Материал: 5856

166

7.5), откуда следует, что в АТС этого типа производятся такие же преобразо-

Устройство управления

Рис. 7.5. Схема коммутатора временных интервалов

вания сигналов, как в многоканальной цифровой СПИ с ВРК (рис. 6.3). Имеются лишь два отличия. Во-первых, не нужен селектор синхросигналов, так как мультиплексор и демультиплексор находятся рядом и работают по командам от общего устройства управления. Второе отличие связано с порядком подключения n входов и n выходов. В СПИ с ВРК в любой момент времени номер А входной линии, подключаемой к выходу мультиплексора, совпадает с номером В той выходной линии, которая подключается к входу демультиплексора. В коммутаторе АТС эти два номера всегда различны, хотя в целом все n пар номеров повторяются в том же порядке от цикла к циклу (через 125 мкс) до тех пор, пока не закончится какой либо разговор либо не поступит требование на новое соединение. Тогда происходит переформирование пар, но оно, разумеется, не затрагивает номера слотов тех абонентов, которые еще не закончили разговор.

Например, при n=4 номера чередуются в следующем порядке

Это значит, что в первом слоте первый вход подключен к третьему выходу, во втором слоте второй вход подключен к четвертому выходу и так далее в каждом цикле. Такой способ носит название коммутация временных интервалов. Нет никаких препятствий для того, чтобы несколько входных линий соединить с одной выходной линией для организации совместного разговора.

За время одного подключения (в одном слоте) передается один отсчет телефонного сигнала в цифровой форме, то есть 8 бит. Поэтому все аналоговые телефонные сигналы, приходящие по абонентским линиям, на входе в АТС подвергаются аналого-цифровому преобразованию, а все сигналы, направляемые в абонентские линии – цифро-аналоговому преобразованию.

167

Нередко (когда оба абонента обслуживаются одной АТС) оба преобразования делаются лишь для того, чтобы осуществить коммутацию в АТС.

Основная задача центра коммутации пакетов та же – это организация по требованию физического соединения любой из n входных линий с любой другой из n выходных линий, но сохраняется это соединение лишь на короткое время – на время передачи одного пакета. Непосредственно эту зада-

чу решает устройство коммутации цифровых сигналов.

Чтобы решить эту задачу, центр коммутации должен производить демодуляцию принимаемых импульсов и декодирование комбинаций корректирующего кода (проводить обнаружение ошибок), выделять и анализировать заголовки пакетов (хотя бы для того, чтобы определить, в каком направлении его отправить дальше либо куда направить запрос на повторную передачу пакета в случае обнаружения в нем ошибок), с учетом текущей нагрузки и состояния линий выбрать направление дальнейшей передачи пакета и поставить его в очередь, провести кодирование и модуляцию перед отправкой пакета, контролировать состояние каналов передачи, вести учет величины трафика и тарификацию, проводить тестирование состояния оборудования и тому подобное.

Приведенный далеко не полный перечень показывает, что функции центра КП намного сложнее и разнообразнее, чем функции центра КК, поэтому нередко центр КП – это многопроцессорная вычислительная система.

Очевидно, что в больших сетях с коммутацией пакетов нет необходимости в том, чтобы все центры коммутации были способны выполнять все перечисленные функции в полном объеме, а в малых сетях многие из функций вообще не нужны. Поэтому существуют центры коммутации пакетов разных классов. Укажем некоторые из них, учитывая, что одна из важнейших разновидностей сетей с коммутацией пакетов – это компьютерные сети.

Мост (bridge) делит общую среду, в которой передаются пакеты, например, общую шину (рис. 7.2б), на части (подсети) и выпускает пакет за пределы данной подсети лишь в случае необходимости. Имеет один процессорный блок.

Коммутатор (switch) имеет процессор на каждом порте, то есть это – совокупность мостов. Способен обрабатывать пакеты независимо в параллельном режиме.

Маршрутизатор (router) способен выбирать наиболее рациональный маршрут, используя явную числовую адресацию подсетей с учетом их иерархии. Способен преобразовывать формат пакета для связи подсетей с разной сетевой технологией.

Шлюз (gateway) обладает полным набором функций и может объединять сети с разными типами системного и прикладного программного обеспечения.

Кроме того, для каждого вида сообщений существуют оптимальные

168

значения параметров пакетов. Например, при передаче телевизионного или телефонного сигнала желательно использовать короткие пакеты, чтобы не увеличивать задержек, связанных с формированием, а также обработкой принимаемых пакетов. При передаче файлов допустимо использование более длинных пакетов для уменьшения избыточности. Отметим еще, что создано огромное количество вторичных сетей с коммутацией пакетов самого разнообразного назначения.

Все это выдвигает на первый план проблему унификации, стандартизации структуры и параметров пакетов, а также способов их обработки на разных этапах передачи. Особое внимание должно быть уделено стандартизации интерфейсов (стыков), то есть границам раздела двух устройств или систем.

Широко применяемый метод стандартизации – это разработка протоколов обмена информацией. Протокол – это соглашение, касающееся управления процедурами информационного обмена между взаимодействующими объектами, то есть управления форматом сообщений, формированием контрольной информации, потоком команд и действиями, которые предпринимаются в случае обнаружения ошибок. Предполагается, что эти объекты не имеют средств прямого обмена информацией, но могут пересылать данные через соответствующий локальный интерфейс протоколам нижнего уровня, пока не будет достигнут самый нижний – физический. Информация передается в удаленный пункт с использованием протокола самого низкого уровня и далее продвигается вверх через систему интерфейсов до соответствующего уровня в пункте назначения. Для каждой сети нужен набор протоколов, определяющих способ взаимодействия удаленных объектов на данном уровне, и набор интерфейсов, определяющих способ взаимодействия между соседними уровнями. Такой набор называется пакетом (стеком) протоколов. Именно он определяет способ обработки пакетов в центрах коммутации.

В настоящее время разработано большое количество протоколов разного уровня, поэтому создана концепция, согласно которой связное оборудование с различными протоколами может объединяться в систему с помощью сети передачи данных. Такой стандарт стандартов называется семиуровневой эталонной моделью взаимодействия открытых систем. Он определяет семь уровней взаимодействия, начиная с нижнего: физический, канальный, сетевой, транспортный, сеансовый, представления данных и прикладной. Первые три уровня относятся к передаче и маршрутизации данных. Последние три уровня обслуживают пользовательские приложения. Четвертый уровень обеспечивает стыковку трех нижних и трех верхних уровней. Эта модель пока не реализована в виде законченного множества протоколов для всех уровней, но уже дает возможность упорядочить имеющиеся протоколы.

169

7.4Дейтаграммный метод передачи и передача

спредварительным установлением соединения

Дейтаграмма (datagram) – это самостоятельный пакет, в заголовке которого содержится полная информация, необходимая для его передачи от источника к получателю независимо от всех предыдущих и последующих пакетов, даже если они являются частями одного сообщения. Поэтому в каждом центре коммутации каждую приходящую дейтаграмму обрабатывают как новое сообщение, вследствие чего во время сеанса связи двух абонентов пакеты могут приходить в пункт назначения по разным путям, с различным запаздыванием и даже не в том порядке, в каком они были переданы. Некоторые пакеты могут быть потеряны (искажены из-за воздействия помех). Дейтаграммный способ передачи – это наиболее полное воплощение идей метода коммутации пакетов.

Примером сети, в которой используется дейтаграммный метод передачи, является Интернет (стек протоколов TCP/IP). Заголовок пакета содержит следующую информацию: номер версии протокола IP; длина заголовка; требуемый тип обслуживания (малая задержка, высокая надежность и т.п.); общая длина пакета; общая длина, флаг и величина смещения фрагмента (информация, необходимая для сборки пакета из фрагментов, на которые в случае необходимости он был разбит в одном из центров коммутации); время жизни (число маршрутизаторов на пути пакета, после прохождения которых пакет уничтожается как заблудившийся); тип протокола верхнего уровня, нужного для обработки данных в пакете; контрольная сумма (проверочные биты) заголовка; полный числовой адрес отправителя; полный числовой адрес получателя и прочее.

Этот список приведен лишь для того, чтобы показать, что длина заголовка велика. Вслед за заголовком идет информационная часть пакета, которая также кодируется циклическим кодом с 16 проверочными символами. Чтобы избыточность была не слишком большой, информационную часть следует увеличить, в итоге общая длина пакета может доходить до 64 кбайт.

Сеть, в которой применяется дейтаграммный метод передачи, функционирует по принципу самоорганизации, она не имеет общего управления, хотя есть общие базы данных. Используются довольно простые протоколы, в узлах сети имеется минимум информации о проходящих пакетах и качестве обслуживания. Все это обеспечивает высокую живучесть сети и открывает широкие возможности для ее наращивания и изменения структуры.

С другой стороны, в каждом узле (центре коммутации) в случае обнаружения ошибок в предыдущий узел посылается запрос на повторную передачу пакета. Послать такой запрос можно только после завершения приема всего пакета. Из-за этого при передаче длинных пакетов по низкоскоростным линиям, характеризующимся высокой вероятностью появления ошибок, воз-

170

никают большие случайные задержки. В итоге чрезвычайно трудно обеспечить высокое качество обслуживания.

Таким образом, дейтаграммный метод малопригоден для скоростной высококачественной передачи больших объемов информации. Это положение может измениться, если на всех участках тракта от источника к получателю будут использоваться каналы с высокой пропускной способностью и столь малой вероятностью появления ошибок, при которой повторные передачи пакетов станут весьма редкими.

Указанный недостаток дейтаграммного метода привел к разработке

методов передачи с коммутацией пакетов с предварительным установ-

лением соединения, основанных на идее создания виртуального канала. Первый пакет из серии пакетов, представляющей сообщение, которое

предстоит передать конкретному получателю, направляется до ближайшего центра коммутации. Этот пакет имеет заголовок большого объема и подобен заголовку дейтаграммы, то есть содержит всю необходимую информацию для его доставки в пункт назначения. Поэтому он передается таким же образом, как передавалась бы дейтаграмма. Разница заключается в следующем. При использовании дейтаграммного метода центру коммутации, через который проходит очередной пакет, нет необходимости запоминать сведения, содержащиеся в заголовке этого пакета, так как в заголовке следующего пакета будет то же самое. При передаче пакетов с предварительным установлением соединения в каждом центре коммутации, через который проходит первый пакет серии, запоминаются сведения, содержащиеся в его заголовке, для того, чтобы знать, что нужно делать с остальными пакетами этой же серии.

Все остальные пакеты серии пойдут по тому же маршруту, поэтому их заголовки могут быть очень короткими. В заголовке каждого пакета достаточно указать его порядковый номер в серии (во избежание путаницы при повторных передачах пакетов с ошибками) и краткое указание на принадлежность данного пакета к конкретной серии, так как каждый центр коммутации одновременно обслуживает несколько серий.

Таким образом первый пакет серии прокладывает путь остальным пакетам, то есть создает сквозной виртуальный канал. Он так называется потому, что существует постоянно в течение всего времени передачи серии пакетов не как реальное соединение линий передачи, а лишь в виде записей в центрах коммутации вдоль маршрута. Виртуальный канал превращается в физический канал лишь на короткое время передачи очередного пакета от одного центра коммутации к соседнему. Последний пакет серии несет команду удалить из памяти центров коммутации те сведения, которые были переданы с первым пакетом, после чего данный виртуальный канал просто перестает существовать (произошло разъединение абонентов). Если во время передачи серии на одном из участков произошла авария, то, в отличие от дейтаграммного метода, передача пакетов прерывается, и виртуальный канал раз-