Методы коммутации и коммуникационное оборудование

7. Методы коммутации

Любые сети связи поддерживают некоторый способ коммутации своих  абонентов между собой. Этими  абонентами могут быть удаленные  компьютеры, локальные сети, факс-аппараты или просто собеседники, общающиеся с помощью телефонных аппаратов. Практически невозможно предоставить каждой паре взаимодействующих абонентов  свою собственную некоммутируемую  физическую линию связи, которой  они могли бы монопольно «владеть»  в течение длительного времени. Поэтому в любой сети всегда применяется  какой-либо способ коммутации абонентов, который обеспечивает доступность  имеющихся физических каналов одновременно для нескольких сеансов связи  между абонентами сети. На рис. 2.25 показана типичная структура сети с коммутацией  абонентов.

Абоненты соединяются  с коммутаторами индивидуальными  линиями связи, каждая из которых  используется в любой момент времени  только одним, закрепленным за этой линией абонентом. Между коммутаторами  линии связи разделяются несколькими  абонентами, то есть используются совместно. Ethernet Локальные сети Транспортный уровень

Существуют три принципиально  различные схемы коммутации абонентов  в сетях: коммутация каналов (circuit switching), коммутация пакетов (packet switching) и коммутация сообщений (message switching). Внешне все эти схемы соответствуют приведенной на рис. 2.25 структуре сети, однако возможности и свойства их различны. Сети с коммутацией каналов имеют более богатую историю, они ведут свое происхождение от первых телефонных сетей. Сети с коммутацией пакетов сравнительно молоды, они появились в конце 60-х годов как результат экспериментов с первыми глобальными компьютерными сетями. Сети с коммутацией сообщений послужили прототипом современных сетей с коммутацией пакетов и сегодня они в чистом виде практически не существуют.

Рис. 1. Общая структура сети с коммутацией абонентов

Каждая из этих схем имеет  свои преимущества и недостатки, но по долгосрочным прогнозам многих специалистов будущее принадлежит технологии коммутации пакетов, как более гибкой и универсальной.

Как сети с коммутацией  пакетов, так и сети с Коммутацией  каналов можно разделить на два  класса по другому признаку - на сети с динамической коммутацией и сети с постоянной коммутацией.

В первом случае сеть разрешает  устанавливать соединение по инициативе пользователя сети. Коммутация выполняется  на время сеанса связи, а затем (опять  же по инициативе одного из взаимодействующих  пользователей) связь разрывается. В общем случае любой пользователь сети может соединиться с любым  другим пользователем сети. Обычно период соединения между парой пользователей  при динамической коммутации составляет от нескольких секунд до нескольких часов  и завершается при выполнении определенной работы - передачи файла, просмотра страницы текста или изображения  и т. п.

Во втором случае сеть не предоставляет пользователю возможность  выполнить динамическую коммутацию с другим произвольным пользователем  сети. Вместо этого сеть разрешает  паре пользователей заказать соединение на длительный период времени. Соединение устанавливается не пользователями, а персоналом, обслуживающим сеть. Время, на которое устанавливается  постоянная коммутация, измеряется обычно несколькими месяцами. Режим постоянной коммутации в сетях с коммутацией каналов часто называется сервисом выделенных (dedicated) или арендуемых (leased) каналов.

Примерами сетей, поддерживающих режим динамической коммутации, являются телефонные сети общего пользования, локальные  сети, сети TCP/IP.

Наиболее популярными  сетями, работающими в режиме постоянной коммутации, сегодня являются сети технологии SDH, на основе которых строятся выделенные каналы связи с пропускной способностью в несколько гигабит  в секунду.

Некоторые типы сетей поддерживают оба режима работы. Например, сети Х.25 и АТМ могут предоставлять пользователю возможность динамически связаться с любым другим пользователем сети и в то же время отправлять данные по постоянному соединению одному вполне определенному абоненту.

Коммутация  каналов

Коммутация каналов подразумевает образование непрерывного составного физического канала из последовательно соединенных отдельных канальных участков для прямой передачи данных между узлами. Отдельные каналы соединяются между собой специальной аппаратурой - коммутаторами, которые могут устанавливать связи между любыми конечными узлами сети. В сети с коммутацией каналов перед передачей данных всегда необходимо выполнить процедуру установления соединения, в процессе которой и создается составной канал.

Например, если сеть, изображенная на рис. 2.25, работает по технологии коммутации каналов, то узел 1, чтобы передать данные узлу 7, прежде всего должен передать специальный запрос на установление соединения коммутатору А, указав адрес назначения 7. Коммутатор А должен выбрать маршрут образования составного канала, а затем передать запрос следующему коммутатору, в данном случае Е. Затем коммутатор Е передает запрос коммутатору F, а тот, в свою очередь, передает запрос узлу 7. Если узел 7 принимает запрос на установление соединения, он направляет по уже установленному каналу ответ исходному узлу, после чего составной канал считается скоммутированным и узлы 1 и 7 могут обмениваться по нему данными, например, вести телефонный разговор.

Коммутаторы, а также соединяющие  их каналы должны обеспечивать одновременную  передачу данных нескольких абонентских  каналов. Для этого они должны быть высокоскоростными и поддерживать какую-либо технику мультиплексирования  абонентских каналов.

В настоящее время для  мультиплексирования абонентских  каналов используются две техники:

• техника частотного мультиплексирования (Frequency Division Multiplexing, FDM);
• техника мультиплексирования с разделением времени (Time Division Multiplexing, TDM).

Коммутация  каналов на основе частотного мультиплексирования

Техника частотного мультиплексирования  каналов (FDM) была разработана для  телефонных сетей, но применяется она  и для других видов сетей, например сетей кабельного телевидения.

Рассмотрим особенности  этого вида мультиплексирования  на примере телефонной сети.

Речевые сигналы имеют  спектр шириной примерно в 10 000 Гц, однако основные гармоники укладываются в  диапазон от 300 до 3400 Гц. Поэтому для  качественной передачи речи достаточно образовать между двумя собеседниками  канал с полосой пропускания  в 3100 Гц, который и используется в  телефонных сетях для соединения двух абонентов. В то же время полоса пропускания кабельных систем с  промежуточными усилителями, соединяющих  телефонные коммутаторы между собой, обычно составляет сотни килогерц, а иногда и сотни мегагерц. Однако непосредственно передавать сигналы  нескольких абонентских каналов  по широкополосному каналу невозможно, так как все они работают в одном и том же диапазоне частот и сигналы разных абонентов смешаются между собой так, что разделить их будет невозможно.

Для разделения абонентских  каналов характерна техника модуляции  высокочастотного несущего синусоидального  сигнала низкочастотным речевым  сигналом (рис. 2.26). Эта техника подобна  технике аналоговой модуляции при  передаче дискретных сигналов модемами, только вместо дискретного исходного  сигнала используются непрерывные  сигналы, порождаемые звуковыми  колебаниями. В результате спектр модулированного  сигнала переносится в другой диапазон, который симметрично располагается  относительно несущей частоты и  имеет ширину, приблизительно совпадающую  с шириной модулирующего сигнала.

Рис. 2. Модуляция речевым сигналом

Если сигналы каждого  абонентского канала перенести в  свой собственный диапазон частот, то в одном широкополосном канале можно одновременно передавать сигналы  нескольких абонентских каналов.

На входы FDM-коммутатора  поступают исходные сигналы от абонентов  телефонной сети. Коммутатор выполняет  перенос частоты каждого канала в свой диапазон частот. Обычно высокочастотный  диапазон делится на полосы, которые  отводятся для передачи данных абонентских  каналов (рис. 2.27). Чтобы низкочастотные составляющие сигналов разных каналов  не смешивались между собой, полосы делают шириной в 4 кГц, а не в 3,1 кГц, оставляя между ними страховой промежуток в 900 Гц. В канале между двумя FDM-коммутаторами  одновременно передаются сигналы всех абонентских каналов, но каждый из них занимает свою полосу частот. Такой канал называют уплотненным.

Рис. 2.27. Коммутация на основе частотного уплотнения

Выходной FDM-коммутатор выделяет модулированные сигналы каждой несущей  частоты и передает их на соответствующий  выходной канал, к которому непосредственно  подключен абонентский телефон.

В сетях на основе FDM-коммутации принято несколько уровней иерархии уплотненных каналов. Первый уровень  уплотнения образуют 12 абонентских  каналов, которые составляют базовую группу каналов, занимающую полосу частот шириной в 48 кГц с границами от 60 до 108 кГц. Второй уровень уплотнения образуют 5 базовых групп, которые составляют супергруппу, с полосой частот шириной в 240 кГц и границами от 312 до 552 кГц. Супергруппа передает данные 60 абонентских каналов тональной частоты. Десять супергрупп образуют главную группу, которая используется для связи между коммутаторами на больших расстояниях. Главная группа передает данные 600 абонентов одновременно и требует от канала связи полосу пропускания шириной не менее 2520 кГц с границами от 564 до 3084 кГц.

Коммутаторы FDM могут выполнять  как динамическую, так и постоянную коммутацию. При динамической коммутации один абонент инициирует соединение с другим абонентом, посылая в  сеть номер вызываемого абонента. Коммутатор динамически выделяет данному  абоненту одну из свободных полос  своего уплотненного канала. При постоянной коммутации за абонентом полоса в 4 кГц закрепляется на длительный срок путем настройки коммутатора по отдельному входу, недоступному пользователям.

Принцип коммутации на основе разделения частот остается неизменным и в сетях другого вида, меняются только границы полос, выделяемых отдельному абонентскому каналу, а также количество низкоскоростных каналов в уплотненном высокоскоростном.

Коммутация  каналов на основе разделения времени

Коммутация на основе техники  разделения частот разрабатывалась  в расчете на передачу непрерывных  сигналов, представляющих голос. При  переходе к цифровой форме представления  голоса была разработана новая техника  мультиплексирования, ориентирующаяся  на дискретный характер передаваемых данных.

Эта техника носит название мультиплексирования с разделением времени (Time Division Multiplexing, TDM). Реже используется и другое ее название - техника синхронного режима передачи (Synchronous Transfer Mode, STM). Рисунок 2.28 поясняет принцип коммутации каналов на основе техники TDM.

Рис. 3. Коммутация на основе разделения канала во времени

Аппаратура TDM-сетей - мультиплексоры, коммутаторы, демультиплексоры -работает в режиме разделения времени, поочередно обслуживая в течение цикла своей работы все абонентские каналы. Цикл работы оборудования TDM равен 125 мкс, что соответствует периоду следования замеров голоса в цифровом абонентском канале. Это значит, что мультиплексор или коммутатор успевает вовремя обслужить любой абонентский канал и передать его очередной замер далее по сети. Каждому соединению выделяется один квант времени цикла работы аппаратуры, называемый также тайм-слотом. Длительность тайм-слота зависит от числа абонентских каналов, обслуживаемых мультиплексором TDM или коммутатором.

Мультиплексор принимает  информацию по N входным каналам  от конечных абонентов, каждый из которых  передает данные по абонентскому каналу со скоростью 64 Кбит/с - 1 байт каждые 125 мкс. В каждом цикле мультиплексор  выполняет следующие действия:

• прием от каждого канала очередного байта данных;
• составление из принятых байтов уплотненного кадра, называемого также обоймой;
• передача уплотненного кадра на выходной канал с битовой скоростью, равной N*64 Кбит/с.

Порядок байт в обойме соответствует  номеру входного канала, от которого этот байт получен. Количество обслуживаемых  мультиплексором абонентских каналов  зависит от его быстродействия. Например, мультиплексор Т1, представляющий собой первый промышленный мультиплексор, работавший по технологии TDM, поддерживает 24 входных абонентских канала, создавая на выходе обоймы стандарта Т1, передаваемые с битовой скоростью 1,544 Мбит/с.

Демультиплексор выполняет обратную задачу - он разбирает байты уплотненного кадра и распределяет их по своим нескольким выходным каналам, при этом он считает, что порядковый номер байта в обойме соответствует номеру выходного канала.

Коммутатор принимает  уплотненный кадр по скоростному  каналу от мультиплексора и записывает каждый байт из него в отдельную  ячейку своей буферной памяти, причем в том порядке, в котором эти  байты были упакованы в уплотненный кадр. Для выполнения операции коммутации байты извлекаются из буферной памяти не в порядке поступления, а в таком порядке, который соответствует поддерживаемым в сети соединениям абонентов. Так, например, если первый абонент левой части сети рис. 2.28 должен соединиться со вторым абонентом в правой части сети, то байт, записанный в первую ячейку буферной памяти, будет извлекаться из нее вторым. «Перемешивая» нужным образом байты в обойме, коммутатор обеспечивает соединение конечных абонентов в сети.

Однажды выделенный номер  тайм-слота остается в распоряжении соединения «входной канал-выходной слот» в течение всего времени существования этого соединения, даже если передаваемый трафик является пульсирующим и не всегда требует захваченного количества тайм-слотов. Это означает, что соединение в сети TDM всегда обладает известной и фиксированной пропускной способностью, кратной 64 Кбит/с.

Работа оборудования TDM напоминает работу сетей с коммутацией пакетов, так как каждый байт данных можно  считать некоторым элементарным пакетом. Однако, в отличие от пакета компьютерной сети, «пакет» сети TDM не имеет индивидуального адреса. Его адресом является порядковый номер в обойме или номер выделенного  тайм-слота в мультиплексоре или коммутаторе. Сети, использующие технику TDM, требуют синхронной работы всего оборудования, что и определило второе название этой техники - синхронный режим передач (STM). Нарушение синхронности разрушает требуемую коммутацию абонентов, так как при этом теряется адресная информация. Поэтому перераспределение тайм-слотов между различными каналами в оборудовании TDM невозможно, даже если в каком-то цикле работы мультиплексора тайм-слот одного из каналов оказывается избыточным, так как на входе этого канала в этот момент нет данных для передачи (например, абонент телефонной сети молчит).