16

Сети и системы связи с подвижными объектами

Лекция 5:Методы коммутации и передачи данных в ИВС

(4 часа)

План занятия:

Время	№ п/п	Содержание раскрываемого вопроса:
30 мин.	1.	Методы коммутации
35 мин.	2.	Дейтаграммы и виртуальные каналы

1. Методы коммутации

Базовая сеть передачи данных (БСПД) обеспечивает информационный обмен между абонентами путем установления соединений, проходящих через узлы и линии связи (рис. 1).

Важнейшая характеристика СПД –время доставки данных, которое зависит от структуры СПД, производительности узлов связи и пропускной способности линий связи, а также от способа организации каналов связи между взаимодействующими абонентами и способа передачи данных по каналам.

Информационный обмен между абонентами может осуществляться различными способами, которые можно разбить на две группы: непосредственную коммутацию и коммутацию с промежуточным накоплением.

Методы непосредственной коммутации устанавливают непосредственную связь между конечными пользователями через последовательность промежуточных узлов коммутации. При этом образуется единый тракт передачи, который закрепляется за сеансом связи и монополизируется им. При этом ни один ресурс этого тракта не может быть использован при организации сеансов других пользователей. Для организации тракта необходимо проведение специальной начальной фазы установки соединения. Представителем этой группы является метод коммутации каналов.

При промежуточном накоплении информация пользователя упаковывается в блоки данных, которые передаются от узла к узлу, запоминаются на них и затем, по мере освобождения ресурсов в направлении дальнейшего движения, отправляются дальше. При этом занятыми (и недоступными для других сеансов) оказываются только те ресурсы, которые задействуются в данный момент для передачи блока, остальные ресурсы тракта являются свободными для любых других передач. Сущность методов этой группы будет рассмотрена на примерах коммутации сообщений и пакетов.

Коммутация каналов – это последовательно-параллельный метод передачи данных с организацией параллельных трактов на уровне передачи информационных массивов с нулевым накоплением данных на узлах коммутации. Сети с коммутацией каналов организуются по принципу установления всего маршрута для передачи информации из последовательно соединенных каналов связи от отправителя к получателю.

Коммутация каналов обеспечивает выделение физического канала для прямой передачи данных между абонентами. В начальный момент отправитель генерирует запрос (вызов), содержащий адрес получателя. Этот запрос проходит по сети и на каждом узле коммутации отыскивает свободную линию передачи в направлении получателя. При ее наличии происходит физическое подключение нового этапа пути к уже cкоммутированному тракту и его удержание. Так поэтапно создается весь тракт передачи.

Системы коммутации могут быть полнодоступными и неполнодоступными в зависимости от того, с каждым ли абонентом может соединиться узел-отправитель или только с частью из них. На узлах коммутации может быть реализована одна из дисциплин обслуживания поступивших запросов:

• дисциплина с отказами;

• дисциплина с ожиданием;

• приоритетная дисциплина.

Первая дисциплина с отказами предполагает отказ от попытки установить соединение в том случае, если на очередном узле коммутации не может быть найдена хотя бы одна свободная линия в требуемом направлении. В этом случае узел формирует сигнал разъединения и посылает его в обратном направлении. Этот сигнал разрывает уже сформированный тракт, освобождает закрепленные ресурсы и уведомляет об этом факте отправителя. Всю процедуру соединения требуется начинать заново. Это свойство ограничивает применение дисциплины с отказами ввиду снижения эффективности использования сетевых ресурсов.

При реализации дисциплины с ожиданием в памяти узлов коммутации организуется очередь запросов в ожидании освобождения нужного канала связи. На время ожидания весь уже сформированный участок тракта остается в закрепленном состоянии и недоступен другим сеансам. В чистом виде эта дисциплина не может быть реализована, так как не существует бесконечно больших емкостей буферной памяти. При переполнении накопителя система коммутации выходит в режим работы с отказами.

Приоритетная дисциплина основана на ранжировании пользователей или каких либо сетевых ресурсов по приоритетам. Запрос от пользователя с более высоким приоритетом прерывает уже установленную связь менее приоритетных пользователей. Ввиду существенных организационных ограничений применение этой дисциплины весьма ограничено.

Процесс коммутации канала и передачи данных между абонентами СПД, изображенной на рис. 1, представлен временной диаграммой на рис. 2.а. Абонент a_i инициирует установление связи с абонентом a_j. Узел связи А, реагируя на адрес абонента a_j, подключает соединение, в результате чего линия абонента a_i коммутируется с линией, соединяющей узел А с узлом В. Затем процедура подключения соединения повторяется с узлами В, С и D, в результате чего между абонентами a_i и a_j коммутируется канал.

По окончании коммутации узел D (или абонент a_j) посылает сигнал обратной связи (ответ), который проходит беспрепятственно по уже скоммутированному каналу. После получения ответа абонент a_j начинает передавать данные в реальном масштабе времени (в режиме on-line). Время передачи данных зависит от длины передаваемого сообщения, пропускной способности канала (скорости передачи данных) и времени распространения сигнала по каналу. Значение U₁ определяет время доставки сообщения.

При коммутации каналов различают схемы пространственной и временной коммутации.

Пространственная коммутация основана на физическом соединении линий входа и выхода с помощью специальных устройств – коммутаторов.

Рассмотрим случай коммутации любого из N входов и N выходов. На рис. 3 показан пример с N=6. В этом случае коммутационная схема представляет собой квадратный коммутатор емкостью NN. В каждой точке коммутации, в которой пересекаются входящая и исходящая линии, может находиться полупроводниковый переключатель или металлический контакт, позволяющий установить соединение между любым заданным входом и любым заданным выходом единственно возможным способом. В рассматриваемом коммутаторе соединение между входом и выходом возможно всегда (при условии, что требуемый выход не был соединен ранее, т.е. не является занятым).

Коммутатор такого типа является неблокирующим. Его сложность характеризуется числом необходимых точек коммутации, которое обычно равно N² и N²-N, если входы и выходы относятся к одним и тем же терминалам, между которыми должно быть установлено соединение. (В последнем случае терминал, соединенный с входящей линией 1, соединяется также и с исходящей линией i, . Таким образом, терминал может и посылать и принимать вызов).

Рис. 3. Квадратный коммутатор емкостью 6х6

В более общем случае коммутатор может иметь вид матрицы размером NK. Очевидно, что если K больше или равно N, коммутатор будет неблокирующим. Однако при K меньшим чем N возможны блокировки. На рис. 4 показан пример коммутатора с N=8 и K=4, в котором установлены четыре соединения 1-2, 2-1, 3-3, и 4-4. Из этого примера видно, что здесь число выходов отличаются от числа входов. Таким образом, входы 5-8 оказываются заблокированы: ни к одной из выходных линий соединения от этих входов установлены быть не могут.

Рис. 4. Коммутатор емкостью 8х4

При увеличении числа пользователей или подключенных линий соответственно растет размер и сложность коммутационной системы. Как только что отмечалось, сложность пространственного коммутатора обычно измеряется числом требуемых точек коммутации. Например, если необходимо коммутировать 100.000 каналов и воспользоваться для этой цели квадратным коммутатором, то для этого потребуется N²=10¹⁰ точек коммутации.

Общий метод уменьшения этого числа точек коммутации при сохранении неблокирующих свойств состоит в переходе к звеньевым, или многоступенным (каскадным) схемам.

Схемы пространственной коммутации одинаково пригодны как для аналоговой, так и для цифровой передачи сообщений.

Более современными являются системы временной коммутации, которые пригодны только для цифровой передачи. Эти коммутаторы полностью аналогичны пространственным, и анализ неблокирующих свойств или блокировок выполняется в них точно таким же способом.

Для выполнения временной коммутации все соединения или сообщения, подлежащие коммутации, сначала должны быть дискретизированы в последовательности временных отсчетов, причем группа последовательных отсчетов, передаваемых по одной физической линии, должна составлять цикл (временной кадр).

Наиболее известен пример цифровой передачи телефонных сигналов с помощью импульсивно-кодовой модуляции (ИКМ). Для преобразования в цифровую форму каждый речевой сигнал должен быть подвергнут дискретизации с частотой 8000 отсчетов в секунду, или каждые 125 мкс. Таким образом, длина цикла составляет 125 мкс. Дискретные отсчеты обычно преобразуются в цифровую форму (квантуются) и представляются 8-разрядными двоичными числами. В результате типовой цифровой канал ИКМ требует пропускной способности 64 кбит/с. Отдельные цифровые каналы, в свою очередь, объединяются в общий поток.

В последних рекомендациях МККТТ ИКМ-передача заменена адаптивной дельта-модуляцией со скоростью 32 кбит/с, что позволяет почти удвоить число передаваемых речевых сигналов.

Широкое применение получили два формата объединения. Североамериканский стандарт, первоначально разработанный компанией AT&T в США и принятый также в Канаде и в Японии, предусматривает объединение 24 восьмиразрядных речевых каналов в поток со скоростью передачи 1,554 Мбит/с (вначале каждого цикла добавляется один разряд цикловой синхронизации, поэтому за 125-микросекундный цикл передается 248+1=193 разряда). Такая система передачи получила наименованиеТ1. Типовой цикл системы Т1 показан на рис. 5.

Каждое 8-разрядное слово в цифровом потоке с временным разделением называется также временным отсчетом, или канальным интервалом. Хотя первоначально формат Т1был разработан для телефонии, т.е. для передачи речи, 24-канальный цикл может также использоваться для передачи любых других сигналов. Например, в этот формат естественно вписывается передача данных со скоростью56 кбит/с(восьмой, или младший, разряд в каждом речевом каналеТ1через каждые пять циклов на шестой используется для сигнализации, поэтому при передаче данных со скоростью56 кбит/сэтот восьмой разряд просто игнорируется).

Международный стандарт, применяемый за пределами Северной Америки и Японии, предусматривает объединение 30 речевых каналов со скоростью передачи по 64 кбит/с и двух таких же каналов управления и сигнализации, в цифровой поток со скоростью передачи 2,048 Мбит/с. Эта система тоже может быть применена для передачи неречевых сигналов.

Каждый цикл при поступлении по входящей линии в систему коммутации, записывается в память. После этого коммутация выполняется просто путем считывания отдельных слов в любом желаемом (скоммутированном) порядке. Устройство, выполняющее указанную операцию, называется коммутатором канальных интервалов (ККИ). Пример ККИ показан на рис. 6. Цикл состоит из пяти канальных интервалов, из которых только два, X и Y считаются активными и связывающиеся друг с другом. На стороне входа данные пользователя X занимают канал 1, а данные пользователя Y – канал 3. После записи каждого цикла в память слово канала Y считывается или пе редается в канальном интервале X, а слово канала X считывается в канальном интервале Y. Возможны также и более сложные схемы работы.

Рис. 6. Коммутация цифровых каналов

Узел коммутации должен обеспечивать взаимные соединения между каналами различных пучков линий. С помощью электронных контактов, установленных между групповыми трактами системы коммутации, возможна коммутация только одноименных каналов, имеющих совпадающие временные интервалы. Если в групповом тракте, куда должен быть направлен вызов, соответствующий временной интервал занят под передачу другого сообщения, то, несмотря на наличие в тракте свободных каналов, использующих другие временные интервалы, соединение не может быть установлено. Это приводит к дополнительным потерям вызовов, а на ступенях искания, где необходимо обеспечивать соединение каждого канала с каждым, применение такого способа коммутации невозможно.

Для обеспечения коммутации каждого входящего канала с каждым исходящимнеобходимо иметь возможность производить перестановку временных интервалов этих каналов. Перестановку временных интервалов можно осуществлять с помощью запоминающих устройств, устанавливаемых на входах и выходах групповых трактов. Для того чтобы осуществить перестановку каналов в любых временных интервалах, емкость памяти должна обеспечивать возможность задержки информации, поступающей по групповому тракту на время не менее одного периода квантования исходного речевого канала.Практически число ячеек памяти обычно берется равным числу временных каналов в групповом тракте.

Упрощенная структурная схема коммутации между двумя групповыми трактами приведена на рис. 7. Так как ячейки памяти, устанавливаемые на концах групповых трактов, предназначены для хранения информации, поступающей по каналам, условимся называть ее информационной памятью (ИП).

1

15

т_х

24

12 кан		ij		17 кан

Рис. 7. Схема временной коммутации

Кроме запоминающих устройств, хранящих информацию, для осуществления коммутации необходима другая группа запоминающих устройств для хранения адресов каналов и точек коммутации, которые необходимо включить при коммутации входов и выходов системы коммутации. Эту группу запоминающих устройств будем называть управляющей памятью (УП). На рис. 7. показаны три звена коммутации между двумя групповыми трактами iиjзвено А временной коммутации, осуществляемой с помощью ИП_Ai; звено В пространственной коммутации ПК_Bи звено С временной коммутации, осуществляемой с помощью ИП_Cj.

Управление процессом коммутации осуществляется с помощью устройств памяти управления УП_Аi, УП_Bи УП_Cj, в которых хранятся номера временных интервалов и адреса точек коммутации, используемых при коммутации каждого сообщения.

Принцип действия коммутационной схемы рассмотрим на примере соединения канала, занимающего 12-ю временную позицию в i-м групповом тракте с каналом, занимающим 17-ю временную позицию вj-м групповом тракте. Предположим также, что в коммутационной схеме для считывания с ИП_Аi и записи ИП_сj имеется свободная 15-я временная позиция. Указанная выше информация о данном соединении записывается в ячейки памяти УП_Аi,УП_В и УП_Сj. Адрес 12-го каналаi-го группового тракта записывается в 15-ю ячейку памяти УП_Аi , соответствующую временному интервалу, отведенному для считывания и записи информации в ИП_Аi и ИП _Cj при установлении данного соединения. В ячейку памяти УП_B, соответствующую этому же 15-му временному интервалу, записывается в адрес пространственной точки коммутации, связывающей между собой групповые трактыiиj, участвующие в соединении УП_Ci, соответствующей номеру временного интервала исходящего канала вi-м временном тракте.

Процесс установления соединения во времени происходит следующим образом. В 12-й временной позиции кодовое слово, несущее информацию об амплитуде разговорного сигнала рассматриваемого канала i-го временного тракта, записывается в 12-ю ячейку ИП_Аi . Считывание с ячеек памяти ИП_Аi , управление точками коммутации ПК_Ви запись в ячейке ИП_Сi происходят под управлением памяти УП. Обращение к ячейкам памяти УП_Сi, УП_Bи УП_Aiпроисходят синхронно. В 15-м временном интервале, выбранном для коммутации между ИП_Аi и УП_Ci, считываются адреса, записанные в соответствующих ячейках УП_Ci, УП_Bи УП_Ai. В соответствии с этими адресами в 15-м временном интервале с 12-й ячейки ИП_Аiсчитывается информация, передается через точкуijПК_Ви записывается в 17-ю ячейку памяти ИП _Сj, откуда она в 17-м временном интервале будет считана и передана по 17-му временному каналуi-го группового тракта.

К достоинствам метода коммутации каналов следует отнести возможность передачи данных и мультимедийного трафика в реальном масштабе времени. Недостатками являются низкая эффективность использования сетевых ресурсов и сложность установления связи (в ряде случаев отказ или недопустимо большое время установки физического соединения).

Коммутация сообщений производится путем передачи блока данных (сообщения), в который упаковывается вся информация, назначенная к передаче. Сообщение содержит заголовок, в котором содержится адресная (обязательно) и другая служебная информация, и собственно данные. Сообщение отправляется по маршруту, определяемому узлами сети. В заголовке сообщения указывается адрес абонента a_j - получателя сообщения. Сообщение, генерируемое отправителем - абонентом a_i, (рис. 2.б) полностью принимается узлом А и хранится в памяти узла. Узел A обрабатывает заголовок сообщения и определяет маршрут передачи сообщения, ведущий к узлу В. Узел В принимает сообщение, размещая его в памяти, а по окончании приема обрабатывает заголовок и выводит сообщение из памяти на линию связи, ведущую к следующему узлу. Процесс приема, обработки и передачи сообщения повторяется последовательно всеми узлами на маршруте от абонента a_i до абонента a_j. Значение Т₂ определяет время доставки данных при коммутации сообщений. Это время в общем случае будет достаточно большим, так как сообщение не может быть передано дальше, пока полностью не будет принято и обработано текущим узлом.

Достоинствами метода коммутации сообщений являются: повышение эффективности использования сетевых ресурсов и отсутствие монополизации ресурсов тракта передачи, так как они сразу же высвобождаются после передачи и обработки сообщения. Главным недостатком метода является большое время передачи, особенно в протяженных трактах. Кроме того, на узлах коммутации необходимо наличие больших объемов буферной памяти для промежуточного хранения всех поступающих на узел сообщений.

Коммутация пакетов производится путем разбивки сообщения на пакеты - элементы сообщения, снабженные заголовком и имеющие фиксированную максимальную длину, - и последующей передачи пакетов по маршруту, определяемому узлами сети. Передача данных при коммутации пакетов происходит так же, как и при коммутации сообщений, но данные разделяются на последовательность пакетов 1, 2, ...…, длина которых ограничена предельным значением, например, 1024 бит.

В ИВС коммутация пакетов - основной способ передачи данных. Это обусловлено отчасти тем, что коммутация пакетов приводит к малым задержкам при передаче данных через СПД, а также следующими обстоятельствами.

Во-первых, способ коммутации каналов требует, чтобы все соединительные линии, из которых формируется канал, имели одинаковую пропускную способность, что крайне ужесточает требования к структуре СПД. Коммутация сообщений и пакетов позволяет передавать данные по линиям связи с любой пропускной способностью.

Во-вторых, представление данных пакетами создает наилучшие условия для мультиплексирования потоков данных. На рис. 8 представлена временная диаграмма, иллюстрирующая принцип мультиплексирования потоков данных. На первых трех осях изображены потоки данных (пакетов), генерируемых абонентами a₁, a₂, a₃. Двойная нумерация пакетов на рисунке означает номер абонента и номер пакета в потоке. Канал используется для обслуживания трех абонентов - путем разделения во времени, т.е. поочередного предоставления канала абонентам. Благодаря этому эффективно используются линии связи, соединяющие узлы связи и ЭВМ с СПД, и одна линия связи обеспечивает работу многих взаимодействующих абонентов. Экономичность коммутации пакетов несколько снижается из-за размножения заголовков, сопровождающих каждый пакет, но эти потери окупаются за счет эффекта мультиплексирования сильно пульсирующих потоков данных, характерных для ИВС.

В-третьих, малая длина пакетов позволяет выделять для промежуточного хранения передаваемых данных меньшую емкость памяти, чем требуется для сообщений. Кроме того, использование пакетов упрощает задачу управления потоками данных, поскольку для приема потока пакетов в узлах связи нужно резервировать меньшую память, чем для приема потока сообщений.

В-четвертых, надежность передачи данных по линиям связи невелика. Типичная линия связи обеспечивает передачу данных с вероятностью искажений 10^-4... 10^-6. Чем больше длина передаваемого сообщения, тем больше вероятность того, что оно будет искажено помехами. Пакеты, имея незначительную длину, в большей степени гарантированы от искажений, чем сообщения. К тому же искажение исключается путем перезапроса данных (метод автоматического запроса при ошибке - ARQ: Automatic ReQuest). Пакеты значительно лучше согласуются с механизмом перезапросов, чем сообщения, и обеспечивают наилучшее использование пропускной способности линии связи, работающей в условиях помех. Эти обстоятельства привели к использованию коммутации пакетов в качестве основного способа организации каналов связи в СПД ИВС.

Выбор длины пакетов производится исходя из размера сообщения с учетом влияния длины пакетов на время доставки данных, пропускную способность линий связи, емкость памяти и загрузку ЭВМ. Наиболее широко используются пакеты длиной 1024 бит (128 байт). При такой длине все управляющие сообщения и большинство сообщений, генерируемых в режиме диалоговой обработки, “вкладываются” в один пакет.