Способы коммутации в сетях электросвязи

Способы коммутации в сетях  электросвязи

В любой сети связи всегда применяется  какой-либо способ коммутации, обеспечивающий с помощью коммутаторов доступность  имеющихся физических каналов одновременно для нескольких сеансов связи  между абонентами сети, каждый из которых  соединяется с ближайшим коммутатором индивидуальной линией связи. В любой  момент времени эта линия используется только одним абонентом, а между  коммутаторами линии связи используются совместно многими абонентами.

Используются три принципиально  различных способа коммутации абонентов  в сетях: коммутация каналов, коммутация сообщений и коммутация пакетов. Сети с коммутацией сообщений  и коммутацией пакетов относятся  к типу сетей с промежуточным  хранением передаваемой информации. Сети с коммутацией каналов и  коммутацией пакетов разделяются, кроме того, на два класса – на сети с динамической коммутацией  и сети с постоянной коммутацией.

В сетях с динамической коммутацией  соединение абонента с любым другим устанавливается сетью по инициативе абонента, продолжается определенное время (от нескольких секунд до нескольких часов) и завершается также по инициативе абонента по окончании обмена информацией. Такой режим работы поддерживают телефонные сети общего пользования, локальные сети, сети TCP/IP.

В сетях с постоянной коммутацией  соединение между взаимодействующими пользователями устанавливается персоналом сети на длительное время (несколько  месяцев и более). Режим постоянной коммутации популярен в сетях  технологии SDH, где создаются выделенные каналы связи с пропускной способностью в несколько гигабитов в секунду.

Некоторые сети поддерживают оба режима работы, например сети X.25 и АТМ.

Организация связи в распределенных сетях базируется на принципах коммутации и реализуется в узлах, соединяющих  два или несколько входящих и  исходящих каналов в требуемых  направлениях. В целом задачу распределения  информационных потоков выполняет  система коммутации, состоящая из собственно сети, коммутационных станций  или узлов коммутации (УК), системы  подключения пользователей и  оконечных пунктов (ОП). Наиболее важную роль в ней играют УК, обеспечивающие установление, поддержание и разъединение соединений между терминалами (телефонными  аппаратами, компьютерами и т.п.), каждому  из которых присвоен адрес (номер).

Известны два основных принципа коммутации: непосредственное соединение и соединение с накоплением информации. При непосредственном соединении осуществляется физическое соединение входящих в УК каналов с соответствующими адресу исходящими каналами. При соединении с накоплением сообщений сигналы из входящих в УК-каналов сначала записываются в запоминающем устройстве, откуда через определенный промежуток времени поступают в исходящие каналы.

Необходимость в соединении с накоплением возникает в  силу разных причин. Главной из них  является то, что в момент прихода  сигнала по входящему в УК каналу, требуемый исходящий канал может  оказаться занятым передачей  информации от другого источника.

В таком случае возникают  альтернативные решения: первое – уведомить  источник сообщений о невозможности  установления требуемого соединения в  данный момент, второе – запомнить  входящее сообщение и передать его  в исходящий канал после его  освобождения от передачи предыдущего  сообщения. Заметим, что системы, построенные  по первому принципу, получили название систем с отказами, а построенные  по второму принципу – систем с  ожиданием. Необходимо иметь в виду, что поскольку получение источником сообщений (ИС) отказа в установлении соединения не освобождает его от необходимости передачи сообщения, то ИС оказывается вынужденным повторять попытки установления соединения до получения положительного результата. Так как подлежащая передаче информация все это время хранится в памяти ИС, то различие между рассматриваемыми принципами коммутации заключается не в том, что в первом случае запоминающее устройство отсутствует, а в том, что оно находится в ИС (в первом случае), т.е. децентрализованно, а во втором случае – в УК, т.е. централизованно. Это различие в месте и способе хранения существенным образом влияет на услуги, оказываемые абонентам сети с различными методами распределения информации.

Принцип непосредственного  соединения реализуется в системе  коммутации каналов (КК). Под коммутацией каналов понимается совокупность операций по соединению каналов для получения сквозного канала, связывающего через узлы коммутации один ОП с другим. При этом выражение «соединение каналов» следует понимать не только в смысле физического соединения, но и более широко – как занятие, резервирование средств передачи и коммутации для пары взаимодействующих ОП во время сеанса связи. Таким образом, при коммутации каналов сначала организуется сквозной канал передачи сообщений между взаимодействующими абонентами через узлы коммутации, а затем осуществляется передача сообщений.

До тех пор пока взаимосвязанные  абоненты не сообщат о своем решении  ликвидировать установленное соединение, выделенные ресурсы сети находятся  в их монопольном владении независимо от того, используются ли они в данный момент или нет.

Такой режим имеет определенное достоинство, связанное с тем, что  после организации соединения абоненты могут вести передачу в любое  время независимо от нагрузки, поступающей  от других абонентов. Кроме того, передачи осуществляются с фиксированной  задержкой, т.е. может быть реализован режим передачи в реальном масштабе времени, что особенно важно при работе в режиме диалога (переговоров двух абонентов или обмене информацией между двумя компьютерами).

Однако этот метод имеет  и недостатки, главным из которых  является плохое использование ресурсов сети, в частности каналов, если взаимодействующие  абоненты недостаточно активны и  между передачами сообщений наблюдаются  длительные паузы. В реальных системах передачи сообщений доля пауз может  быть достаточно большой. Даже в телефонных каналах речь занимает менее половины времени, а при передаче данных при  диалоговом обмене человека и компьютера полезная нагрузка составляет единицы  процентов от выделенной пропускной способности.

Рис. 1. Сети ПДС с коммутацией: а - пакетов, б - сообщений или пакетов

Для повышения эффективности  использования пропускной способности трактов сети в таких диалоговых системах и были разработаны методы коммутации, при которых пропускная способность сети не закрепляется на все время сеанса связи двух абонентов, а представляется им лишь по мере необходимости при появлении у них сообщений для передачи.

Коммутацией с  накоплением называется совокупность операций при приеме на УК сообщения или его части, накопления и последующей передачи сообщения или его части в соответствии с содержащимся в нем (ней) адресом.

В сети с КК (рис. 1) процесс передачи состоит из следующих операций:

– вызывающий абонент Аб_n с помощью вызывного устройства посылает по абонентской линии в узел КК заявку на соединение с абонентом Аб_m, содержащую условный адрес вызываемого абонента;ппаратура коммутации узла КК по полученной заявке осуществляет соединение абонентской линии Аб.лин_n с абонентской линией Аб.лин_m, если абоненты принадлежат одному узлу КК, или соединительной линией между узлами, к которым принадлежат абоненты (сквозной канал может быть организован через несколько промежуточных узлов КК, где осуществляется аналогичная коммутация);

– после организации сквозного  канала связи абонент Аб_m получает из узла КК сигнал вызова, а абонент Аб_n – сигнал установления соединения;

– происходит передача информации между абонентами, при этом обмен  может быть одно- и двусторонним, так как обычно коммутируются  двусторонние каналы связи;

– после завершения сеанса передачи информации и получения  от абонента сигнала отбоя аппаратура коммутации узлов КК разрушает ранее  установленные соединения каналов.

При отсутствии свободного канала либо его неисправности на любом из участков в заданном направлении  или отсутствии свободных станционных  устройств в УК соединение абонентов  не может быть установлено и узел коммутации посылает Аб_n сигнал отказа в обслуживании (сигнал занятости). Для установления соединения Аб_n должен повторить заявку на соединение. Такой способ обслуживания, при котором вызов (заявка на соединение), поступивший в момент отсутствия свободных линий, или станционных устройств, получает отказ (теряется), называется обслуживанием с потерями.

При системе коммутации с  накоплением (КН) ОП имеет постоянную прямую связь со своим УК (иногда с несколькими) и передает на него информацию. Затем эта информация поэтапно передается через узлы коммутации другим абонентам, причем в случае занятости  исходящих каналов информация запоминается в узлах и передается по мере освобождения каналов в нужном направлении. Известны две разновидности системы с  накоплением: система коммутации сообщений (КС) и система коммутации пакетов (КП). В сети с КС (см. рис. 1) процесс передачи следующий:

– вызывающий абонент Аб_n передает в узел коммутации подлежащее передаче сообщение вместе с условным адресом абонента Аб_m;

– в узле КС сообщение  запоминается и по его адресу определяется канал, по которому оно должно быть передано;

– если канал к соседнему  узлу КС свободен, то сообщение немедленно передается на соседний узел КС, в котором  повторяется та же операция;

– если канал к соседнему  узлу КС занят, то сообщение хранится в устройствах памяти вплоть до освобождения канала;

– хранящиеся сообщения  устанавливаются в очередь по направлениям передачи с учетом категории  срочности.

Такой способ обслуживания, при котором заявка, поступившая  в момент отсутствия свободных линий  или приборов, ожидает их освобождения, называется обслуживанием с ожиданием.

Метод КС нашел применение на телеграфных сетях общего пользования.

Метод коммутации пакетов (см. рис. 1) по своей идеологии совпадает с методом КС и отличается лишь тем, что длинные сообщения передаются не целиком, а разбиваются на относительно короткие части – пакеты. Различают два способа (режима) передачи пакетов: режим виртуальных соединений и датаграммный.

Очевидно, что у каждого  из рассмотренных методов коммутации имеется своя область применения, обусловленная его особенностями. Отсюда следует целесообразность сочетания  разных методов коммутации на сетях, объединяющих большое число абонентов  с отличающимися друг от друга  величинами нагрузки, характером ее распределения  во времени, объемами сообщений, используемой оконечной аппаратурой. На таких  сетях при небольшой средней  нагрузке и передаче сообщений большими массивами в небольшое число  адресов доля потери времени на установление соединения сравнительно невелика и  предпочтительнее использовать систему  с КК. При передаче же многоадресных  сообщений, необходимости обеспечения  приоритетности сообщениям высокой  категории срочности и при  большой загрузке абонентских установок  более эффективно использовать систему  с КС. При передаче коротких сообщений  в интерактивном (диалоговом) режиме наиболее целесообразно использовать КП.

В заключение заметим, что  выбор методов коммутации – достаточно сложная оптимизационная задача. Она решается исходя из требований к транспортной сети, которые в  свою очередь определяются особенностями  трафика, классом пользователей  и показателями качества их обслуживания.

 Коммутация сообщений

Коммутация сообщений  была преобладающим методом передачи данных в 60-70 годах XX века и до сих  пор используется в некоторых  областях (в электронной почте, электронных  новостях, телеконференциях, телесеминарах). Как и все методы коммутации с  промежуточным хранением, технология коммутации сообщений относится  к технологии типа "запомнить  и послать". Кроме того, технология коммутации сообщений обычно предусматривает отношение "главный - подчиненный". Коммутатор (коммуникационная ЭВМ) в центре коммутации сообщений (ЦКС) выполняет регистрацию и выбор при управлении входящими и выходящими потоками. Здесь не рассматриваются интерактивный режим и работа в реальном масштабе времени, однако данные через коммутатор могут передаваться на очень высокой скорости с соответствующим определением уровней приоритетов для различных типов потоков данных. Высокоприоритетные потоки задерживаются в очереди на обслуживание на более короткое время по сравнению с низкоприоритетными потоками, что позволяет обеспечить интерактивные прикладные задачи.

Важно отметить, что при  коммутации сообщений сообщение  независимо от его длины (разброс  в длине сообщений может быть достаточно велик) целиком сохраняет  свою целостность как единичный  объект в процессе его прохождения  от одного узла к другому вплоть до пункта назначения. Более того, транзитный узел не может начинать дальнейшую передачу части сообщения, если оно  еще принимается. По своему влиянию  на задержки это равноценно низкому  уровню использования ресурсов сети.

Таким образом, коммутация сообщений  предназначена для организации  взаимодействия пользователей в  режиме off-line, при котором не ожидается  немедленной реакции на принятое сообщение.

Недостатки метода коммутации сообщений:

- необходимость реализации  достаточно серьезных требований  к емкости буферных ЗУ в  узлах связи для приема больших  сообщений, что обусловливается  сохранением их целостности;

- недостаточные возможности  по реализации диалогового режима  и работы в реальном масштабе  времени при передаче данных;

- выход из строя всей  сети при отказе коммутатора,  так как через него проходят  все потоки данных (это характерно  для структуры "главный - подчиненный");