с и коммутационные узлы с производительностью не менее 50-60 тыс. пакетов в секунду (в лучших из известных узлов сетей с КП производительность не превышает 10 тыс. пакетов в се­кунду);

3) возможны задержки пакетов (при перегрузках), превышающие пороговое значение (30 мс), что влияет на разборчивость речи.

В 1983 г. были опубликованы работы, выполненные в лабора­тории концерна Bell (США) и исследовательском центре CNET (Франция), посвященные созданию нового метода коммутации для Ш-ЦСИО. Предложенные решения являются вариантами широкопо­лосной КП и основаны на использовании асинхронного временного разделения каналов (см. классификацию систем коммутации на рис. 19.3) и принципов статистического разделения ресурсов комму­тационной системы.

Асинхронный метод передачи. В 1987 и 1988 гг. исследователь­ская группа XVIII ITU-T обсудила предложенные исследовательскими центрами США и Европы методы реализации широкополосной КП и дала новому методу наименование «пакетный режим доставки» (в ранее опубликованных работах метод назывался асинхронный режим доставки (АРД)). В настоящее время он известен как метод ATM (Asynchronous Transfer Mode). В дальнейшем, говоря об этом методе, будем использовать аббревиатуру ATM.

Первый экспериментальный участок Ш-ЦСИО был создан в 1987 г. Отличительной чертой метода ATM является то, что вызов характери­зуется идентификатором (меткой), определяющим номер логического канала. Использование метки для каждого сообщения позволяет более гибко, чем при СВРК, распределять сетевые ресурсы и ресурсы комму­таторов ATM. У методов ATM и СВРК одна общая идея: время переда­чи в канале делится на фиксированные кадры, каждому вызову (сооб­щению) в кадре выделяется свое временное окно. Как уже отмечалось, в случае СВРК это окно для одного и того же вызова всегда занимает фиксированное место.

Характерной особенностью ATM - отсутствие жесткого закреп­ления временного окна в кадре за вызовом. Каждому вызову соответствует своя метка. Функции установления метки, как и временного окна в кадре при СВРК, могут быть реализованы на первом (физиче­ском) уровне модели ВОС. Основное достоинство ATM состоит в возможности динамического распределения ресурсов как при пере­даче пакетов, так и при их коммутации в коммутационных полях станций Ш-ЦСИО.

Напомним основные свойства метода ATM:

1) информационный поток от любого источника разделяется на кадры фиксированной длины;

2) кадры фиксированной длины, состоящие из информации поль­зователя сети и заголовка, названы в документах ITU-T ячейками [7];

3) ячейка имеет малую длину - всего 53 байта;

4) процедуры управления потоками и контроля ошибок перенесены в верхние уровни модели ВОС.

Благодаря этому функции транспортной системы упрощены. Ма­лая и постоянная длина элемента, используемая в методе ATM, по­зволяет:

а) существенно уменьшить, по сравнению с методом традицион­ной КП, как среднее время задержки элемента в сети, так и диспер­сию задержки, что важно для средств обработки в реальном масшта­бе времени;

б) уменьшить искажения при потере отдельных ячеек, так как они содержат малый объем пользовательской информации;

в) упростить структуру коммутационного поля станции;

г) упростить процедуры мультиплексирования.

Благодаря постоянной длине элемента, нет необходимости вести поиск окна требуемой длины в цикле системы передачи, как это имеет место в сетях с КП при переменной длине пакетов.

Размер элемента также влияет на такие сетевые параметры, как: задержка пакетизации и буферизации, дисперсия задержки, эффек­тивная скорость передачи, сложность реализации ATM.

Чем больше длина сообщения пользователя при заданной длине ячейки, тем больше задержка пакетизации, так как необходимо фор­мировать большее количество ячеек, чем для коротких сообщений. Наибольшая величина задержки пакетизации в Ш-ЦСИО характерна для службы передачи данных большого объема (файлов). Задержка буферизации возникает из-за конкуренции ячеек принадлежащих пользователям разных служб, отличающихся по приоритету пре­доставления окна в цикле (рис. 19.5). Чем меньше размер ячейки, тем при прочих равных условиях меньше дисперсия задержки, поскольку окна малого размера встречаются в цикле чаще, чем окна большого размера. Эффективная скорость передачи растет при уменьшении размера ячейки, так как удается заполнять пользовательской инфор­мацией все меньшие окна и тем самым улучшать использование цикла.

Рис. 19.5. Иллюстрация способа ATM в Ш-ЦСИО: 1-3 - буферы ячеек службы с приоритетом: 1 - i, 2 - j, 3 - k

Упрощение реализации ATM при уменьшении размера ячейки можно объяснить тем, что повышение эффективной скорости переда­чи приводит к уменьшению задержки буферизации, а это при том же трафике служб позволяет уменьшить объем буферов, где ждут нача­ла передачи ячейки.

Формат ячейки исключительно прост: в нем всего два поля - заго­ловка и информационное (рис. 19.6). Чем меньше доля заголовка в общей длине ячейки, тем выше эффективная скорость передачи. В формате ITU-T ячейка в доступе «пользователь-сеть» для Ш-ЦСИО заголовок имеет длину 5 байт, а информационное поле - 48 байт. Ячейки распознаются по содержимому заголовка, где адрес указыва­ет на принадлежность к определенному виртуальному соединению. В заголовке ячейки, передаваемой в интерфейсе «пользователь-сеть», содержится следующая информация: управления потоками (УП) -четыре старших бита в первом байте; маршрутизации - 24 бита (из них идентификатор виртуального канала - ИВК - может занимать до 16 битов и идентификатор виртуального тракта - ИВТ - до 18 битов); о типе передаваемой информации (ТИ) - 3 бита; контроля и исправления ошибок в заголовке - контрольная комбинация (КК) - 8 бит.

Рис. 19.6. Формат ячейки ATM (а), поля заголовка (б)

На рис. 19.5 показана одна из реализаций ATM с формированием цикла и периодической передачей ячеек синхронизации в фиксиро­ванных временных интервалах. Разграничение ячеек в цикле дости­гается синхронизацией. Асинхронный метод передачи обладает од­новременно свойствами способов КК и КП. С коммутацией каналов его роднит заранее устанавливаемый соединительный тракт (вирту­альное соединение), который занимается в течение всего сеанса пе­редачи для данного вызова. Последнее означает, что все его ячейки закрепляются за одним и тем же виртуальным соединением. Это свойство позволяет сохранять исходную последовательность всех элементов в виртуальном соединении.

С коммутацией пакетов метод ATM роднит то, что сообщение пользователя также делится на «кусочки», называемые ячейками, но в отличие от обычной КП эти «кусочки» имеют фиксированную длину.

Как уже говорилось выше, протокол уровня звена данных в Ш-ЦСИО не реализует функции защиты от ошибок для информации пользователя, однако заголовок ячейки, ввиду его исключительной важности для закрепления элементов за виртуальным соединением, имеет специальную защиту в виде контрольной комбинации. Кон­трольная комбинация выбрана так, чтобы исправлять одиночные и обнаруживать пакеты ошибок, которые могут проявляться как потеря или повторение элементов.

Важным свойством ATM, позволяющим уменьшить задержку, яв­ляется прозрачная передача информационного поля ячейки через станции и узлы Ш-ЦСИО. Обрабатывается только заголовок. Ско­рость потока ячеек в линии, соединяющей две станции Ш-ЦСИО, по­стоянная. Однако при изменении объема информации в единицу времени от некоторого источника необходимо увеличить или умень­шить по заявке пользователя количество ячеек, передаваемых по од­ной линии ATM. Теоретически скорость передачи информации от од­ного источника может изменяться от нуля до максимальной скорости, обеспечиваемой системой передачи, работающей на межстанционной линии, называемой линией ATM [8].

Метод ATM способен поддерживать практически неограниченное количество служб, обеспечивать высокую пропускную способность сети и стандартизовать доступ к широкополосным службам.

Если при КП применяется обслуживание с помощью виртуальных соединений, то перед передачей пакета данных устанавливается ло­гический тракт [4], или виртуальная цепь (виртуальный канал). Логи­ческий тракт может быть установлен сразу между двумя корреспон-

дирующими объектами до начала передачи информации пользовате­ля (это характерно для способа управления «из конца в конец») или шаг за шагом, последовательно («от звена к звену»), подключая про­межуточные звенья коммутационного поля станции или сети (это ха­рактерно для способа поэтапного управления). Управление «из конца в конец» используется в сетях с КП при установлении постоянных виртуальных соединений, управление «от звена к звену» - на станци­ях и узлах БКП и в подсети сигнализации ЦСИО (см. гл. 20).

При применении как асинхронного метода передачи по линиям (ATM), так и метода высокоскоростной коммутации (БКП) используют­ся упрощенные протоколы. При этом применяется динамическое рас­пределение связного ресурса (скорости передачи). Общей является также маршрутизация, основанная на стратегии логического (вирту­ального) канала. Благодаря применению упрощенных протоколов и динамического разделения связного ресурса обеспечивается незави­симость структуры ячейки ATM и системы коммутации узла БКП от особенностей поддерживаемой службы.

Коммутация на станции БКП. Важным для понимания способов реализации рассмотренных методов коммутации в Ш-ЦСИО является изучение структуры и характеристик станций и узлов БКП. На рис. 19.7 приведена структурная схема станции (узла) БКП [9]. Назна­чением станции БКП - коммутация ячеек ATM из входящих линий в исходящие. Каждая линия связана со своим портом: входящая с пор­том вх.П/и исходящая с портом вых.Пу. За каждым портом закреплена своя база - база данных порта (БДП). Общее супервизорное управ­ление коммутацией реализуется с помощью центрального процессо­ра (ЦПР) и центральной базы данных, предназначенной для маршру­тизации (ЦБД). Коммутационное поле станции является многозвенным со специфической структурой, приспособленной для аппаратного управления коммутацией.

Рис. 19.7. Структурная схема узла БКП

Рассмотрим процессы коммутации, осно­ванные на использовании содержимого поля заголовка ячейки ATM (рис. 19.6. б). Основная функция заголовка - обеспечение идентифи­кации ячеек, принадлежащих одному и тому же виртуальному каналу в линии ATM. В одной линии ATM может быть образовано большое количество виртуальных трактов - ВТ (независимых групп информа­ционных потоков) и виртуальных каналов (ВК), определяемое числом битов идентификатора виртуальных трактов (ИВТ) и каналов (ИВК) поля заголовка. Количество ВК может быть доведено до 2¹⁶ = 65536. Количество ВТ одной линии ATM может быть доведено до 2¹² = 4096. Отсюда видно, как велико число ВК в одной линии ATM, причем во всех ВК передается информация только активных пользователей (в периоды молчания источника места, которые бы занимала его ин­формация в линии ATM, используются для передачи информации других источников). Каждое соединение в Ш-ЦСИО однозначно опре­деляется двумя идентификаторами: ИВТ и ИВК. Поэтому функция станции БКП - преобразование значений идентификаторов входящей линии ATM в идентификаторы исходящей. Процесс управления ком­мутацией на станции БКП состоит в идентификации ВК во входя­щей линии по ИВТ и ИВК, в поиске пути в коммутационном поле к требуемой исходящей линии и в присвоении новых значений ИВТ’ и ИВТ’ для передачи по исходящей линии ATM на следующую станцию.

Для установления виртуальных соединений необходим обмен сиг­нальными сообщениями. Они передаются в одном из ВК, функции которого подобны функциям ОКС, создаваемого для целей сигнали­зации в У-ЦСИО. По этому сигнальному ВК передаются данные о ка­ждом виртуальном соединении пользователя: ИВТ, ИВК, этап обслу­живания, адрес вызываемого абонента. Эти данные собираются су­первизором от всех входных портов и аккумулируются в ЦБД. Массив данных ЦБД разделен на подмассивы, каждый из которых закреплен за своим ВК. В подмассиве имеется информация: о номере порта, по которому поступил вызов, ИВТ и ИВК ячейки, номере этапа обслужи­вания, адресе вызываемого абонента, номере исходящей линии, ре­гистре свободных ВК в выходных портах. Если для коммутации ВК в коммутационном поле станции применяется алгоритм самомаршрути­зации, то ЦПР формирует метку маршрутирования (ММ) по номерам входного и выходного портов и координатам найденного пути в ком­мутационном поле. Ячейка ATM, снабженная меткой маршрутизации, называется быстрым пакетом (БП). Формат ММ очень прост: количе­ство битов в ней равно числу ступеней (звеньев) коммутационного поля. Коммутационное поле станции БКП может быть построено с использованием экономичных схем, в которых любой вход может быть скоммутирован с требуемым выходом только по единственному пути.

Рис. 19.8. Трехзвенная коммутационная схема

На всех звеньях коммутационного поля коммутации использу­ются простейшие коммутационные элементы (КЭ), имеющие два вхо­да и два выхода. На рис. 19.8 приведена трехзвенная коммутацион­ная схема, в которой БП, поступающий на любой вход любого КЭ, пе­редается по маршруту, указанному в ММ. Нумерация выходов схемы соответствует коду в ММ коммутируемого БП.

Маршрутизация БП в такой коммутационной схеме выполняется с помощью жесткой логики (без программного управления комму­тацией), в отличие от выбора маршрута и управления коммутацией в многозвеньевых коммутационных полях станций и узлов с про­граммным управлением современной телефонной сети. Каждый вход КЭ первой ступени связан со своим входным буферным нако­пителем в составе входного порта. Поэтому в КЭ, связанном с дву­мя такими портами, могут возникать внутренние блокировки, когда БП на входе «0» и БП на входе «1» должны быть переданы на один и тот же выход. В каждом КЭ выполняется самомаршрутизация БП от входа к выходу по содержимому соответствующего бита в ММ. Пример самомаршрутизации БП от входа «1» в одном из КЭ звена А приведен на рис. 19.9. Значение бита А в ММ однозначно опре­деляет направление БП к выходу «0» {ММ(А) = 1} (кросс) или к вы­ходу 1 {ММ(А) = 0} (транзит). В трехзвенной коммутационной схеме (см. рис. 19.8) показан маршрут передачи БП от входа с адресом 000 к выходу с адресом 101.

Рис. 19.9. Пример коммутации на станции БКП:

а - коммутационный элемент; б - коммутация в КЭ при различных значениях бита А в ММ

Это соединение реализуется в соот­ветствие с ММ = 101.

В процессе обмена адресными (о номере вызываемого абонен­та) и линейными сигналами с другими станциями сети станция Ш-ЦСИО устанавливает виртуальное соединение из конца в конец. С этого момента накопленные в буфере входного порта ячейки данного виртуального канала будут передаваться к найденному супервизором выходному порту в соответствие с подготовленной записью в БДП. Запись имеет такой вид: ИВТ, ИВК > ММ > ИВТ, ИВК'. В ней выражена связь между ИВТ, ИВК входного порта и ИВТ', ИВК' выходного порта с помощью маршрутной метки ММ. Эта запись дублируется во входном порте и используется им для маршрутизации каждого БП данного ВК. Благодаря такой автономии маршрутизации БП в установленном виртуальном соединении в каждом входном порте, супервизор освобождается от рутинных и весьма объемных по количеству операций функций обработки БП для уже установлен­ных виртуальных соединений. Так на станции БКП реализуется принцип распределенного управления коммутацией. В БДП выход­ного порта ММ стирается, но сохраняется копия данных БДП вход­ного порта. Это необходимо для предотвращения сбоев маршрути­зации в коммутационном поле станции. Если сбои возникают, то ин­формация о них передается в супервизор для выполнения необхо­димых коррекций. В БДП выходных портов имеются регистры сво­бодных и занятых ВК. Данные этих регистров используются при не­обходимости передачи БП по обходному пути в сети, если заняты все ВК в линии прямого направления.

Выше был описан один из возможных способов управления ком­мутацией на станциях Ш-ЦСИО. Его особенность состоит в том, что он ориентирован на соединение, т.е. все БП одного ВК проходят по одному маршруту от входа до выхода на станции Ш-ЦСИО. Благо­даря этому последовательность БП в ВК не нарушается и задержки одинаковы.

Показателями качества коммутационных полей станций Ш-ЦСИО, построенных с использованием схем, подобных приведенной на рис. 19.8, являются:

а) производительность, определяемая как среднее количество элементов, прошедших через станцию за единицу времени;

б) нормированная производительность представляет собой отно­шение производительности к максимально возможной произво­дительности станции при отсутствии конфликтов между БП;

в) задержка элемента, определяемая как число тактовых интер­валов между моментом поступления БП и моментом появления его на выходе.

Нормированная производительность коммутационного поля стан­ции в целом практически не может быть близкой к единице [3].

Свойства коммутационных схем с буферными накопителями БП ATM позволяют строить коммутаторы БКП станций Ш-ЦСИО, которые могут поддерживать не только все виды интерактивных служб пере­дачи данных, но и службы передачи речи и видеоконференций. В табл. 19.5 даны характеристики центров коммутации пакетов и станций (узлов) БКП. В ней приведены характеристики современных центров КП и станций (узлов) БКП.

Во второй половине 90-х годов XX в. и в первые два года нового века в США, Канаде, Японии, Западной Европе и России созданы ма­гистральные Ш-ЦСИО с технологией ATM. Для этих сетей ITU-T стан­дартизовал интерфейс «сеть-сеть», а также рекомендовал к внедре­нию метод коммутации ATM, позволяющий обеспечить высокие каче­ственные характеристики коммутационных узлов и сети в целом (ско­рости до сотен мегабит в секунду и задержки не более 10 мс).

Таблица 19.5. Характеристики старых центров КП и станций БКП

Характеристика ЦКП	Современный центр КП	Станция (узел) БКП
Структура	Однопроцессорный	Многопроцессорный на базе буферированных схем
Линии магистральной и распределительной cети	Симметричный или коаксиальный кабель	ВОЛС
Производительность	До 10 тыс. пакетов в секунду	Более 50 тыс. «элементов» в секунду при ATM
Базовая скорость в интерфейсе пользователь-сеть	64 Кбит/с	150 Мбит/с
Виды служб	Узкополосная ПД	Речь, ПД, подвижные изо­бражения
Задержка	50 - 100 мс	Менее 10 мс
Коррекция ошибок и управление потоками	На канальном уровне	В оконечных пунктах сети (вне транспортной системы для «элементов»)

До конца не решенными остаются еще три проблемы: управле­ние сетью, управление соединениями и построение коммутацион­ных полей станций и узлов. Решение задач управления сетью свя­зано с выбором и обоснованием методов управления ресурсами сети, маршрутизации и межстанционной сигнализации. Сложность решения этих задач связана, в частности, с необходимостью уста­новления многоточечных соединений для вещательных служб. Бы­стрые изменения топологии и характеристик Ш-ЦСИО требуют соз­дания протоколов, учитывающих эти изменения.

Процессы управления соединениями связаны с производительно­стью элементов сети. Существующие коммутационные поля коммута­торов ATM имеют производительность в сотни Мбит/с. Однако ско­рость передачи информации по ВОЛС может быть на порядок выше.