Файл: Телекоммуникационные системы и сети - КНИГА.doc

9.4. Методы коммутации в сетях электросвязи

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

Известны два основных принципа коммутации: непосредственное соединение и соединение с накоплением информации [4]. При непо­средственном соединении осуществляется физическое соединение входящих в УК каналов с соответствующими адресу исходящими ка­налами. При соединении с накоплением сообщений сигналы из вхо­дящих в УК каналов сначала записываются в запоминающем устрой­стве, откуда через определенный промежуток времени поступают в исходящие каналы.

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

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

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

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

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

Однако этот метод имеет и недостатки, главным из которых явля­ется плохое использование ресурсов сети, в частности каналов, если взаимодействующие абоненты недостаточно активны и между пере­дачами сообщений наблюдаются длительные паузы. В реальных сис

темах передачи сообщений доля пауз может быть достаточно боль-шой. Даже в телефонных каналах речь занимает менее половины времени, а при передаче данных при диалоговом обмене человека и компьютера полезная нагрузка составляет единицы процентов от вы­деленной пропускной способности.

Для повышения эффективности использования пропускной спо-собности трактов сети в таких диалоговых системах и были разрабо-таны методы коммутации, при которых пропускная способность сети не закрепляется на все время сеанса связи двух абонентов, а пред-ставляется им лишь по мере необходимости при появлении у них со-общений для передачи.

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

В сети с КК (рис. 9.15) процесс передачи состоит из следующих операций:

• вызывающий абонент Аб_n с помощью вызывного устройства по-сылает по абонентской линии в узел КК заявку на соединение с абонентом Аб_m, содержащую условный адрес вызываемого абонента;

• аппаратура коммутации узла КК по полученной заявке осу­ществляет соединение абонентской линии Аб.лин„ с абонентской ли­нией Аб.лин_т, если абоненты принадлежат одному узлу КК, или со­единительной линией между узлами, к которым принадлежат абонен-ты (сквозной канал может быть организован через несколько проме­жуточных узлов КК, где осуществляется аналогичная коммутация);

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

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

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

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

Рис. 9.15. Сети ПДС с коммутацией: а - каналов; б - сообщений или пакетов

При системе коммутации с накоплением (КН) ОП имеет постоян­ную прямую связь со своим УК (иногда с несколькими) и передает на него информацию. Затем эта информация поэтапно передается через узлы коммутации другим абонентам, причем в случае занятости исхо­дящих каналов информация запоминается в узлах и передается по мере освобождения каналов в нужном направлении. Известны две разновидности системы с накоплением: система коммутации сооб­щений (КС) и система коммутации пакетов (КП). В сети с КС (см. рис. 9.15) процесс передачи следующий:

• вызывающий абонент Аб_n передает в узел коммутации подле-жащее передаче сообщение вместе с условным адресом абонента

• в узле КС сообщение запоминается и по его адресу определяет-ся канал, по которому оно должно быть передано;

• если канал к соседнему узлу КС свободен, то сообщение немед-ленно передается на соседний узел КС, в котором повторяется та же операция;

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

• хранящиеся сообщения устанавливаются в очередь по направ-лениям передачи с учетом категории срочности.

Такой способ обслуживания, при котором заявка, поступившая и момент отсутствия свободных линий или приборов, ожидает их ос-вобождения, называется обслуживанием с ожиданием.

Метод КС нашел применение на телеграфных сетях общего пользования.

Метод коммутации пакетов (см. рис. 9.15) по своей идеологии совпадает с методом КС и отличается лишь тем, что длинные сооб-щения передаются не целиком, а разбиваются на относительно ко-роткие части - пакеты. Различают два способа (режима) передачи пикетов: режим виртуальных соединений и датаграммный.

Виртуальные соединения. По сути, это коммутация каналов, но не напрямую, а через память управляющих компьютеров в центрах коммутации с использованием пакетов при передаче сообщений, виртуальной сети, прежде чем начать передачу пакетов, абоненту-получателю направляется служебный пакет, прокладывающий вирту-альное соединение. В каждом узле этот пакет оставляет распоряже­ние вида: пакеты k-го виртуального соединения, пришедшие из i-го канала, следует направлять в j-й канал. Таким образом, виртуальное (условное) соединение существует только в памяти управляющего компьютера. Дойдя до абонента-получателя, служебный пакет за­прашивает у него разрешение на передачу, сообщив, какой объем памяти понадобиться для приема. Если его компьютер располагает такой памятью и свободен, то посылается согласие абоненту-отправителю (также в виде специального служебного пакета) на пе­редачу сообщения. Получив подтверждение, абонент-отправитель приступает к передаче сообщения обычными пакетами. Пакеты бес­препятственно проходят друг за другом по виртуальному соединению (и каждом узле их ждет инструкция, которая обрабатывается управ­ляющим компьютером) и в том же порядке попадают абоненту-получателю, где, освободившись от концевиков и заголовков, образу-ют передаваемое сообщение, которое направляется на седьмой уровень. Виртуальное соединение может существовать до тех пор, пока отправленный одним из абонентов, специальный служебный пакет не сотрет инструкции в узлах. Режим виртуальных соединений эффективен при передаче больших массивов информации и обладает всеми пре­имуществами методов коммутации каналов и пакетов.

Датаграммы. Для коротких сообщений более эффективен датаграммный режим, не требующий довольно громоздкой процедуры ус­тановления виртуального соединения между абонентами. Термин «датаграмма» применяют для обозначения самостоятельного пакета, движущегося по сети независимо от других пакетов. Получив дата-грамму, узел коммутации направляет ее в сторону смежного узла, максимально приближенного к адресату. Когда смежный узел под­тверждает получение пакета, узел коммутации стирает его в своей памяти. Если подтверждение не получено, узел коммутации отправ­ляет пакет в другой смежный узел и т.д., до тех пор пока пакет не бу­дет принят. Все узлы, окружающие данный, ранжируются по близости к адресату. Первый ранг получает ближайший к адресату узел, вто­рой - ближайший из остальных и т.д. Пакет посылается сначала в узел первого ранга, при неудаче - в узел второго ранга и т.д. Описан­ная процедура известна как алгоритм маршрутизации. Кроме детер­минированных алгоритмов маршрутизации, где перспективность узла для передачи датаграммы оценивается с помощью конкретного ре­шающего правила, существуют вероятностные алгоритмы, где узел передачи выбирается случайно. Очевидно, что при такой маршрути­зации каждая датаграмма будет идти по случайной траектории, и, следовательно, момент поступления ее к адресату будет случайным. При этом свойствами случайности можно управлять, т.е. добиваться, чтобы среднее время доставки не превышало заданного, а вероят­ность того, что какая-то датаграмма задержится более наперед за­данного числа секунд, была бы достаточно малой. Датаграммный ре­жим используется, в частности, Internet, в протоколах UDP (User Data­gram Protocol) и TFTP (Trivial File Transfer Protocol).

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