Основа построения сетей связи

Коммутация каналов. Сущность способа коммутации каналов (КК) при  передаче сообщений заключается в следующем. В момент времени t₁ от ОПСС отправителя сообщения в центр коммутации ЦК₁ поступает заявка на соединение с оконечным пунктом сети связи (ОПСС) получателя. В течение времени установления соединения t_ус производится установление соединения в ЦК₁, затем передается сигнал С₁ в ЦК₂, где также устанавливается соединение. Процедура продолжается до тех пор, пока не будут произведены все соединения в центрах коммутации (момент времени t_z), и тогда отправителю посылается сигнал готовности, после получения которого от ОПСС отправителя передается сообщение, которое для цифровых сетей связи измеряется в L бит. Время передачи сообщения t_р= L/R_б ^э, где R_б ^э - эффективная скорость передачи битов сообщений по цифровому каналу.

Процесс передачи заканчивается после приема сообщения получателем в момент времени t_K. Следует заметить, что в общем случае время установления соединения в центрах коммутации является величиной случайной для разных центров. Для упрощения оценок считаем, что t_ус является средним временем установления соединений.

Общее время доведения  сообщения определяется выражением (2.1):

t_дов = zt_yc + 3t_p(z - 1) + L/R_б ^э = (t_yc + 3t_p)z + L/R_б^э – 3t_p  (2.1)

Следует заметить, что  время занятия канала различно. Будем  характеризовать эффективность использования участка канала i между ЦК_i и ЦК_i+1 коэффициентом эффективности использования участка канала R_{исп i} равным отношению времени, в течение которого передаются данные, к общему времени занятия канала. Нетрудно убедиться, что (2.2):

R_{исп i} =              L/ R_б ^э (2.2)

(t_yc + t_p) (z - 1)+2zt_p + L/ R_б ^э

где i=(1,2,..., (z- 1). Пренебрегая значениями t_p, zt_p, 2zt_p, которые, как правило, существенно меньше t_ус и L/ R_б ^э, получим (2.3):

(2.3)

Из этого выражения  следует, что коэффициент использования  участка канала R_испi. зависит от времени установления t_ус, и различен для разных участков канала. Наиболее эффективно используется последний участок канала (z — 1). Причиной низкой эффективности первых участков является необходимость создания прямого тракта до начала передачи сообщения. При отсутствии свободного канала на каком-либо участке установленные ранее соединения разрушаются, а потери времени на подобные не обслуженные вызовы являются основной причиной неэффективного использования пропускной способности каналов в сетях коммутации каналов.

Метод КК широко применяется  в телефонных сетях, представляющих пользователям диалоговую связь. Частным  случаем КК является кроссовая коммутация, которой соответствуют долговременные соединения в ЦК, позволяющие организовать прямой (некоммутируемый) канал между ОП.

Коммутация сообщений. При использовании этого способа  сообщение отправителя передается в ЦК₁, где запоминается и передается в следующий ЦК. Процедура повторяется до тех пор, пока сообщение не достигнет ЦК₂ откуда через канал связи оно поступает в ОПСС получателя.

Началом цикла передачи является момент времени t₁  начиная с которого аппаратурой ОПСС отправителя производится обработка сообщения (анализ адреса и категории срочности, выбор исходящего тракта и т. д.). Время обработки является величиной случайной и зависит от состояния каналов связи, загрузки OПCC и центров коммутации и других факторов. Для получения приближенных оценок этого времени используется среднее время обработки сообщения в ОПСС или центре коммутации t_обр . После предоставления исходящего тракта передаются заголовок и данные, содержащиеся в сообщении. Процесс передачи от ОПСС к ЦК, заканчивается в момент t«. При передаче от ЦК₁ к ЦК₂ и так далее все полностью повторяется. Последний этап содержит передачу сообщения из ЦК_z в ОПСС получателя.

Характерной особенностью способа коммутации сообщений при полном переприеме сообщений в центрах коммутации является поочередное занятие каналов и центров коммутации на маршруте передачи сообщения. Форматы сообщений определяются оптимизацией процедур обмена сообщениями между отправителями и получателями. Вследствие этого объем сообщений, как правило, не оптимален с точки зрения процедур обмена в сети связи. Полный переприем сообщений, имеющих в большинстве случаев длину, во много раз превышающую оптимальную, приводит длительным задержкам в центрах коммутации и необходимости иметь там запоминающие устройства весьма большой емкости. Эти обстоятельства и обусловили широкое применение способа коммутации пакетов.

Коммутация пакетов. При этом способе обмен сообщениями между отправителями и получателями реализуется при использовании двух протоколов (правил). Протокол обмена сообщениями является протоколом высшего уровня и обеспечивает непосредственный обмен сообщениями заданного формата между двумя ОПСС. Протоколом более низкого уровня является протокол пакетной коммутации, обеспечивающий доставку пакетов из места разделения сообщений на пакеты в место их формирования. Оптимальный выбор объема пакета позволяет уменьшить емкость запоминающих устройств и время задержки пакетов в центрах коммутации.

Доставка сообщения  от отправителя к получателю в  сети связи с пакетной коммутацией  включает в себя процедуры получения  сообщения от отправителя, образования  пакетов, передачи пакетов по сети связи, формирования сообщения и выдачи его получателю.

Процедура образования  пакетов из сообщения и обратная процедура формирования сообщения  из принимаемых пакетов могут  осуществляться либо ОПСС отправителя  и получателя сообщений, либо в центрах  коммутации, с которыми непосредственно связаны ОПСС отправителя и получателя сообщений.

В первом случае базовая сеть связи реализует лишь протокол пакетной коммутации, а протокол обмена сообщениями осуществляется средствами ОПСС, обмен которых с центрами коммутации также производится пакетами. В частном случае, когда отправитель осуществляет ввод сообщений в форме пакетов, можно обходиться и без автоматизации процедур преобразования сообщений в пакеты.

Во втором случае ОП сети связи выдает в ЦК сообщения, т. е. обмен между ОПСС и ЦК реализуется по протоколу обмена сообщениями, в рамках которого, естественно, может быть применено и разбиение на пакеты. Затем реализуется процедура передачи пакетов в ЦК получателя, в котором осуществляется сборка сообщения, выдаваемого в ОПСС получателя.

Использование пакетной коммутации позволяет реализовать  различные протоколы управления процессом доставки пакета от отправителя  до получателя. Наибольшее распространение  получили датаграммный способ и способ с установлением виртуального канала.

При датаграммном способе каждый пакет при перемещении в сети рассматривается как самостоятельный блок, доставляемый получателю (точнее, в элемент сети связи, реализующий процедуру формирования сообщений из принимаемых пакетов) в соответствии с приписанным ему адресом.

Предполагается, что процедуры  формирования пакетов (сообщений) реализуются  в ОПСС. Первый пакет сообщений  передается точно таким же образом, как и при коммутации сообщений. При передаче второго пакета на участке  ОПСС — ЦК, направления передачи сообщений одновременно передается пакет на участке ЦК, — ЦК . С момента передачи пакета с номером z ведется одновременная передача пакетов на всех участках направления передачи сообщений между ОПСС отправителя и ОПСС получателя сообщений. Способ коммутации пакетов приближается по характеристикам к способу коммутации каналов, сохраняя все преимущества коммутации сообщений.

Датаграммный способ относительно прост в реализации и обеспечивает минимизацию времени  доведения сообщения получателю.

К недостаткам этого способа следует отнести:

- Возможность нарушения порядка прибытия в ОП пользователя пакетов длинного сообщения ввиду независимости их маршрутов в сети, что требует сортировки пакетов в нужной последовательности.

- Возможность различных задержек пакетов из-за отсутствия предварительного резервирования памяти в ОП пользователя для много пакетных сообщений, что приводит к перегрузке памяти ЦК пользователя.

- Наличие тупиковых ситуаций снижает степень использования технологических ресурсов. В сети КП с датаграммным режимом такие ситуации возникают при условии, что поток поступающих в сеть пакетов превышает допустимый. Перегрузка сети приводит к циркуляции датаграмм, которые не могут быть переданы в ОП пользователя ввиду отсутствия свободной памяти в ЦК пользователя.

Для исключения указанных  недостатков в сети КП применяются  различные методы резервирования ресурсов (прежде всего памяти ОП пользователя или ЦК). Так, если датаграммный способ дополнить виртуальным вызовом, когда перед передачей основной информации ОП источника посылает служебный пакет в ОП получателя, запорашивающий ресурсы (требуемый объем памяти ОП получателя), на который получает ответный пакет готовности, то это значительно уменьшает вероятность тупиковых ситуаций из-за перегрузки ЦК пользователя. При получении отказа ОП источника не передает сообщения и тем самым не загружает сеть.

Фиксируя дополнительно  путь передачи пакетов в маршрутных таблицах тех узлов, через которые  прошел служебный пакет вызова, можно  значительно уменьшить вероятность нарушения порядка следования пакетов длинного сообщения. Эта разновидность КП называется коммутацией пакетов с установлением виртуального канала. При этом исключается циркуляция пакетов («петли») и появляется возможность контроля перегрузок за счет установления допустимого числа виртуальных каналов в сети. Заголовки пакетов (кроме первого) при использовании способа с установлением виртуального канала могут иметь меньший объем, чем при способе датаграмм, так как вместо полного адреса достаточно иметь лишь сведения о принадлежности к заданному маршруту, т.е. сведения об условном номере виртуального канала.

Гибридная коммутация. Сочетание достоинств способов КК и КП обеспечивается в гибридной коммутации, комбинирующей коммутацию каналов для сообщений, передаваемых в реальном масштабе времени (речь, сигналы телеуправления и телеметрии, факсимильные сообщения и т. д.), и коммутацию пакетов для данных. Распределение смешанного трафика определяется в этом случае при поступлении вызова ОП источника в сеть, в которой при этом часть пропускной способности магистральных каналов отводится под график, передаваемый в режиме КК, а другая часть — под трафик, передаваемый в режиме КП. Платой за широкие возможности способа ГК является увеличение аппаратно-программных затрат на реализацию L.

Сравнение способов коммутации. В приложение Д рисунок Д.1, показан характер зависимостей времени доведения сообщения от его объема.

Для сообщений длиной L₁ < L < L₂ наименьшее время доведения обеспечивает способ коммутации пакетов, а наибольшее — способ коммутации каналов. При больших длинах сообщений (L < L₃ ) наилучшие результаты по времени доведения можно получить, используя способ коммутации каналов.

Для способа коммутации пакетов коэффициент использования  каналов не зависит от длины сообщения, так как структура пакета в любых случаях включает одинаковое количество служебных символов в составе заголовка пакета.

Достоинствами способа  коммутации сообщений, обусловливающими его широкое применение в перспективных  сетях связи, являются:

1) Более эффективное использование пропускной способности каналов связи. Коммутация сообщений обеспечивает эффективное использование одного канала в интересах различных направлений передачи сообщений. Особенно эффективно это осуществляется при пакетной коммутации. Эффект статистического управления в канале пакетами различных информационных направлений позволяет считать перспективным способ пакетной коммутации при передаче речевых и факсимильных сообщений в цифровой форме в цифровых сетях с интеграцией обслуживания.

2) Простота реализации многоадресной и циркулярной передачи сообщений.

3) Возможность более простой, чем при коммутации каналов, реализации приоритетной передачи сообщений высоких категорий срочности. Накопление сообщений в центрах коммутации позволяет организовать на маршрутах «обгон» сообщений низких категорий срочности сообщениями более высоких категорий.

4) Обеспечение обмена сообщениями между отправителями и получателями, использующими разнотипную аппаратуру ввода и вывода сообщений, в частности работающую с различными скоростями передачи сообщений.

5) Возможность передачи сообщений по участкам направлений передачи сообщений, имеющим каналы передачи сообщений с различными скоростями передачи.

Достоинством коммутации каналов является малое время доведения сообщения по уже образованному каналу, а также низкие требования к структуре сообщений и их форматам. Вследствие этого способ коммутации каналов также может использоваться в цифровых сетях с интеграцией обслуживания и в сетях передачи данных часто со способом коммутации пакетов. При обеспечении обмена сообщениями в конкретной ситуации может выбираться наиболее целесообразный способ коммутации. Например, при передаче больших объемов информации, как правило, эффективнее способ коммутации каналов, а для передачи короткого сигнала — способ пакетной коммутации.