Материал: 5856
161
Всети с коммутацией пакетов (КП) очередной пакет (малая часть сообщения) передается до ближайшего центра коммутации, там он вносится в память, ставится в очередь и передается дольше, как только найдется свободный канал в межцентровой линии в нужном направлении. В следующем центре коммутации повторяется то же самое. Примеры – телеграфная сеть, компьютерные сети. В такой сети вызывающий абонент не получает отказов, но возможны непредсказуемые задержки в доставке пакетов.
Условия применения метода КК: у всех абонентов имеется оборудование, полностью совместимое по всем характеристикам: по методам модуляции, кодирования, шифрования, скорости передачи и т.п.
Условия применения метода КП: у абонентов имеется оборудование, входящее в перечень разрешенного оборудования (этот перечень может быть довольно большим); абоненты согласны с тем, что пакеты будут доставляться с задержкой, величина которой случайна.
Выбор того или другого метода коммутации определяется, в первую очередь, характером нагрузки, создаваемой источниками информации в этой сети. В этой классификации с одной стороны можно расположить источники, создающие постоянную нагрузку во время передачи сообщения. Типичным представителем является источник телевизионного сигнала: независимо от характера передаваемого сюжета через каждые 1/25 секунды нужно передавать новый кадр. Характеру такого источника лучше соответствует метод КК.
С другой стороны расположим источники, создающие пульсирующую нагрузку. Типичный представитель – это компьютер в сети. Например, во время интерактивного обмена (диалога) лишь изредка возникает необходимость в передаче сравнительно коротких сообщений. В паузах канал связи не нужен. Метод КП и был предложен для согласования метода передачи с характером таких источников.
Втой или иной мере пульсирующий характер имеет нагрузка, создава-
емая большинством источников. Например, во время сеанса телефонной связи мы 50% времени молчим, слушая собеседника (если разговаривают женщина и мужчина, то для него этот процент значительно выше). Много времени занимают паузы между словами, фразами, когда можно канал не занимать.
Сравнительная характеристика методов КК и КП.
1) Использование метода КП благодаря возможности создать очередь
позволяет обеспечить почти стопроцентное использование пропускной спо-
собности межцентровых линий, а в сетях с КК к этому пределу приблизиться нельзя, поскольку вероятность создания сквозного канала падает с увеличением нагрузки в сети. Например, пусть для создания сквозного канала нужно соединить 10 независимых участков, и для каждого вероятность наличия свободного канала равна 0,7. Тогда вероятность установить соединение с
162
первой попытки равна P = 0,710 = 0,028, то есть недопустимо мала. Это является самым главным достоинством метода КП, поскольку стоимость линий составляет большую часть стоимости любой сети, особенно кабельной.
2)После установления соединения в сети с КК абоненту гарантируется определенное качество обслуживания, то есть фиксированная полоса пропускания канала и, как следствие, скорость передачи не ниже заранее определенного значения, фиксированные значения битовой вероятности ошибки и задержки сигнала в канале, причем все эти параметры не зависят от возникающих потребностей других абонентов. В сети с КП все параметры, определяющие качество обслуживания, зависят от активности других абонентов, поэтому случайным образом изменяются во времени и в час наибольшей нагрузки (ЧНН) могут принять недопустимые значения.
3)В сети с КК задержка случайной величины возникает перед началом передачи сообщения, во время попыток установить соединение, а в сети с КП перед началом передачи задержки нет, но зато случайная задержка возникает
впроцессе передачи.
4)В сети с КК характеристики сквозного тракта в наибольшей степени определяются характеристиками наихудшего звена в цепи, а при КП передачу пакетов в этом звене можно вести с пониженной скоростью, с использованием более мощного кодирования, направляя часть пакетов в обход и т.п.
5)В сети с КП передача между соседними центрами коммутации ведется в некоммутируемых каналах, обладающих скорректированными частотной и фазовой характеристиками; в центрах коммутации осуществляется двухуровневая регенерация сигнала (модулятор-демодулятор, кодер-декодер); обычно используется канал переспроса. Благодаря этому сеть с КП способна обеспечить на несколько порядков более низкую вероятность ошибки по сравнению с сетью с КК.
6)В сети с КП каждый пакет имеет заголовок, в котором содержится вся служебная информация, необходимая для его доставки по назначению (адреса источника и получателя, порядковый номер пакета в серии, значения других параметров данного пакета, требования к качеству обслуживания и т.п.). При КК такая информация передается только один раз, во время установления соединения, поэтому формально в сети с КП избыточность (отношение длины заголовка к длине пакета) выше, чем в сети с КК. Фактически ситуация изменяется на обратную, если учесть, что в паузах между соседними пакетами канал используется для передачи пакетов от других абонентов
(см. п.1).
7)В сети с КК работу по организации соединения, например, неоднократный набор номера, включая даже выбор маршрута (в телефонной сети нужно знать код страны, код города, номер абонента), выполняет вызывающий абонент; в сети с КП большую часть этой работы выполняет сеть.
8)В сети с КК при аварии на любом из участков сквозной канал разру-
163
шается, а в сети с КП центры коммутации могут самостоятельно направить остальные пакеты по обходному пути, а в оконечном центре коммутации произвести сбор и расстановку поступивших пакетов в соответствии с их порядковыми номерами.
9) В сети с КК радикальная модернизация, включающая изменение способов модуляции, кодирования и т.п., может быть проведена лишь во всей сети сразу; в сети с КП такую модернизацию можно проводить по частям.
Проведенное сравнение показывает, что сеть с коммутацией пакетов обладает большей гибкостью и способна обеспечить более высокую надежность и достоверность передачи сообщений при более эффективном использовании ресурсов сети, а сеть с коммутацией каналов обеспечивает более высокую гарантию стабильного качества обслуживания, хотя в целом его уровень может быть ниже.
Тогда возникает вопрос: насколько универсален метод КП, в какой мере такая сеть пригодна для передачи всевозможных сообщений, особенно сообщений от источников, создающих постоянную нагрузку? В частности, пригодна ли такая сеть для организации телефонной связи? На этот вопрос можно ответить утвердительно хотя бы потому, что уже существует и успешно развивается междугородная и международная IP-телефония, то есть ведение телефонных переговоров через сеть Интернет, в которой применяется метод коммутации пакетов.
Оказывается, вопрос не в том, существуют ли задержки в процессе передачи пакетов, а в том, насколько велика средняя величина задержки и, главное, насколько велики случайные вариации этой задержки. Например, все уже привыкли к тому, что даже в сети с КК при передаче сигнала через спутниковый ретранслятор на геостационарной орбите (высота около 36 тыс. км) существует задержка примерно в 0,3 секунды. Это, конечно, создает ко- му-то небольшие неудобства при ведении телефонного диалога, но для телевизионного вещания и, особенно, при обмене файлами можно было бы смириться и с большей задержкой. Главное, что ее величина постоянна.
Следует отметить одно замечательное свойство, вытекающее из закона больших чисел теории вероятностей: чем больше абонентов обслуживает сеть с КП и ее отдельные участки, тем относительно стабильнее становится суммарный поток требований абонентов и, следовательно, тем меньше становятся средняя величина задержки при передаче пакетов и величина ее случайных вариаций. Разумеется, все это только при условии, что пропускная способность участков сети выше, чем суммарная нагрузка, создаваемая абонентами. Относительная величина необходимого превышения (запаса) также уменьшается с увеличением количества абонентов (подробнее об этом см.
разд. 7.5).
Таким образом, при передаче больших потоков информации в сети с КП имеется реальная возможность обеспечить высокое качество обслужи-
164
вания при высокой эффективности использования ресурсов сети.
Справедливости ради отметим, что и в сети с КК при увеличении потоков повышается эффективность, но это никак не уменьшает преимуществ сети с КП, отмеченных выше.
Современная тенденция при создании новых сетевых технологий заключается в разработке “гибридных” методов с тем, чтобы использовать достоинства обоих методов и, по возможности, ослабить их недостатки.
За основу берется метод коммутации пакетов и дополняется некоторыми процедурами, присущими методу коммутации каналов, например, процедурой предварительного создания сквозного “виртуального” канала (разд. 7.4).
7.3 Центры коммутации
Принципы построения и функции центра коммутации каналов рассмотрим на примере автоматической телефонной станции (АТС).
Основная задача центра КК – это организация по требованию физического соединения любой из n входных линий с любой другой из n выходных линий и удержание этого соединения на время передачи сообщения. Центр КК должен одновременно поддерживать до m таких соединений. Непосредственно эту задачу решает устройство коммутации (коммутационное поле).
Чтобы решить эту задачу, центр коммутации должен принимать и анализировать сообщения, поступающие из сети сигнализации, формировать подобные сообщения и направлять их в другие центры КК, контролировать состояние каналов передачи и вырабатывать соответствующие команды при изменении ситуации, вести учет и тарификацию произведенных соединений, проводить тестирование состояния оборудования, организовывать предоставление абонентам ряда дополнительных услуг и тому подобное. Все эти функции выполняет устройство управления центра коммутации.
По-видимому, можно выделить три основных этапа развития АТС.
Первое поколение – это декадно-шаговые (электромеханические) АТС.
Элементом устройства коммутации является декадно-шаговый искатель. Он содержит 10 неподвижных контактов, расположенных по окружности, и один подвижный контакт, поэтому способен производить гальваническое соединение любой из десяти входных линий с одной выходной линией либо, при обратном включении, одной входной с любой из десяти выходных (рис. 7.3).
1
2
3
4
5 |
Вых. |
6
7
8
9
10
Рис. 7.3. Схема декадно-шагового искателя
165
Перемещение подвижного контакта из исходного положения производится электромагнитом, на который подается серия, содержащая от 1 до 10 импульсов. При подаче очередного импульса контакт перемещается на один шаг. Генератором этой серии импульсов при наборе очередной цифры телефонного номера является дисковый номеронабиратель в телефонном аппарате вызывающего абонента. В итоге для организации соединения, задаваемого, например, шестизначным номером, и удержания его на все время телефонного разговора будут задействованы шесть декадно-шаговых искателей, находящихся даже в разных АТС, расположенных вдоль линии связи.
Оборудование декадно-шаговой АТС имеет большие массу и размеры, высокую стоимость, для него характерны значительные колебания сопротивления контактов, открытых для внешних воздействий. Последнее обстоятельство является причиной кратковременных (порядка единиц миллисекунд) замираний сигнала, что особенно пагубно влияет на передачу данных. Декадношаговые АТС морально устарели и сняты с производства, хотя еще кое-где находятся в эксплуатации.
Второе поколение – это координатные АТС (АТС с пространственной коммутацией). Элементом устройства коммутации является многократный координатный соединитель (МКС). Он содержит набор из n “горизонтальных” и n “вертикальных” шин, при этом в каждом узле имеется управляемый ключ (рис. 7.4). Ключ – это малоразмерный герметизированный контакт (гер-
Рис. 7.4. Схема многократного координатного соединителя
кон), в котором замыкание контактов происходит под воздействием внешнего магнитного поля, создаваемого миниатюрным электромагнитом. Управляющие напряжения на эти электромагниты подаются от устройства управления АТС. В итоге любой вход можно соединить с любым выходом, причем одновременно поддерживать до n соединений.
Координатные АТС обладают теми же недостатками, но в значительно меньшей степени. Благодаря тому, что все МКС работают по сигналам из устройства управления АТС, то есть из специализированного компьютера, есть возможность предоставлять абонентам ряд дополнительных услуг.
Третье поколение – это электронные (цифровые) АТС. Элементом устройства коммутации является пара мультиплексор-демультиплексор (рис.