Комутація каналів і пакетів
Коммутация каналов является доминирующей технологией передачи речи и данных. Связь с коммутацией каналов предполагает, что имеется заранее определенный тракт связи между двумя станциями. Этот тракт - связанная последовательность каналов между узлами эти. В каждом физическом канале для данного соединения выделяется логический канал. Связь с коммутацией каналов включает три фазы, которые можно рассмотреть на примере (рис. 1.).
1. Установление соединения . Прежде чем можно будет передать какие-то сигналы, должно быть установлено сквозное соединение (от станции к станции). Например, станция А посылает узлу 4 запрос, требуя соединения со станцией Е . Как правило, канал от А до 4 является выделенным, т.е. часть соединения уже существует. Узел 4 должен найти следующий участок маршрута по направлению к узлу 6. На основе данных маршрутизации и сведений о доступности и, возможно, стоимости узел 4 выбирает канал к узлу 5, занимает в нем свободный логический канал (с использованием частотного или временного уплотнения) и посылает сообщение с требованием соединения с Е . Теперь, создан выделенный тракт от А через 4 до 5. Поскольку к узлу 4 может быть подключено много станций, этот узел должен быть способен создавать внутренние тракты от многих станций ко многим узлам . Остальная часть процесса выполняется подобным образом. Узел 5 выделяет канал к узлу 6 и внутри сети подключает этот канал к каналу от узла 4. Узел 6 завершает соединение, устанавливая канал к Е . В заключение определяется, занята станция Е или готова к приему соединения.
2. Передача данных . Теперь можно передать по сети информацию от А к Е . Данные могут быть аналоговыми или цифровыми, в зависимости от природы сети. Поскольку развитие средств связи происходит в направлении к полностью интегрированным цифровым сетям, господствующим методом, как для голоса, так и для данных становится цифровая (двоичная) передача. Тракт связи образуют: канал А-4 , внутренняя коммутация в узле 4; канал 4-5, внутренняя коммутация в 5; канал 5-6, внутренняя коммутация в 6; канал 6-Е . Как правило, соединение является дуплексным.
3. Разрыв соединения . После некоторого периода передачи данных соединение завершается, обычно это действие инициирует одна из двух станций. Узлам 4, 5 и 6 должны быть переданы сигналы на освобождение выделенных ресурсов .
Заметьте, что тракт соединения устанавливается до того, как начинается передача данных. Следовательно, канал между каждыми двумя узлами должен иметь резерв пропускной способности, а каждый узел должен иметь свободную коммутационную способность, чтобы обслужить требуемое соединение. Коммутаторы должны уметь самостоятельно выделять эти ресурсы и определять маршрут через сеть.
Коммутация каналов может быть довольно неэффективной . Ресурсы каналов выделяются на весь срок действия соединения, даже если данные фактически не передаются. При передаче голосовых данных степень использования может быть дольно высокой, но все же не достигает 100%.
При соединении терминала и компьютера канал большую часть времени может оставаться неиспользуемым . На степень использования влияет задержка начала передачи сигналов, требуемая для установления связи. Но как только соединение будет установлено, наличие сети становится практически незаметным для пользователей. Информация передается с постоянной скоростью без задержек, исключая лишь задержку при распространении по каналам. Задержка на каждом узле незначитель на.
Метод коммутации каналов был создан для обслуживания голосового обмена, но теперь он используется и при обмене данными. Наиболее известный пример сети с коммутацией каналов - телефонная сеть общего пользования (рис. 2). Она фактически представляет собой совокупность национальных сетей, которые соединяются для обслуживания международных звонков. Хотя эта сеть первоначально была разработана и построена для аналоговых абонентов-телефонов, она обслуживает значительный поток данных через модемы и постепенно превращается в цифровую сеть. Еще один известный пример использования коммутации каналов - ведомственные телефонные сети, применяемые для соединения телефонов в здании или офисе. Коммутация каналов также применяется в частных сетях. Как правило, такую сеть создает корпорация или другая большая организация для связи между своими филиалами. Такая сеть обычно состоит из ведомственных систем в каждом филиале, соединенных выделенными линиями, предоставленными каким-либо оператором связи. Последний распространенный пример использования коммутации каналов - коммутатор данных. Коммутатор данных подобен ведомственной телефонной станции, но предназначен для соединения устройств обработки цифровых данных, таких, как терминалы и компьютеры.
Рис. 2. Пример соединения через общедоступную сеть с коммутацией каналов
Общедоступную сеть связи можно описать с использованием четырех универсальных архитектурных компонентов.
− Абоненты . Устройства, которые подключаются к сети. До сих пор большую часть абонентских устройств в общедоступных сетях связи составляют телефоны, но доля устройств передачи данных год от года растет.
− Абонентская линия . Канал между абонентом и сетью. Называется также абонентским шлейфом или абонентским каналом. Почти во всех абонентских линиях используются витые пары. Длина абонентской линии обычно составляет от нескольких километров до нескольких десятков километров.
− Коммутаторы . Центры коммутации в сети. Центр коммутации, который непосредственно обслуживает абонентов, называется конечной станцией . Как правило, конечная станция обслуживает тысячи абонентов в ограниченной области. Например, в США имеется более 19 000 конечных станций, поэтому нереально для каждой конечной станции иметь прямую линию к каждой из других конечных станций; потребовалось бы порядка 2×10 8 каналов. Взамен этого применяются промежуточные коммутаторы .
− Магистрали . Каналы между коммутаторами. Магистрали, благодаря частотному или временному уплотнению, содержат множество каналов звуковой частоты. Раньше магистрали назывались многоканальными линиями связи.
Абоненты соединяются непосредственно с конечной станцией, которая коммутирует телефонный обмен между абонентами и между абонентом и другими коммутаторами. Другие коммутаторы отвечают за маршрутизацию и коммутацию телефонного обмена между конечными станциями. Это различие показано на рис. 3. Соединение между двумя абонентами, подключенными к одной и той же конечной станции, создается таким же образом, как описано выше. Если абоненты подключены к разным конечным станциям, соединение между ними стоит из цепи соединений через одну или более промежуточных станций. На рисунке соединение между абонентами а и b создается путем их простой коммутации через конечную станцию. Установка соединения между c и d более сложна. На конечной станции абонента с устанавливается соединение между линией абонента с и одним каналом магистрали с временным уплотнением к промежуточному коммутатору. В промежуточном коммутаторе этот канал соединяется с каналом с временным уплотнением, ведущим к конечной станции абонента d . На этой конечной станции канал соединяется с линией абонента d .
Рис. 3. Установка соединения
Технология коммутации каналов развивалась под воздействием тех же требований, которые предъявлялись к передаче голосовых сигналов.
Одно из таких требований - как можно меньшая задержка при передаче сигналов и, конечно, отсутствие изменений во время этой задержки . Должна была поддерживаться постоянная скорость передачи сигнала, поскольку передача и прием осуществляются при одной и той же скорости. Выполнение этих требований необходимо, чтобы происходил обычный разговор людей. Кроме того, качество принимаемого сигнала должно быть достаточно высоким, чтобы, как минимум, обеспечивать разборчивость речи.
Коммутация каналов стала широко распространенной и доминирующей потому, что она хорошо подходит для аналоговой передачи голосовых сигналов. В сегодняшнем цифровом мире ее неэффективность очевидна. Однако, несмотря на свою неэффективность, коммутация каналов остается привлекательной технологией как для локальных, так и для глобальных сетей. Одно из ее главных преимуществ - незаметность для пользователя. Когда соединение установлено, для подключенных станций оно кажется прямым, никакая дополнительная сетевая логика на этих станциях не требуется.
Сети с коммутацией каналов обладают несколькими важными общими свойствами независимо от того, какой тип мультиплексирования в них используется.
Сети с динамической коммутацией требуют предварительной процедуры установления соединения между абонентами. Для этого в сеть передается адрес вызываемого абонента, который проходит через коммутаторы и настраивает их на последующую передачу данных. Запрос на установление соединения маршрутизируется от одного коммутатора к другому и в конце концов достигает вызываемого абонента. Сеть может отказать в установлении соединения, если емкость требуемого выходного канала уже исчерпана. Для FDM-коммутатора емкость выходного канала равна количеству частотных полос этого канала, а для TDM-коммутатора - количеству тайм-слотов, на которые делится цикл работы канала. Сеть отказывает в соединении также в том случае, если запрашиваемый абонент уже установил соединение с кем-нибудь другим. В первом случае говорят, что занят коммутатор, а во втором - абонент. Возможность отказа в соединении является недостатком метода коммутации каналов.
Если соединение может быть установлено, то ему выделяется фиксированная полоса частот в FDM-сетях или же фиксированная пропускная способность в TDM-сетях. Эти величины остаются неизменными в течение всего периода соединения. Гарантированная пропускная способность сети после установления соединения является важным свойством, необходимым для таких приложений, как передача голоса, изображения или управления объектами в реальном масштабе времени. Однако динамически изменять пропускную способность канала по требованию абонента сети с коммутацией каналов не могут, что делает их неэффективными в условиях пульсирующего трафика.
Недостатком сетей с коммутацией каналов является невозможность применения пользовательской аппаратуры, работающей с разной скоростью. Отдельные части составного канала работают с одинаковой скоростью, так как сети с коммутацией каналов не буферизуют данные пользователей.
Сети с коммутацией каналов хорошо приспособлены для коммутации потоков данных постоянной скорости, когда единицей коммутации является не отдельный байт или пакет данных, а долговременный синхронный поток данных между двумя абонентами. Для таких потоков сети с коммутацией каналов добавляют минимум служебной информации для маршрутизации данных через сеть, используя временную позицию каждого бита потока в качестве его адреса назначения в коммутаторах сети.
Обеспечение дуплексного режима работы на основе технологий FDM, TDM и WDM
В зависимости от направления возможной передачи данных способы передачи данных по линии связи делятся на следующие типы:
o симплексный - передача осуществляется по линии связи только в одном направлении;
o полудуплексный - передача ведется в обоих направлениях, но попеременно во времени. Примером такой передачи служит технология Ethernet;
o дуплексный - передача ведется одновременно в двух направлениях.
Дуплексный режим - наиболее универсальный и производительный способ работы канала. Самым простым вариантом организации дуплексного режима является использование двух независимых физических каналов (двух пар проводников или двух световодов) в кабеле, каждый из которых работает в симплексном режиме, то есть передает данные в одном направлении. Именно такая идея лежит в основе реализации дуплексного режима работы во многих сетевых технологиях, например Fast Ethernet или АТМ.
Иногда такое простое решение оказывается недоступным или неэффективным. Чаще всего это происходит в тех случаях, когда для дуплексного обмена данными имеется всего один физический канал, а организация второго связана с большими затратами. Например, при обмене данными с помощью модемов через телефонную сеть у пользователя имеется только один физический канал связи с АТС - двухпроводная линия, и приобретать второй вряд ли целесообразно. В таких случаях дуплексный режим работы организуется на основе разделения канала на два логических подканала с помощью техники FDM или TDM.
Модемы для организации дуплексного режима работы на двухпроводной линии применяют технику FDM. Модемы, использующие частотную модуляцию, работают на четырех частотах: две частоты - для кодирования единиц и нулей в одном направлении, а остальные две частоты - для передачи данных в обратном направлении.
При цифровом кодировании дуплексный режим на двухпроводной линии организуется с помощью техники TDM. Часть тайм-слотов используется для передачи данных в одном направлении, а часть - для передачи в другом направлении. Обычно тайм-слоты противоположных направлений чередуются, из-за чего такой способ иногда называют «пинг-понговой» передачей. TDM-разделение линии характерно, например, для цифровых сетей с интеграцией услуг (ISDN) на абонентских двухпроводных окончаниях.
В волоконно-оптических кабелях при использовании одного оптического волокна для организации дуплексного режима работы применяется передача данных в одном направлении с помощью светового пучка одной длины волны, а в обратном - другой длины волны. Такая техника относится к методу FDM, однако для оптических кабелей она получила название разделения по длине волны (Wave Division Multiplexing, WDM). WDM применяется и для повышения скорости передачи данных в одном направлении, обычно используя от 2 до 16 каналов.
Коммутация пакетов
Принципы коммутации пакетов
Коммутация пакетов - это техника коммутации абонентов, которая была специально разработана для эффективной передачи компьютерного трафика. Эксперименты по созданию первых компьютерных сетей на основе техники коммутации каналов показали, что этот вид коммутации не позволяет достичь высокой общей пропускной способности сети. Суть проблемы заключается в пульсирующем характере трафика, который генерируют типичные сетевые приложения. Например, при обращении к удаленному файловому серверу пользователь сначала просматривает содержимое каталога этого сервера, что порождает передачу небольшого объема данных. Затем он открывает требуемый файл в текстовом редакторе, и эта операция может создать достаточно интенсивный обмен данными, особенно если файл содержит объемные графические включения. После отображения нескольких страниц файла пользователь некоторое время работает с ними локально, что вообще не требует передачи данных по сети, а затем возвращает модифицированные копии страниц на сервер - и это снова порождает интенсивную передачу данных по сети.
Коэффициент пульсации трафика отдельного пользователя сети, равный отношению средней интенсивности обмена данными к максимально возможной, может составлять 1:50 или 1:100. Если для описанной сессии организовать коммутацию канала между компьютером пользователя и сервером, то большую часть времени канал будет простаивать. В то же время коммутационные возможности сети будут использоваться - часть тайм-слотов или частотных полос коммутаторов будет занята и недоступна другим пользователям сети.
При коммутации пакетов все передаваемые пользователем сети сообщения разбиваются в исходном узле на сравнительно небольшие части, называемые пакетами. Напомним, что сообщением называется логически завершенная порция данных - запрос на передачу файла, ответ на этот запрос, содержащий весь файл, и т. п. Сообщения могут иметь произвольную длину, от нескольких байт до многих мегабайт. Напротив, пакеты обычно тоже могут иметь переменную длину, но в узких пределах, например от 46 до 1500 байт. Каждый пакет снабжается заголовком, в котором указывается адресная информация, необходимая для доставки пакета узлу назначения, а также номер пакета, который будет использоваться узлом назначения для сборки сообщения (рис. 2.29). Пакеты транспортируются в сети как независимые информационные блоки. Коммутаторы сети принимают пакеты от конечных узлов и на основании адресной информации передают их друг другу, а в конечном итоге - узлу назначения.
Рис. 2.29. Разбиение сообщения на пакеты
Коммутаторы пакетной сети отличаются от коммутаторов каналов тем, что они имеют внутреннюю буферную память для временного хранения пакетов, если выходной порт коммутатора в момент принятия пакета занят передачей другого пакета (рис. 2.30). В этом случае пакет находится некоторое время в очереди пакетов в буферной памяти выходного порта, а когда до него дойдет очередь, то он передается следующему коммутатору. Такая схема передачи данных позволяет сглаживать пульсации трафика на магистральных связях между коммутаторами и тем самым использовать их наиболее эффективным образом для повышения пропускной способности сети в целом.
Рис. 2.30. Сглаживание пульсаций трафика в сети с коммутацией пакетов
Действительно, для пары абонентов наиболее эффективным было бы предоставление им в единоличное пользование скоммутированного канала связи, как это делается в сетях с коммутацией каналов. При этом способе время взаимодействия этой пары абонентов было бы минимальным, так как данные без задержек передавались бы от одного абонента другому. Простои канала во время пауз передачи абонентов не интересуют, для них важно быстрее решить свою собственную задачу. Сеть с коммутацией пакетов замедляет процесс взаимодействия конкретной пары абонентов, так как их пакеты могут ожидать в коммутаторах, пока по магистральным связям передаются другие пакеты, пришедшие в коммутатор ранее.
Тем не менее общий объем передаваемых сетью компьютерных данных в единицу времени при технике коммутации пакетов будет выше, чем при технике коммутации каналов. Это происходит потому, что пульсации отдельных абонентов в соответствии с законом больших чисел распределяются во времени. Поэтому коммутаторы постоянно и достаточно равномерно загружены работой, если число обслуживаемых ими абонентов действительно велико. На рис. 2.30 показано, что трафик, поступающий от конечных узлов на коммутаторы, очень неравномерно распределен во времени. Однако коммутаторы более высокого уровня иерархии, которые обслуживают соединения между коммутаторами нижнего уровня, загружены более равномерно, и поток пакетов в магистральных каналах, соединяющих коммутаторы верхнего уровня, имеет почти максимальный коэффициент использования.
Более высокая эффективность сетей с коммутацией пакетов по сравнению с сетями с коммутацией каналов (при равной пропускной способности каналов связи) была доказана в 60-е годы как экспериментально, так и с помощью имитационного моделирования. Здесь уместна аналогия с мультипрограммными операционными системами. Каждая отдельная программа в такой системе выполняется дольше, чем в однопрограммной системе, когда программе выделяется все процессорное время, пока она не завершит свое выполнение. Однако общее число программ, выполняемых за единицу времени, в мультипрограммной системе больше, чем в однопрограммной.
Предельные расстояния для радиоканалов приводятся поставщиками в предположении, что в пределах первой зоны Френеля каких-либо физических помех нет. Абсолютное ограничение на дальность связи радиорелейных каналов накладывает кривизна земли, смотри рис. 7.15 . Для частот выше 100 МГц волны распространяются прямолинейно (рис. 7.15.А) и, следовательно, могут фокусироваться. Для высоких частот (ВЧ) и УВЧ земля поглощает волны, но для ВЧ характерно отражение от ионосферы (рис. 7.15Б) - это сильно расширяет зону вещания (иногда осуществляется несколько последовательных отражений), но этот эффект неустойчив и сильно зависит от состояния ионосферы.
Рис.
7.15.
При построении длинных радиорелейных каналов приходится ставить ретрансляторы. Если антенны размещены на башнях высотой 100 м расстояния между ретрансляторами может составлять 80-100 км. Стоимость антенного комплекса обычно пропорциональна кубу диаметра антенны .
Диаграмма излучения направленной антенны показана на рис. 7.16 (стрелкой отмечено основное направление излучения). Эту диаграмму следует учитывать при выборе места установки антенны, особенно при использовании большой мощности излучения. Иначе один из лепестков излучения может прийтись на места постоянного пребывания людей (например, жилье). Учитывая эти обстоятельства, проектирование такого рода каналов целесообразно поручить профессионалам.
Рис. 7.16.
4-го октября 1957 года в СССР был запущен первый искусственный спутник земли, в 1961 году в космос полетел Ю. А. Гагарин, а вскоре на орбиту был выведен первый телекоммуникационный спутник "Молния" - так началась космическая эра коммуникаций. Первый в РФ спутниковый канал для Интернет (Москва-Гамбург) использовал геостационарный спутник "Радуга" (1993). Стандартная антенна INTELSAT имеет диаметр 30 м и угол излучения 0,01 0 . Спутниковые каналы используют частотные диапазоны, перечисленные в таблице 7.6 .
| Диапазон | Нисходящий канал ( Downlink )[ГГц] | Восходящий канал ( Uplink )[ГГц] | Источники помех |
|---|---|---|---|
| С | 3,7-4,2 | 5,925-6,425 | Наземные помехи |
| Ku | 11,7-12,2 | 14,0-14,5 | Дождь |
| Ka | 17,7-21,7 | 27,5-30,5 | Дождь |
Передача всегда ведется на более высокой частоте, чем прием сигнала со спутника .
Диапазон пока еще "заселен" не слишком плотно, кроме того, для этого диапазона спутники могут отстоять друг от друга на 1 градус. Чувствительность к помехам от дождей может быть обойдена использованием двух наземных приемных станций, разнесенных на достаточно большое расстояние (размер ураганов ограничен). Спутник может иметь много антенн, направленных на разные регионы поверхности земли. Размер пятна "засветки" такой антенны на земле может иметь размер несколько сот километров. Обычный спутник обладает 12-20 транспондерами (приемопередатчиками), каждый из которых имеет полосу 36-50МГц, что позволяет сформировать поток данных 50 Мбит/с. Два транспондера могут использовать разную поляризацию сигнала, работая при одной и той же частоте. Такая пропускная способность достаточна для получения 1600 высококачественных телефонных каналов (32кбит/c). Современные спутники используют узкоапертурную технологию передачи VSAT ( Very Small Aperture Terminals). Диаметр пятна "засветки" на земной поверхности для этих антенн равен примерно 250 км. Наземные терминалы используют антенны диаметром 1 метр и выходную мощность около 1 Вт. При этом канал к спутнику имеет пропускную способность 19,2 Кбит/с, а со спутника - более 512 Кбит/c. Непосредственно такие терминалы не могут работать друг с другом через телекоммуникационный спутник. Для решения этой проблемы используются промежуточные наземные антенны с большим усилением, что существенно увеличивает задержку (и удорожает систему), смотри рис. 7.17 .
Рис. 7.17.
Для создания постоянных каналов телекоммуникаций служат геостационарные спутники, висящие над экватором на высоте около 36000 км.
Теоретически три таких спутника могли бы обеспечить связью практически всю обитаемую поверхность Земли (см. рис. 7.18).
Рис. 7.18.
Реально геостационарная орбита переполнена спутниками различного назначения и национальной принадлежности. Обычно спутники помечаются географической долготой мест, над которыми они висят. При существующем уровне развития технологии неразумно размещать спутники ближе, чем 2 0 . Таким образом, сегодня нельзя разместить более 360/2=180 геостационарных спутников.
Система геостационарных спутников выглядит как ожерелье, нанизанное на невидимую глазу орбиту. Один угловой градус для такой орбиты соответствует ~600 км. Может показаться, что это огромное расстояние . Плотность спутников на орбите неравномерна – на долготе Европы и США их много, а над Тихим океаном – мало, там они просто не нужны. Спутники не вечны, время их жизни обычно не превосходит 10 лет, они выходят из строя главным образом не из-за отказов оборудования, а из-за нехватки горючего для стабилизации их положения на орбите. После выхода из строя спутники остаются на своих местах, превращаясь в космический мусор. Таких спутников уже сейчас немало, со временем их станет еще больше. Конечно, можно предположить, что точность вывода на орбиту со временем станет выше и люди научатся выводить их с точностью в 100 м. Это позволит размещать в одной "нише" 500-1000 спутников (что сегодня представляется почти невероятным, ведь нужно оставить пространство для их маневров). Человечество может таким образом создать нечто похожее на искусственное кольцо Сатурна, состоящее целиком из мертвых телекоммуникационных спутников. До этого дело вряд ли дойдет, так как будет найден способ удаления или восстановления неработающих спутников, хотя с неизбежностью это существенно удорожит услуги таких коммуникационных систем.
К счастью, спутники, использующие разные частотные диапазоны, не конкурируют друг с другом. По этой причине в одной и той же позиции на орбите может находиться несколько спутников с разными рабочими частотами. На практике геостационарный спутник не стоит на месте, а выполняет движение по траектории, имеющей (при наблюдении с Земли) вид цифры 8. Угловой размер этой восьмерки должен укладываться в рабочую апертуру антенны, в противном случае антенна должна иметь сервопривод, обеспечивающий автоматическое слежение за спутником. Из-за энергетических проблем телекоммуникационный спутник не может обеспечить высокого уровня сигнала. По этой причине наземная антенна должна иметь большой диаметр , а приемное оборудование - низкий уровень шума. Это особенно важно для северных областей, в которых угловое положение спутника над горизонтом невысоко (настоящая проблема для широт более 70 0), а сигнал проходит довольно толстый слой атмосферы и заметно ослабляется. Спутниковые каналы могут быть рентабельны для областей, отстоящих друг от друга более чем на 400-500 км (при условии, что других средств не существует). Правильный выбор спутника (его долготы) может заметно снизить стоимость канала.
Число позиций для размещения геостационарных спутников ограничено. В последнее время для телекоммуникаций планируется применение так называемых низколетящих спутников (<1000 км; период обращения ~1 час ). Эти спутники движутся по эллиптическим орбитам, и каждый из них по отдельности не может гарантировать стационарный канал, но в совокупности эта система обеспечивает весь спектр услуг (каждый из спутников работает в режиме "запомнить и передать"). Из-за малой высоты полета наземные станции в этом случае могут иметь небольшие антенны и малую стоимость .
Существует несколько способов работы совокупности наземных терминалов со спутником. При этом может использоваться мультиплексирование по частоте ( FDM ), по времени ( TDM ), CDMA (Code Division Multiple Access ), ALOHA или метод запросов.
Схема запросов предполагает, что наземные станции образуют логическое кольцо , вдоль которого двигается маркер. Наземная станция может начать передачу на спутник, лишь получив этот маркер.
Простая система ALOHA (разработана группой Нормана Абрамсона из Гавайского университета в 70-х годах) позволяет каждой станции начинать передачу тогда, когда она этого захочет. Такая схема с неизбежностью приводит к столкновениям попыток. Связано это отчасти с тем, что передающая сторона узнает о столкновении лишь спустя ~270 мсек. Достаточно последнему биту пакета одной станции совпасть с первым битом другой станции, потеряны будут оба пакета и их придется послать повторно. После столкновения станция ожидает некоторое псевдослучайное время и совершает повторную попытку передачи еще раз. Такой алгоритм доступа обеспечивает эффективность использования канала на уровне 18%, что совершенно недопустимо для таких дорогостоящих каналов, как спутниковые. По этой причине чаще используется доменная версия системы ALOHA , которая удваивает эффективность (предложена в 1972 году Робертсом). Временная шкала делится на дискретные интервалы, соответствующие времени передачи одного кадра.
В этом методе машина не может посылать кадр , когда захочет. Одна наземная станция (эталонная) периодически посылает специальный сигнал, который используется всеми участниками для синхронизации. Если длина временного домена равна , тогда домен с номером начинается в момент времени по отношению к упомянутому выше сигналу. Так как часы разных станций работают по -разному, необходима периодическая ресинхронизация. Другой проблемой является разброс времени распространения сигнала для разных станций. Коэффициент использования канала для данного алгоритма доступа оказывается равным (где – основание натурального логарифма). Не слишком большая цифра, но все же в два раза выше, чем для обычного алгоритма ALOHA .
Метод мультиплексирования по частоте (FDM ) является старейшим и наиболее часто используемым. Типичный транспондер с полосой 36 Мбит/с может быть применен для получения 500 64кбит/с ИКМ-каналов (импульсно-кодовая модуляция ), каждый из которых работает со своей уникальной частотой. Чтобы исключить интерференцию, соседние каналы должны отстоять по частоте на достаточном расстоянии друг от друга. Кроме того, необходимо контролировать уровень передаваемого сигнала, так как при слишком большой выходной мощности могут возникнуть интерференционные помехи в соседнем канале. Если число станций невелико и постоянно, частотные каналы могут быть распределены стационарно. Но при переменном числе терминалов или при заметной флуктуации загрузки приходится переходить на динамическое распределение ресурсов .
Одним из механизмов такого распределения имеет название SPADE , он применялся в первых версиях систем связи на базе INTELSAT . Каждый транспондер системы SPADE содержит 794 симплексных ИКМ-каналов по 64-кбит/c и один сигнальный канал с полосой 128 кбит/c. ИКМ-каналы используются попарно для обеспечения полнодуплексной связи. При этом восходящий и нисходящий каналы имеют полосу по 50 Мбит/с. Сигнальный канал делится на 50 доменов по 1 мсек (128 бит ). Каждый домен принадлежит одной из наземных станций, число которых не превышает 50. Когда станция готова к передаче, она произвольным образом выбирает неиспользуемый канал и записывает номер этого канала в очередной свой 128-битный домен . Если один и тот же канал попытаются занять две или более станции, происходит столкновение, и они вынуждены будут повторить попытку позднее.
Метод мультиплексирования по времени сходен с FDM и довольно широко применяется на практике. Здесь также необходима синхронизация для доменов. Это делается, как и в доменной системе ALOHA , с помощью эталонной станции. Присвоение доменов наземным станциям может выполняться централизовано или децентрализовано . Рассмотрим систему ACTS ( Advanced Communication Technology Satellite ). Система имеет 4 независимых канала ( TDM ) по 110 Мбит/c (два восходящих и два нисходящих). Каждый из каналов структурирован в виде 1-милисекундных кадров, которые имеют по 1728 временных доменов. Все временные домены несут в себе 64-битовое поле данных, что позволяет реализовать голосовой канал с полосой 64 Кбит/c. Управление временными доменами с целью минимизации времени на перемещения вектора излучения спутника предполагает знание географического положения наземных станций. Управление временными доменами осуществляется одной из наземных станций (MCS - Master Control Station ). Работа системы ACTS представляет собой трехшаговый процесс. Каждый из шагов занимает 1 мсек. На первом шаге спутник получает кадр и запоминает его в 1728-ячеечном буфере. На втором - бортовая ЭВМ копирует каждую входную запись в выходной буфер (возможно для другой антенны). И, наконец, выходная запись передается наземной станции.
В исходный момент каждой наземной станции ставится в соответствие один временной домен . Для получения дополнительного домена, например, для организации еще одного телефонного канала, станция посылает запрос MCS . Для этих целей выделяется специальный управляющий канал емкостью 13 запросов в сек. Существуют и динамические методы распределения ресурсов в TDM (методы Кроузера , Биндера [ Binder ] и Робертса ).
Метод CDMA (Code Division Multiple Access ) является полностью децентрализованным. Как и другие методы, он не лишен недостатков. Во-первых, емкость канала CDMA в присутствии шума и отсутствии координации между станциями обычно ниже, чем в случае TDM . Во-вторых, система требует быстродействующего и дорогого оборудования.
Технология беспроводных сетей развивается довольно быстро. Эти сети удобны в первую очередь для подвижных средств. Наиболее перспективным представляется проект IEEE 802.11, который должен играть для радиосетей такую же интегрирующую роль, как 802.3 для сетей Ethernet и 802.5 для Token Ring. В протоколе 802.11 используется тот же алгоритм доступа и подавления столкновений, что и в 802.3, но здесь вместо соединительного кабеля используются радиоволны (Рис. 7.19.). Применяемые здесь модемы могут работать и в инфракрасном диапазоне, что бывает привлекательно, если все машины размещены в общем зале.
Рис. 7.19.
Стандарт 802.11 предполагает работу на частоте 2.4-2.4835 ГГц при использовании модуляции 4FSK/2FSK
Выделенные линии представляют собой наиболее надежное средство соединения локальных сетей через глобальные каналы связи, так как вся пропускная способность такой линии всегда находится в распоряжении взаимодействующих сетей. Однако это и наиболее дорогой вид глобальных связей - при наличии N удаленных локальных сетей, которые интенсивно обмениваются данными друг с другом, нужно иметь Nx(N-l)/2 выделенных линий. Для снижения стоимости глобального транспорта применяют динамически коммутируемые каналы, стоимость которых разделяется между многими абонентами этих каналов.
Наиболее дешевыми оказываются услуги телефонных сетей, так как их коммутаторы оплачиваются большим количеством абонентов, пользующихся телефонными услугами, а не только абонентами, которые объединяют свои локальные сети.
Телефонные сети делятся на аналоговые и цифровые в зависимости от способа мультиплексирования абонентских и магистральных каналов. Более точно, цифровыми называются сети, в которых на абонентских окончаниях информация представлена в, цифровом виде и в которых используются цифровые методы мультиплексирования и коммутации, а аналоговыми - сети, которые принимают данные от абонентов аналоговой формы, то есть от классических аналоговых телефонных аппаратов, а мультиплексирование и коммутацию осуществляют как аналоговыми методами, так и цифровыми. В последние годы происходил достаточно интенсивный процесс замены коммутаторов телефонных сетей на цифровые коммутаторы, которые работают на основе технологии TDM. Однако такая сеть по-прежнему останется аналоговой телефонной сетью, даже если все коммутаторы будут работать по технологии TDM, обрабатывая данные в цифровой форме, если абонентские окончания у нее останутся аналоговыми, а аналого-цифровое преобразование выполняется на ближней к абоненту АТС сети. Новая технология модемов V.90 смогла использовать факт существования большого количества сетей, в которых основная часть коммутаторов являются цифровыми.
К телефонным сетям с цифровыми абонентскими окончаниями относятся так называемые службы Switched 56 (коммутируемые каналы 56 Кбит/с) и цифровые сети с интегральными услугами ISDN (Intergrated Services Digital Network). Службы Switched 56 появились в ряде западных стран в результате предоставления конечным абонентам цифрового окончания, совместимого со стандартами линий Т1. Эта технология не стала международным стандартом, и сегодня она вытеснена технологией ISDN, которая такой статус имеет.
Сети ISDN рассчитаны не только на передачу голоса, но и компьютерных данных, в том числе и с помощью коммутации пакетов, за счет чего они получили название сетей с интегральными услугами. Однако основным режимом работы сетей ISDN остается режим коммутации каналов, а служба коммутации пакетов обладает слишком низкой по современным меркам скоростью - обычно до 9600 бит/с. Поэтому технология ISDN будет рассмотрена в данном разделе, посвященном сетям с коммутацией каналов. Новое поколение сетей с интеграцией услуг, названное B-ISDN (от broadband - широкополосные), основано уже целиком на технике коммутации пакетов (точнее, ячеек технологии АТМ), поэтому эта технология будет рассмотрена в разделе, посвященном сетям с коммутацией пакетов.
Пока географическая распространенность аналоговых сетей значительно превосходит распространенность цифровых, особенно в нашей стране, но это отставание с каждым годом сокращается.
2.2 Обзор импортных систем коммутации
Для моего дипломного проекта наиболее подходят следующие коммутационные системы: DX-200 фирмы "Telenokia" (Финляндия), SI 2000 фирмы "Iskratel" (Словения), AXE-10 фирмы "Ericsson" (Швеция), EWSD фирмы "Siemens" (Германия), S12 Alkatel фирмы "Alkatel" (Германия).
Электронная цифровая коммутационная система DX-200.Система DX-200 активно используется во всем мире уже в течение многих лет и за это время заслужила уважение своей надежной и качественной работой. Система DX-200 характеризуется временным разделением каналов в коммутационном поле и цифровым способом передачи информации на основе системы передачи ИКМ-30/32. Управление осуществляется по записанной программе с применением распределенных функциональных управляющих устройств, реализованных на микропроцессорах. Система построена по модульному принципу, как аппаратных средств, так и программного обеспечения. Все функциональные блоки и программные средства подразделяются на независимые друг от друга модули. Модули взаимодействуют посредством стандартизированных сигналов.
Cистема DX-200 может использоваться в качестве опорной станции, транзитной станции, а также абонентских концентраторов.Опорная станция обеспечивает установление оконечных соединений между телефонными аппаратами абонентов местных сетей, а также выход на зоновые, междугородние и международние сети. Станции предназначены также для работы на районированных сетях с узлами входящего и исходящего сообщения, а также на сетях без узлообразования. На сетях может использоваться 5-, 6- и 7- значная нумерация, а также смешенная нумерация.
Транзитная станция предназначена для коммутации каналов, пропуска транзитной нагрузки на городскую телефонную станцию и обеспечивает организацию узлов входящего сообщения, узлов исходящего сообщения, узлов входящего междугороднего сообщения, узлов заказно-соединительных линий, совмещенных узлов, объединяющих вышеперечисленные узлы, узлов учрежденческих сетей.
Система DX-200 обеспечивает взаимодействие с существующими на сетях станциями: декадно-шаговыми, координатными, квазиэлектронными автоматическими телефонными станциями, а также со специальными информационными службами городской телефонной станции.
Для абонентов DX-200 предусмотрен целый ряд дополнительных видов услуг:
1) сокращенный набор номера;
3) повторный вызов без нового набора номера;
5) передача вызова в случае занятости вызываемого абонента на другой телефонный аппарат;
6) передача вызова на автоинформатор или телефонистке;
7) определение номера вызываемого абонента.
В системе DX-200 повременной учет стоимости разговора осуществляется при исходящей связи с учетом категории абонентов.
В состав системы DX-200 входят два типа автоматических телефонных станций: DX-210 и DX-220. Станция DX-210 в основном испольуется в качестве автоматической телефонной станции малой емкости . Основные характеристики системы DX-200 приведены в таблице 2.2.
Электронная цифровая коммутационная система SI 2000.Система SI 2000 предназначена для обслуживания телефонных сетей пригородной и сельской местности. Передовая концепция организации сети SI 2000 является базовой стратегией. В противоположность другим решениям данная концепция обеспечивает несравнимую экономическую выгоду и гибкость. Сети связи многих стран большей частью являются еще аналоговыми, и осуществить немедленную цифровизацию всех путей передачи практически невозможно. Наряду со стандартными возможностями система SI 2000 имеет еще некоторые специфические особенности, служащие для оптимизации решений, связанных с созданием цифровой сети связи.
Во всех телефонных станциях SI 2000 интегрированы аналоговые линейные комплекты. Такое решение для имеющегося аналогового оборудования передачи является экономически наиболее выгодным.
Разработка оптимизированной сети, ориентированной на пригородную и сельскую местность, требует создания цифровых островов. Способность SI 2000 синхронизироваться от цифровой сети позволяет выполнить цифровизацию подчиненных оконечных автоматических телефонных станций и трактов передачи. Для обеспечения беспрепятственного развития сети связи узловая SI 2000 будет выполнять в целом коммутацию и аналого-цифровое преобразование. Если будет смонтирована главная цифровая городская автоматическая телефонная станция, синхронизация SI 2000 будет выполняться от нее без какого-либо дополнительного оборудования.
Абонентом системы SI 2000 предоставляет следующие услуги:
2) наличие контрольного счетчика у абонента;
3) наблюдение;
5) переадресация вызова;
6) сокращенный набор номера (прямой вызов);
7) установка на ожидание
и многие другие со всей необходимой поддержкой по учету их стоимости.
Выносные модули в SI 2000 оптимизированы в соответствии с передовой концепцией организации сети. При возникновении потребности в больших емкостях используется автономные автоматические телефонные станции семейства SI 2000. Автономная автоматическая телефонная станция может быть преобразована в выносной модуль или, наоборот, без каких-либо изменений в аппаратных средствах.
Передача по маршрутам большой протяженности в сельской местности является более дорогостоящей, чем в городских зонах. Для того, чтобы сэкономить на оборудовании передачи, в систему SI 2000 интегрировано, в качестве обязательного, устройство ответвления каналов тракта ИКМ–30. В одном тракте ИКМ поток может быть разделен максимально по 15 станциям. Оборудование передачи данных может вводить или выделять свыше двух потоков данных со скоростью 64 килобит в секунду.
Основными достоинствами системы SI 2000 является надежность (менее 0,5 отказов на 100 линий в год), простота, распределенность и модульность, экономичность [ 7 ].
Основные характеристики системы SI 2000 приведены в таблице 2.2.
Электронная автоматическая коммутационная система AXE-10.Система коммутации AXE-10 может использоваться в качестве опорной автоматической телефонной станции, в качестве различных узлов связи (включая международние), а также в качестве центральных, узловых и оконечных автоматических телефонных станций малой емкости на сельских телефонных сетях.
В зависимости от варианта предлагаемого использования различают:
1) местную станцию AXE;
2) транзитную станцию;
3) станцию мобильной (подвижной) связи для создания сотовой сети связи.
Максимальная емкость AXE-10, используемой в качестве местной автоматической телефонной станции, составляет 200000 абонентских линий при средней продолжительности разговора 100 секунд и нагрузке на одну абонентскую линию до 0,1 эрланга.
Транзитная станция типа AXE-10 рассчитана до 2048 цифровых соединительных линий, позволяет пропускать нагрузку транзита до 200 тысяч абонентских линий, включаемых в местные автоматические телефонные станции. Допустимая нагрузка на один канал соединительной цифровой линии установлена равной 0,8 Эрланга.
Для аналого-цифрового преобразования используется импульсно-кодовая модуляция со скоростью передачи информации 2048 килобит в секунду.
Обмен управляющими сигналами с координатными автоматическими телефонными станциями осуществляется на базе системы сигнализации R2 посредством многочастотного кода "2 из 6".
При междугородней связи используется преимущественно одночастотная система сигнализации, применяется также система сигнализации по общему каналу сигнализации №7.
Посредством системы эксплуатации и технического обслуживания обеспечивается постоянное и всестороннее наблюдение за порядком и результатами установления соединений, контроль поступающей нагрузки.
Основные услуги, предоставляемые абонентам:
1) сокращенный набор номера;
3) наведение справки во время разговора;
4) переадресация вызова к телефону или на автоинформатор;
5) автоматическая конференц-связь;
6) установка на ожидание в случае занятости абонента с уведомлением;
7) вызов абонента по заказу;
8) сопровождающий вызов;
9) переключение на другой аппарат при занятости или при не ответе абонента;
10) ограничение исходящей связи;
11) определение номера вызывающего абонента при наличии заявки от вызывающего абонента;
12) автоматическая побудка.
Система коммутации может быть использована для планирования и разработки сетей связи в сельской местности. При этом должны учитываться большие расстояния, низкая телефонная плотность. В основе системы AXE-10 для сельской местности лежит тот же состав оборудования, что и для цифровой сети города. Дополнительно включается в поставку удаленный абонентский мультиплексор, позволяющий подключить до 128 абонентских линий. Предусмотрено использование кабельных цифровых линий связи или линий радиосвязи для соединения удаленных абонентских мультиплексоров с опорной автоматической телефонной станцией. Разработаны варианты размещения оборудования в специальных контейнерах, содержащих необходимые устройства для включения в сеть электропитания немедленного ввода в эксплуатация.
Для абонентов учрежденческого сектора специально разработаны такие услуги, как Центрекс и передача данных по специально выделенным каналам. С помощью этой услуги часть абонентов системы коммутации объединяется в группы с закрытой нумерацией и общим вызовом со стороны телефонной сети по выделенному номеру. Практически могут создаваться учрежденческие автоматические телефонные станции на базе одного и того же оборудования коммутации.
Система коммутации AXE-10 рассчитана на использование в качестве центральной станции сотовой сети связи типа NMT-450. Разработка специальной подсистемы для включения подвижной телефонной связи позволила организовать сопряжение системы AXE-10 с базовыми станциями сотовой связи .
Основные характеристики системы AXE-10 приведены в таблице 2.2.
Электронная автоматическая коммутационная система EWSD.Система EWSD приобрела прекрасную репутацию во многих странах мира благодаря своей надежности, экономической эффективности и многообразию предоставляемых услуг.
Цифровая электронная станция EWSD применяется: с использованием удаленного цифрового блока для оптимизации абонентской сети или для внедрения в зоне новых услуг, в качестве местной телефонной станции, в качестве транзитной телефонной станции, в качестве городской и транзитной междугородней станции, в качестве коммутационного центра для подвижных объектов, в качестве сельской станции, станции малой емкости, как контейнерная станция, в качестве коммутационной системы, в качестве центра эксплуатации и технического обслуживания группы станций, в качестве узла в системе общеканальной сигнализации, в цифровой сети интегрального обслуживания, для предоставления специальных услуг.
EWSD обеспечивает эксплуатационные компании многими преимущественными возможностями, которые, в свою очередь, обуславливаются универсальностью, гибкостью и эксплуатационными качествами коммутационной системы. К основным характерным возможностям EWSD можно отнести: интегрированный надзор, включающий надзор за работой, индикацию ошибок, процедуры анализа ошибок и их диагностику, внедрение в существующие сети, выбор маршрута, выбор альтернативного маршрута, регистрация учета стоимости телефонных разговоров, измерение нагрузки, управление базой данных и других.
В EWSD могут быть использованы все стандартные системы сигнализации. Передача сигнализации также осуществляется стандартными системами. Станция может работать как с абонентами с декадным набором номера, так и с абонентами с тональным набором номера. Для регистрации учета стоимости используются все стандартные методы.
Аналоговому абоненту могут быть представлены следующие виды услуг:
1) сокращенный набор номера;
2) соединение без набора номера (прямая связь);
3) соединение без выдержки времени;
4) передача входящего вызова при отсутствии абонента на службу отсутствующих абонентов;
5) автоинформатор с заранее записанными фразами;
7) временный запрет входящей связи;
8) постановка вызова на ожидание (в случае занятости вызываемого абонента);
9) наведение справки во время разговора;
10) конференц-связь;
11) распечатанная запись длительности и стоимости разговора;
12) автоматическая побудка;
13) специальный абонент;
14) приоритет вызовов
и другие.
Для абонентов цифровой сети интегрального обслуживания дополнительно могут быть предоставлены следующие виды услуг:
1) подключение до восьми оконечных устройств одновременно;
2) изменение оконечного устройства, выбор оконечного устройства;
3) мобильность оконечного устройства;
4) индикаторы услуги;
5) изменение услуги во времени вызова;
6) работа с одновременным пользованием двумя услугами;
7) регистрация учета стоимости разговора по отдельным услугам;
8) вызова, оплачиваемые абонентом и другие .
Основные характеристики системы EWSD приведены в таблице 2.2.
Электронная автоматическая коммутационная система Alkatel S12. При разработке системы большое внимание уделялось проблемам экономичности в производстве и эксплуатации. Экономичность производства обеспечивается высокой степенью унификации оборудования.
Главной функциональной характеристикой станции "Alkatel S12" является децентрализованная структура, основанная на полностью распределенном управлении, как функциями обработки информации, так и непосредственно процессами коммутации.
В сочетании с модульностью аппаратных и программных средств распределенное управление обеспечивает:
1) высокую надежность работы оборудования;
2) возможность построения станции в широком диапазоне емкостей;
3) гибкость в плановом наращивании емкостей системы по требованиям заказчика;
4) устойчивость к изменениям системных требований в будущем, поскольку новые применения будут связаны только с доукомплектованием станции новыми аппаратными или программными модулями без изменения архитектурных принципов и базовых аппаратно-программных средств;
5) упрощение программного обеспечения.
Модульная архитектура станции обеспечивает гибкое внедрение новых технологических решений и предоставление новых услуг в условиях эксплуатации без перерывов в работе. Новые технологические решения и версии программного обеспечения внедрены на сетях различных стран, доведя "Alkatel S12" до совершенного уровня соответствия требованиям к функциональным и технико-эксплуатационным характеристикам, а также обеспечив ее дальнейший эволюционный переход к узкополосной и широкополосной цифровой сети интегрального обслуживания.
Оборудование станции "Alkatel S12" предназначено для применения на сетях общего и специального назначения, охватывая спектр применения от малых вынесенных абонентских блоков до крупных городских и междугородних станций. Основными вариантами конфигурации оборудовании являются:
1) городские автоматические телефонные станции малой емкости (от 256 до 5376 абонентских линий);
2) городские автоматические телефонные станции средней и большой емкости (до 100000 абонентских линий);
3) транзитные узлы коммутации (до 60000 соединительных линий);
4) вынесенные абонентские концентраторы (до 976 абонентских линий).
Станции "Alkatel S12" обеспечивает предоставление абонентам следующих видов связи:
1) автоматическая внутренняя связь между всеми абонентами станции;
2) автоматическая входящая и исходящая местная связь к абонентам других станций;
3) транзитная связь между входящими и исходящими линиями;
4) автоматическая связь внутри определенной группы абонентов;
5) автоматическая исходящая связь к справочным службам;
6) полупостоянная коммутация.
Абонентам "Alkatel S12" предоставляются следующие виды дополнительных телефонных видов услуг:
1) переадресация входящего вызова к другому аппарату;
2) переадресация вызова в случае занятости абонента;
3) переадресация входящего вызова на автоинформатор или оператора;
4) сопровождающий вызов по паролю на аппарат, с которого заказывались услуги;
5) поисковая сигнализация;
6) установка на ожидание освобождения вызываемого абонента (ожидание с обратным вызовом);
7) повторный вызов без набора номера;
8) соединение с абонентом по предварительному заказу;
9) конференц-связь и другие.
Основные характеристики системы "Alkatel S12" приведены в таблице 2.2 .
Таблица 2.2 - Основные характеристики импортных систем коммутации
| Наименование параметров | SI 2000 | AXE-10 | EWSD | Akatel S12 | |
| Максимальная абонентская емкость, номеров | 10400 | 200000 | 250000 | 120000 | |
| Максимальное количество СЛ | 3600 | 60000 | 60000 | 85000 | |
| Пропускная способность,(Эрл). | 2500 | 30000 | 25200 | 30000 | |
| Максимальное количество вызовов в ЧНН | 80000 | 1000000 | 1000000 | 1000000 | |
| Минимальное количество портов на 1-ой плате | 60 | 16 | 128 | 256 | 16 |
| Потребляемая мощность на один номер,(Вт). | 0,6..0,9 | 0,7..1,0 | 0,65..0,7 | 0,6..1,2 | 0,7..1,1 |
Как видно из вышесказанного, параметры импортных систем коммутации близки друг к другу, и в этом случае решающее значение имеет стоимость. Вот именно по этому критерию мной выбрана система коммутации AXE-10, как наилучшая по соотношению "качество-цена".