Поддержка процедур сетевых и коммуникационных протоколов (запрос-ответ, разбиение и сборка пакетов, анализ заголовков и цифр набора номера);
Мониторинг оборудования, самотестирование и самопроверка (в рамках технической эксплуатации).
Мультиплексирование и демультиплексирование;
Запуск и прием результатов стандартных тестов технического состояния линий, каналов и трактов;
Обмен данными по управлению и взаимодействие с другими ИУУ;
Информационный обмен с внешней средой;
Центральное управляющее устройство (см. рис.1)
Групповые управляющие устройства;
Индивидуальные управляющие устройства (контроллеры);
Рис.1. – Внутренняя сеть, подключенная к ТфОП
Так образуются внутренние телефонные сети в противоположность ТфОП. Сами внутренние телефонные сети могут быть построены на нескольких мини-АТС, охватывать большие территории и иметь довольно сложную внутреннюю топологию. Главное отличие внутренних сетей от ТфОП – они поддерживают свои собственные номерные планы, отличные от ТфОП.
Англоязычный термин, наиболее близкий к мини-АТС – это РВХ (Private Branch Exchange).
Виды звонков во внутренних сетях
Большинство внутренних телефонов, как правило, не имеют прямых городских номеров, для соединения с ними с городского телефона требуется помощь либо оператора (ручная коммутация внешних звонков), либо автосекретаря (автоматическая коммутация).
Для звонков с внутреннего телефона на внутренний необходимо набирать так называемый внутренних номер (Extention number). Для звонка с внутреннего телефона на номер в ТфОП обычно используется набор дополнительной цифры-префикса, обычно «9».
Всякая мини-АТС имеет набор линий для подключения внутренних телефонов – то есть внутренних линий, а также набор линий для подключения к ТфОП (или другим АТС) – внешних линий (trunk).
По отношению к любой из линий звонок может быть исходящим (если его инициировал абонент этой линии) или входящим (если он инициирован другим абонентом). Внутренним звонком называют соединение, охватывающее две внутренние линии, иначе это внешний звонок.
рис.2 – Виды звонков в мини-АТС
Схемы подключения мини-АТС к ТфОП
Мини-АТС отлично справляются с коммутацией внешних исходящих и внутренних звонков. Однако автоматическая обработка внешних входящих звонков вызывает трудности, поскольку номерной план ТфОП явно не предусматривает прямого доступа ко всем абонентам внутренней сети. Внутренняя сеть «видна» из городской сети просто как один (или несколько) городских номеров; большинство внутренних телефонов при этом напрямую не доступно.
Из-за этого возникает необходимость в специальной обработке внешних входящих звонков. При ручной обработке эти звонки попадают на линию секретаря, а он уже переводит их на нужную линию. Кроме того, становиться невозможным автоматическое соединение с внутренними абонентами.
Автоматическая обработка входящих звонков с помощью автосекретаря (auto-attendant) решает все эти задачи. Тем не менее, доступ к внутренним абонентам через автосекретаря неудобен, поскольку требуется ожидание ответа автосекретаря и набор дополнительных цифр в тоновом режиме (DTMF), который имеется далеко не на всех телефонных аппаратах.
Гораздо удобнее иметь прямые городские номера, пусть не для всех внутренних абонентов, так хотя бы для самых важных. Традиционный подход заключается в использовании дополнительных городских линий: по линии на каждый прямой номер. Этот лобовой подход («одна линия – один номер»), очевидно, совершенно не эффективен, поскольку прокладка дополнительных линий стоит дополнительных денег, а сами городские линии оказываются загруженными неравномерно.
рис.3 – Подключение «одна линия – один номер»
Наиболее эффективный подход состоит в использовании специальной услуги – Direct Inward Dialing (DID, буквально – «прямой проникающий набор»).
Идея состоит в том, что внутренней сети выделяется несколько прямых городских номеров, но эти номера не привязаны жестко к имеющимся городским линиям. Когда внешний абонент набирает один из этих номеров, городская АТС направляет звонок на любую свободную линию, соединяющую ее с мини-АТС.
Рис.4 – Подключение «много линий – несколько номеров»
При этом на мини-АТС вместе со звонком приходит информация о номере, набранном внешним абонентом – номер DID. По какой бы из внешних линий ни поступил звонок, мини-АТС имеет всю необходимую информацию для правильной маршрутизации этого звонка.
При таком подходе («много линий – несколько номеров») нагрузка распределяется по всем линиям равномерно. Число линий и число прямых номеров не обязаны совпадать.
Еще одной схемой подключения к городской сети является «многоканальный телефон» (подход «много линий – один телефон»). При этом сервис DID не требуется, поскольку используется только один городской номер. Использование многоканального телефона резко упрощает набор номера со стороны внешних абонентов.
Итак, вместе с входящим звонком по линии может передаваться дополнительная информация – номер DID, т.е. номер вызываемого абонента. Но более известна услуга передачи номера вызывающего абонента – Caller ID. В России Caller ID аналогом услуги является АОН.
В мире цифровых протоколов вместо термина Caller ID часто употребляют ANI (Automatic Number Identification, т.е. буквально «автоматическое определение номера»), а вместо DID – DNIS (Destination Number Identification Service).
Centrex
Стоит отдельно упомянуть распространенную на Западе схему создания внутренних сетей с использованием оборудования городской телефонной компании – Centrex. При этом подходе сама АТС, эксплуатируемая местной телефонной компанией, является полноценной частью ТфОП, но абонентам заказчика предоставляются дополнительные сервисы, недоступные обычным городским абонентам. В первую очередь, это сокращенный набор для внутренних номеров (обычно 4 цифры). Таким образом, абоненты Centrex пользуются внутренним номерным планом, хотя каждый из внутренних телефонов имеет прямой городской номер.
VPN
VPN (Virtual Private Network, «виртуальная частная сеть») – это объединение нескольких внутренних сетей в единое номерное «пространство», или наоборот, реализация нескольких недоступных друг из друга «виртуальных» сетей на базе одной «физической» сети.
Для создания VPN необходима специальная настройка номерных планов для каждой из мини-АТС, входящей в виртуальную сеть.
Примерами крупных виртуальных сетей, охватывающих большие территории и имеющие свои собственные соединения между узлами, является правительственная связь и различные внутриведомственные сети. Поскольку для таких сетей крайне важна высокая защищенность, они имеют очень ограниченное соединение с ТфОП.
Рис.5 Объединение нескольких внутренних сетей в VPN
Рис.6 Разбиение внутренней сети на несколько VPN.
Внутренние сети ISDN
Внутренние сети, как и ТфОП, могут строиться на основе цифровых технологий ISDN. Более того, применение абонентских линий ISDN во внутренних сетях распространено намного шире, чем в городских сетях. Например, цифровые телефоны к современным мини-АТС обычно подключают через линии типа ISDN-BRI.
Интернет-телефония
Телефония основана на коммутации соединений. Иными словами, для создания соединения между абонентами на все время разговора выделяются каналы для передачи звука.
В цифровых сетях передачи данных, например, в Интернете, используется иной принцип – коммутация пакетов. Пакет – это блок двоичных данных, которыми обмениваются оконечные устройства сети (например, обычные компьютеры). Пересылка пакета от одного узла в другой напоминает отправку письма или телеграммы, т.е. не требует установления постоянного соединения между этими двумя узлами, что позволяет значительно экономить внутренние ресурсы сети.
Телефонные соединения вполне можно реализовывать на основе сети с коммутацией пакетов. Именно эту задачу и решает так называемая Интернет-телефония. Оконечные устройства такой «виртуальной» телефонной сети, работающих поверх Интернета, непрерывно обмениваются пакетами прямо в процессе разговора. Пакеты содержат цифровые данные, кодирующие звук.
Передача телефонных переговоров по сети Интернет может осуществляться по нескольким сценариям.
Самый простой способ состоит в использовании обычных мультимедиа-компьютеров, подключенных к Интернету. На обоих компьютерах требуется запустить специальную программу, которая на одном конце преобразует звук от микрофона в пакеты данных, а на другом конце преобразует эти пакеты обратно в звук и проигрывает его в динамик. Если один из компьютеров оснащен видеокамерой, то можно передавать и изображение.
Вместо компьютера с установленной программой Интернет-телефонии можно использовать так называемый IP-телефон. Это устройство, внешне выглядящее как обычный телефон, но подключаемое непосредственно к сети передачи данных.
Итак, компьютеры и IP-телефоны являются разновидностями терминалов Интернет-телефонии, т.е. играют роль абонентских устройств.
Рис.7 Терминалы Интернет-телефонии
Ещё одна разновидность узлов в сети Интернет-телефонии – шлюз (gateway). Это «посредник» между традиционной телефонной сетью и сетью передачи данных, преобразующий звонки одного типа в другой и обратно. С его помощью можно совершать звонки между терминалами Интернет-телефонии и абонентами ТфОП в обоих направлениях.
Рис.8 Соединение «компьютер-телефон» через шлюз
Очень важен также сценарий соединения «телефон-Интернет-телефон». Этот способ соединения позволяет совершать междугородние и международные звонки с телефона на телефон по исключительно низким тарифам, что обуславливает широкое распространение этой услуги.
Рис.9 Соединение абонентов ТфОП через Интернет.
На основе технологий Интернет-телефонии можно строить внутренние телефонные сети. Две внутренние телефонные сети можно соединить между собой посредством Интернета: при этом с телефона одной сети можно звонить на телефоны из другой сети совершенно прозрачно, как будто сети соединены через ТфОП. Любой пользователь может звонить со своего компьютера через шлюз на телефоны в локальной сети (и наоборот).
Международный союз электросвязи предложил стандарт Н.323 для построения сетей Интернет-телефонии. Этот стандарт охватывает практически все аспекты создания таких сетей и в настоящее время является наиболее распространенным.
Сети Н.323 ориентированы на интеграцию с обычными телефонными сетями и рассматриваются как сети ISDN, работающие поверх сетей передачи данных – TCP/IP (Интернет), сетей IPX, Ethernet, Fast Ethernet, Token Ring и т.д. Стандарт Н.323 содержит большое количество протоколов, связанных с регистрацией оборудования, различными сценариями установления соединений, передачей речи, видео и данных, аутентификацией пользователей, тарификацией и многими другими задачами.
Согласно рекомендации Н.323, сеть состоит из следующих устройств: терминалов (Terminal), шлюзов (Gateway), привратников (Gatekeeper) и устройств управления конференциями (Multipoint Control Unit – MCU), образующих так называемую зону.
Рис.10 Зона сети Н.323
Привратник управляет одной зоной сети, причем зона может состоять из нескольких территориально удаленных сегментов, соединенных с помощью шлюзов. В привратнике сосредоточен весь основной «интеллект» сети: он отвечает за регистрацию оконечного оборудования, входящего в зону, за контроль прав доступа, за номерной план, тарификацию услуг, за управление пропускной способностью сети. Таким образом, привратник ведет учет абонентов и занимается преобразованием их адресов в IP-адреса. Фактически привратник играет в сети роль АТС, хотя и участвует только в установлении соединения между прочими узлами, а передачей пакетов во время разговора занимается нижележащая инфраструктура сети передачи данных.
Устройство управления конференциями (MCU) отвечает за организацию соединений между тремя и более участниками. В зависимости от возможностей сети передачи данных, конференция может быть централизованной или децентрализованной, а также смешанной. Каждый участник конференции может связываться с MCU напрямую; при этом требуется более дорогое оборудование MCU, которое занимается смешивание звуковых потоков. При децентрализованном режиме используется возможность многоадресной рассылки пакетов (IP multicasting) нижележащей сети передачи данных. В этом последнем случае MCU отвечает только за организацию конференции и поддержание списка участников. При этом смешиванием голосовых потоков занимаются оконечные устройства, что увеличивает их сложность и стоимость.
В традиционной телефонной сети большинство всех функций оказывается сосредоточенным в одном узле – АТС. Это накладывает ограничение на максимальное количество абонентов, т.е. на масштабируемость АТС, а также на надежность сети.
В сетях Н.323 функции традиционной АТС распределены между разными узлами, причем каждый узел может быть многократно продублирован.
Кодеки.
Передача звука в виде пакетов данных предполагает сжатие звуковых данных для минимизации трафика, поэтому используются различные алгоритмы динамического сжатия этих данных на передающей стороне и восстановления их на принимающей. Эти алгоритмы называются кодеками (codec) – сокращение от Кодер + ДЕКодер.
Как правило, для большинства кодеков главное – не качество звука, а используемая полоса пропускания. Так, для качественной передачи речи без сжатия требуется скорость передачи данных 64 Кбит/с. Существуют кодеки, которые позволяют обойтись 1-2 Кбит/с, например, Voxware RT24 дает поток 2,4 Кбит/с при умеренном качестве звука.
Международный союз электросвязи стандартизировал ряд кодеков, которые широко применяются для передачи речи (таблица 1).
Таблица 1. Стандартизированные кодеки
Важное преимущество IP-телефонии, помимо дешевизны связи и теснейшей интеграции с компьютерами – это возможность шифрования трафика, свойственное передаче данных через Интернет вообще.
Характерные недостатки, сильно сдерживающие распространение IP-телефонии – низкое качество звука, вызванное сильным сжатием данных, и большие временные задержки звука (иногда до нескольких секунд), обусловленные многократной буферизацией данных на промежуточных узлах сети.
Итак, Интернет-телефония используется в настоящее время в основном как дешевое средство связи (но не всегда высокого качества). Тем не менее, это направление, очевидно, является будущим телефонии как в применении к дальней связи, так и во внутренних сетях.
Компьютерная телефония
При построении внутренних сетей, а также при создании специфических услуг компаниями-провайдерами широко используется компьютерная техника. Это новое направление в современной телефонии получило название «компьютерно-телефонной интеграции» (по-английски – CTI “Computer Telephony Integration”), или просто «компьютерная телефония».
Если автоматический сервис должен уметь обрабатывать более одного звонка одновременно, то необходимо иметь несколько телефонных линий. Подключать к каждой из линий по модему оказывается довольно накладно. Кроме каждый из модемов может работать только независимо от других, тогда как иногда бывает целесообразно соединять (коммутировать) линии между собой.
Выход заключается в использовании так называемых CTI-плат (их также называют платами компьютерной телефонии). Это обычные платы, вставляемые в слоты расширения внутри компьютера, представляющие собой нечто вроде «многоканальных» модемов. Они имеют меньшую стоимость в пересчете на отдельную линию и обычно позволяют осуществлять внутреннюю коммутацию линий.
Рис. Автоматический сервис на основе CTI-платы
Линии могут быть как городскими, так и внутренними линиями мини-АТС. С помощью CTI-плат могут быть реализованы различные телефонные приложения, например, системы голосовых меню (IVR), голосовая почта, системы записи телефонных разговоров, шлюзы Интернет-телефонии и даже мини-АТС.
Отдельным случаем компьютерной телефонии является управление мини-АТС компьютером через так называемый CTI link. Традиционно для этого используется кабель RS-232, подключаемый к последовательному порту компьютера, на котором исполняется управляющая программа. В последнее время некоторые производители переходят на прямое подключение к локальной сети Ethernet, а также есть случаи использования USB.
Обычно с помощью CTI link осуществляют управление звонками с компьютеров абонентов мини-АТС («клиент-серверная телефония»). На компьютерах абонентов запускается специальная программа, взаимодействующая через локальную компьютерную сеть с сервером, к которому подключен CTI link.
Особый класс телефонных приложений представляют собой программы, исполняющиеся на компьютере с CTI-платами, имитирующими поведение мини-АТС. К платам подключают не только внешние линии, но и внутренние телефоны, и все это коммутируется под управлением приложения.
Рис. SoftPBX
Такие приложения называют SoftPBX (а также UnPBX, NT-PBX), а компьютеры с CTI-платами – телефонными серверами. Это решение сочетает в себе возможности обычных мини-АТС и вместе с тем, позволяет реализовывать функции, которые «не по зубам» традиционным мини-АТС.
Отдельное использование внутренней компьютерной и телефонной сетей является в некотором смысле анархизмом, поскольку теоретически достаточно иметь одну общую сеть для передачи как данных между компьютерами, так и звука. Решения, использующие компьютерную сеть в качестве телефонной, называют IP-PBX.
Телефоны при таком подходе подключаются прямо в компьютерную сеть (так называемые IP-телефоны), а коммутацией соединений занимается специальное сетевое устройство – привратник (Gatekeeper), которое фактически играет роль мини-АТС: отвечает за внутренний номерной план, поддерживает каталог пользователей, осуществляет контроль прав доступа и т.д. пользователи могут обходиться и вовсе без традиционных телефонных аппаратов, используя микрофон и динамики, подключенные к мультимедиа-компьютеру.
Рис. Мини-АТС на основе Интернет-телефонии.
Соединением с ТфОП занимается ещё одно сетевое устройство – шлюз(gateway), которое, в сущности, играет роль «внешних линий». С его помощью абоненты могут совершать и принимать обычные телефонные звонки.
Привратник и шлюз могут быть совмещены в одном устройстве или в отдельных устройствах, причем это может быть как обычный компьютер, так и специализированное оборудование.
Мини-АТС
Современные мини-АТС отличаются друг от друга количеством внутренних и внешних линий, типами этих линий (аналоговые, ISDN, IP-телефония и т.д.), типами подключаемых телефонов, набором функций, возможностями настройки различных параметров и расширения базовых возможностей, а также возможностями управления от внешнего компьютера.
К мини-АТС можно подключать как обычные «аналоговые» телефоны, рассчитанные на городские АТС, так и специализированные «цифровые» аппараты с дополнительными кнопками, жидкокристаллическими дисплеями и спикерфоном.
Аналоговые телефонные аппараты подключаются к аналоговым внутренним линиям мини-АТС. Это те же самые телефоны, которые можно подключать к городским АТС.
Современные мини-АТС используют обычно тоновый набор, поэтому телефон должен быть с кнопочным номеронабирателем. Для доступа к специальным функциям мини-АТС используются кнопки #, * и FLASH.
Аналоговый телефон может иметь дисплей, который используется для отображения времени разговора, набираемого номера и других данных. На дисплее может отображаться и номер вызывающего абонента, если мини-АТС поддерживает так называемую функцию CallerID.
Спикерфон – это устройство, позволяющее говорить по телефону, не снимая трубки. Голос собеседника при этом слышен через встроенный динамик, и где-то внутри аппарата имеется высокочувствительный микрофон.
К мини-АТС через аналоговые внутренние линии можно подключать также факс-машины, автоответчики и модемы.
Цифровые телефонные аппараты подключаются к цифровым линиям мини-АТС (обычно типа ISDN-BRI), а потому обеспечивают наилучшее качество звука. Для цифрового телефона характерно наличие дополнительных «функциональных» кнопок, которые позволяют управлять звонками (перевод звонков, конференции и т.д.) – в дополнение к обычным кнопкам номеронабирателя. На цифровом телефоне могут быть специальные «лампочки» и дисплей, использующиеся для индикации режимов работы, занятости линий мини-АТС, Caller ID, времени разговора и т.д.
Системные телефоны – это наиболее дорогие модели цифровых телефонов, предназначенные для управления мини-АТС секретарем или администратором. Эти телефоны имеют большое число дополнительных кнопок, совмещенных с «лампочками», позволяющими контролировать состояние линий, многострочные дисплей и т.д.
Лекция 1. Термины и определения.
Системное программирование (или программирование систем) — подраздел программирования, заключающийся в работе над системным программным обеспечением.
Определение «системное» подчеркивает тот факт, что результаты этого вида программирования существенно меняют свойства и возможности вычислительной системы. В то же время бесспорным остаётся тот факт, что в определенной степени этот результат имеет место при применении любых программ, выполняемых в вычислительной системе.
Вычислительная система имеет иерархическую структуру, которую можно представить в виде набора вложенных слоев, на внешнем из которых находятся прикладные программы, а на самом внутреннем - аппаратура компьютера. Условная степень системности нарастает при программировании, затрагивающем все более внутренние уровни системы.
Одной из основных отличительных черт системного программирования по сравнению с прикладным заключается в том, что результатом последнего является выпуск программ для взаимодействия с пользователем (например, текстовый процессор). В то время как результатом системного программирования является выпуск программ для взаимодействия с аппаратным обеспечением (например, дефрагментация жёсткого диска), что подразумевает сильную зависимость таких программ от аппаратной части.
Подводя итог, можно утверждать, что СИСТЕМНЫМ следует называть подраздел программирования как вида инженерной деятельности, в котором программист использует специфические и часто уникальные свойства и возможности ВНУТРЕННИХ УРОВНЕЙ вычислительной системы. Системное программирование отличается от прикладного, что обычно приводит к специализации программиста в одном из них. Часто, для системного программирования доступен ограниченный набор средств.
Системное программное обеспечение - это комплекс программ, которые обеспечивают эффективное управление компонентами вычислительной системы, такими как процессор, оперативная память, каналы ввода-вывода, сетевое оборудование, выступая как «межслойный интерфейс» с одной стороны которого аппаратура, а с другой приложения пользователя. В отличие от прикладного программного обеспечения, системное не решает конкретные прикладные задачи, а лишь обеспечивает работу других программ, управляет аппаратными ресурсами вычислительной системы и т.д.
Рисунок 1. Схема, иллюстрирующая место системного ПО в многоуровневой структуре компьютера.
Подпрограммным обеспечением (программой для ЭВМ) понимается объективная форма представления совокупности данных и команд, предназначенных для функционирования средства связи и иных компьютерных устройств с целью получения определенного результата. Программа реализует определенный алгоритм, использует информационную технологию обработки данных. В ходе выполнения программы используются различные форматы и способы обмена управляющими командами и сигналами. Программирование – раздел прикладной математики, разрабатывающий методы использования вычислительных машин для реализации алгоритмов. Сигнал – это физический процесс, распространяющийся в канале связи и несущий сообщение о некотором событии, состоянии объекта наблюдения или контроля, код команды управления.
Язык программирования – формальная знаковая система, предназначенная для записи программ для ЭВМ, также используемая для связи человека с цифровым вычислительным устройством. Язык программирования предназначен для описания данных (информации) и алгоритмов (программ) их обработки на вычислительном устройстве.
В современных средствах связи микропроцессорные системы находят самое широкое применение, что обусловлено повсеместным применением цифровых средств связи с программным управлением. Для функционирования таких средств связи применение микропроцессорной техники является единственно возможным способом реализовать необходимые функции.
Микропроцессор включает набор различных аппаратных компонентов, которые функционально объединены в виде центрального вычислительного (процессорного) устройства ЦПУ (central processing unit, CPU). Согласно ГОСТ 15971-90, ЦПУ, которое также называется центральным процессором, выполняет в данной вычислительной машине или системе обработки информации основные функции по обработке данных и управлению работой других частей вычислительной машины и системы.
К обработке данных относится последовательность операций объединения, проверки, арифметические операции, в большинстве случаев определенные/ограниченные во времени. Операция – однозначно определенное действие, составляющее выполнение команды или реакцию на определенные условия. В программировании операция – действие, производимое над данными, переменными, константами, функциями. В вычислительных машинах различают операции обработки данных или вычислительные операции, операции управления и операции над командами программы (операции переадресации).
Центральное процессорное устройство выполняет машинные команды, считываемые из физической памяти. Машинная команда – оператор языка программирования, опознаваемый и выполняемый аппаратными средствами микропроцессора. Машинная команда описывает элементарную операцию, которую должен выполнить микропроцессор. Физическая память – аппаратная часть микропроцессорной системы, в которую могут записываться и храниться данные и команды, и при необходимости – считываться. Физическая оперативная память – память, в которой размещаются данные, обрабатываемые командами, собственно команды в ходе непосредственного выполнения (интерпретации) программ.
При создании микропроцессорной системы, ЦПУ конструктивно дополняется компонентами управления физической памятью, устройствами ввода-вывода данных.
Ввод – передача данных от внешнего по отношению к физической оперативной памяти источника информации в физическую оперативную память. Вывод – процесс передачи данных от физической оперативной памяти к внешним запоминающим устройствам или к внешней, по отношению к микропроцессору, аппаратуре.
Лекция 2. Состав и функциональная архитектура управляющих комплексов.
Исторически управление средствами связи развивалось следующим образом. На механо-электрических средствах связи с индивидуальными коммутационными приборами (приборами искания), таких как АТС декадно-шагового типа, применялось индивидуальное управление. Здесь сигналы управления – цифры набора номера – поступали непосредственно от абонента на приборы искания. В механо-электрических средствах связи с групповыми приборами искания, такими как многократные координатные соединители появились групповые управляющие устройства, выполненные по аппаратной логике, в виде последовательно соединенных реле («пирамиды реле») – т.н. схемное управление. Управляющие устройства, такие как групповой искатель, абонентский регистр могли только принимать и обрабатывать цифры набора номера абонентов, но и обмениваться сигналами занятия, разъединения с помощью передачи электрических сигналов по специальным проводам управления. Такое управление можно охарактеризовать как «жесткое», реализующее только один алгоритм управления установлением соединения. Впрочем, решение по схемному управлению соответствовало уровню применяемой коммутационной техники. Решительный переворот в развитии управляющих комплексов средств связи произошел с началом внедрения электронных и квазиэлектронных коммутационных элементов, программного управления, что потребовало применения вычислительных машин для управления процессами коммутации и передачи.
Под управлением понимается любое изменение состояния средства связи, его компонента, процесса, ведущие к достижению поставленной цели. Целью, здесь является поддержание средства связи в состоянии, соответствующему штатному режиму эксплуатации с показателями, соответствующими паспортным показателям.
Программное управление работой некоторого объекта осуществляется системой автоматического управления (на основе микропроцессора или электронной вычислительной машины) по заданной программе для ЭВМ, в результате чего вырабатываются сигналы, воздействующие на исполнительные органы управляемого объекта для целенаправленного изменения его режима работы или состояния. В средствах связи для реализации системы автоматического управления используется управляющий комплекс средств связи.
Управляющий комплекс (УК) средства связи – совокупность технологически сопряженных управляющих устройств, предназначенных для автоматического управления процессами преобразования сигналов электросвязи, коммутацией и передачей каналов и пакетов, а также для реализации автоматизированных функций технической эксплуатации средств связи, учета и контроля трафика.
Управляющее устройство (УУ) – функционально и конструктивно законченное изделие, вырабатывающее из потока поступающей информации последовательность управляющих сигналов или машинных команд для целенаправленного воздействия на аппаратуру и приборы средства связи. Под аппаратурой понимаются технические средства определенного класса.
Управляющий комплекс средства связи включает следующие виды устройст управления:
Рис.1 – Общая функциональная схема управляющих устройств средства связи.
Под модулем на рис.1 понимается сборочная единица средства связи, состоящая из одной или нескольких деталей, соединенных на предприятии изготовителе, установленная на монтажном месте (позиции) и предназначенная для обеспечения паспортных функций средства связи, включая функции технической эксплуатации. Модули могут объединяться в блоки с общим функциональным назначением – блок соединительных линий (блок СЛ), блок линий доступа (блок ЛД). На рисунке 1 модуль соединительных линий, модуль линий доступа и цифровое коммутационное поле (матрица коммутации) выполняют свои стандартные функции для создания сквозного канала связи между пользователями услуг электросвязи или организации маршрута коммутации кадров/пакетов в процессе сеанса связи. Одной из основных функций модуля является реализация интерфейса между средством связи и внешней средой.
Интерфейс с внешней средой предоставляет следующие услуги:
§ Интерфейс человек-компьютер (человек – машина);
§ Прием/передача сигнала электросвязи.
Для системы передачи, в случае использования схемы рис.1, модули линий доступа могут отсутствовать. Пунктиром на рисунке показаны управляющие устройства, которые могут, как присутствовать, так и отсутствовать в конструкции конкретного средства связи.
В современных средствах связи микропроцессоры используются практически во всех аппаратах модулях и блоках систем коммутации и передачи. Это также обусловлено повсеместным применением программного управления. Программы управления средствами связи могут загружаться в физическую память микропроцессора управления с внешнего источника (накопитель на жестком магнитном диске, оптический накопитель).
Программы управления могут применяться в виде замонтированного программного обеспечения firmware, т.е. постоянно храниться в постоянных запоминающих устройствах с возможностью стирания и перезаписи или без такой возможности.
Рассмотрим функции управляющих устройств более подробно.
Индивидуальные управляющие устройства (ИУУ) – предназначены для управления данным модулем. Выполняют ограниченный набор функций, как правило относящихся к управлению физическим и канальным уровнем модели взаимосвязи открытых систем. В частности ИУУ осуществляет:
§ Отслеживание момента изменения состояния линии или канала/тракта для определения момента занятия, разъединения, поступления новой информации;
§ Обмен данными по управлению с ГУУ и/или ЦУУ;
Часть указанных функций может осуществляться с помощью специальных микросхем/микросхемных наборов, т.е. на основе управления с жесткой логикой. ИУУ может принимать программную команду управления от ГУУ и на ее основе формировать функциональный сигнал управления для аппаратуры связи.
Сигналы управления – это изменения показателей, признаков, переменных величин некоторых физических объектов, используемые в системе управления для передачи информации или для воздействия на объект управления. Сигнал управления в средствах связи – электромагнитный сигнал, передаваемый между управляющими устройствами средств связи, для целенаправленного воздействия на объект управления. Функциональный сигнал управления – сигнал, передаваемый управляющим устройством средства связи или МПр, для реализации требуемой функции на объекте управления. Функция – совокупность действий средства связи или его компонента, направленная на достижение определенной цели.
Программная команда управления – кодированное описание операции или обозначение программы (процедуры), которая должна быть исполнена управляющим устройством в процессе осуществления требуемой функции средства связи. Программными командами управления обмениваются не МПр, а программные средства управления.
В случае отсутствия в конструкции ИУУ, часть его функций может быть реализована аппаратно, а функции мониторинга, запуска и приема результатов тестов может быть передана ИУУ или ЦУУ. ИУУ относится к 1-му уровню управления средством связи.
Групповые управляющие устройства (ГУУ) предназначены для управления одним или несколькими блоками (модулями). Также ГУУ осуществляют координацию и взаимодействие с другими ГУУ. Благодаря развитию микропроцессорной техники и программного обеспечения, современные ГУУ могут самостоятельно вырабатывать управляющие программные команды или функциональные сигналы управления. ГУУ выполняют следующие функции:
§ Взаимодействие с другими ГУУ при занятии свободных путей/трактов между заданными блоками для установления соединения или сеанса связи;
В части функций технического управления и эксплуатации ГУУ выполняют функции тестирование и самопроверки, сбор данных по технической эксплуатации от ИУУ и передача этих данных в ЦУУ. Групповое управляющее устройство не является обязательным для средств связи малой мощности/емкости. Групповые управляющие устройства, если они реализованы на достаточно мощных МПр, могут одновременно выполнять функции ИУУ.
В случае отсутствия ИУУ, ГУУ может осуществлять преобразование команд центральных управляющих устройств в функциональные сигналы управления, поступающие на оборудование блоков, на цифровое коммутационное поле (матрицу коммутации). К примеру, на выходе центрального управляющего устройства может быть программная команда управления, а ГУУ преобразует эту команду в электрические импульсы определенной формы и уровня – функциональный сигнал управления – вызывающий срабатывание конкретного прибора в блоке соединительных линий или в боке линий доступа. ГУУ относятся ко 2-му уровню управления средством связи.
Центральное управляющее устройство (ЦУУ), как правило, включает в себя комплекс управляющих устройств (УУ). Эти УУ могут быть одинаковыми по конструкции, но за счет различия загружаемых программ для ЭВМ выполняют разные функции. Это ещё одно доказательство в пользу преимуществ программного управления средствами связи.
Центральное управляющее устройство выполняет наиболее сложные, «интеллектуальные», функции управления средством связи и процессами, осуществляемыми средством связи. Например, центральное управляющее устройство выполняет функции маршрутизации сообщений и пакетов, функции технического обслуживания и эксплуатации, функции администрирования доступом абонентом или пользователей, управляет данными о трафике, управляет процессами ввода-вывода с внешних устройств и управляет обменом с персоналом по эксплуатации. В случае отсутствия в конструкции средства связи ГУУ или ИУУ, ЦУУ также выполняет и функции нижестоящих управляющих устройств. ЦУУ относиться к 3-му уровню управления средством связи.
Сначала микропроцессоры применялись только в центральном управляющем устройстве. В последствии микропроцессоры, однокристальные микро-ЭВМ (микроконтроллеры) стали применяться в групповых и индивидуальных управляющих устройствах. В настоящее время в составе современного средства связи МПр или однокристальной микро-ЭВМ оборудован практически каждый функциональный блок (модуль). Большое распространение получают управляющие комплексы, в которых МПр в составе ГУУ и ЦУУ обладают сходными техническими характеристиками, хотя функционально выполняют различные задачи. В этом заключается очевидное преимущество программного управления, когда для реализации новой функции управления достаточно изменить загружаемую программу управления.
С точки зрения функций и организации связей между УУ в составе управляющего комплекса, различают централизованную, иерархическую, квази-распределенную и распределенную функциональную архитектуру управляющих комплексов средств связи.
Под архитектурой управляющего комплекса понимается совокупность принципов и подходов, структурных, функциональных, технических решений, определяющих концепцию взаимосвязи управляющих устройств. Архитектура включает компоненты функциональной, физической, программной организации УК.
В случае централизованной функциональной архитектуры УК существует четко выделенное ЦУУ, в состав которого входит основной управляющий процессор или группа процессоров, которые выполняют все функции управления средством связи, как показано на рисунке 2.
Здесь ЦУУ имеют прямые интерфейсы с коммутационным полем и функциональными блоками, вплоть до абонентского или линейного интерфейса/стыка. Как только от пользователя поступает запрос на установление соединения, сигнал об изменении состояния абонентской линии сразу передается в центральный процессор. Далее начинается процесс установления соединения или начинается процесс организации сеанса связи, где все этапы контролируются ЦУУ.
Рис.2 – Централизованная функциональная архитектура УК средства связи
ЦУУ выполняет анализ цифр набора номера, выбор исходящего тракта или направления связи, анализ абонентских данных на предмет разрешения или запрещения оказания тех или иных услуг связи. Данные по каждому этапу установления соединения, состоянию тракта и разъединению записываются в оперативную память ЦУУ. В процессе соединения ЦУУ обрабатывает сигналы внутри- или межстанционной сигнализации в соответствии с установленным стандартным протоколом, например ОКС№7, R1.5, SIGTRAN.
Установка приоритетов вызовов и соединений означает, что ЦУУ контролирует наличие приоритетов той или иной группы пользователей на основе абонентских данных. Заявки от пользователей с высшим приоритетом обслуживаются ЦУУ в первую очередь.
Управление маршрутами передачи трафика означает возможность выбора ЦУУ прямого или транзитного (альтернативного) маршрута переноса сигнала или трафика по сети связи.
Администрирование и техобслуживание предусматривает, что ЦУУ осуществляет контроль и управление станционными данными, хранение и обработку информации о правах и паролях персонала эксплуатации, выполняет функции техобслуживания. В частности, в процессе устранения последствий отказов, осуществляется ввод оборудования в рабочий режим, вывод оборудования из рабочего режима, конфигурация оборудования.
Диагностика, мониторинг и восстановление системы предусматривают, что ЦУУ постоянно проводит тестирование аппаратного и программного комплекса средства связи. В случае обнаружения сбоя или отказа ЦУУ последовательно запускает процедуры тестирования и устранения неисправностей. В наиболее критичных случаях, например при длительном отсутствии электропитания, производится автоматический останов с последующим перезапуском программного обеспечения управления. Также автоматически создается резервная копия баз данных и программ управления на внешних запоминающих устройствах ЦУУ.
Управление сетевыми элементами предусматривает, что данное средство связи, и соответственно ЦУУ, может выполнять функции узла управления и контроля по отношению к другим средствам связи. Здесь возможны процедуры удаленного запуска, перегрузки и блокировки аппаратных и программных компонент управляемых средств связи.
Достоинством централизованной архитектуры управления является простота реализации управляющего комплекса. Недостатком является невозможность масштабирования и, следовательно, ограничения «сверху» по обслуживанию поступающей нагрузки примерно до 6…8 тысяч абонентских номеров или портов. Другой проблемой централизованной схемы управления является надежность и живучесть. Для обеспечения надежности и живучести централизованной архитектуры управления нередко приходится дублировать ЦУУ на 100%, т.е. создавать второй управляющий комплекс, который работает параллельно основному, что увеличивает стоимость системы. Указанные недостатки частично преодолеваются в более сложной системе с распределенным управлением.
При иерархической функциональной архитектуре управления ЦУУ предоставляет возможность реализации некоторых функций управления групповым управляющим устройствам, как показано на рисунке.
Рис.3 – Иерархическая функциональная архитектура УК средства связи
Каждое ГУУ достаточно «интеллектуально», и в состоянии самостоятельно выполнять функции, переданные ему ЦУУ. В итоге ЦУУ не нагружается рутинными, стандартными задачами, что в целом обеспечивает увеличение числа обслуживаемых вызовов в единицу времени с помощью распределения нагрузки по ГУУ. В результате абонентская емкость средств связи увеличивается до 10 тысяч и более номеров или портов. Также существенно улучшаются возможности по наращиванию мощности управляющего комплекса при увеличении поступающего трафика за счет масштабируемости технического решения. При появлении новых абонентов увеличивается число ГУУ, причем блоки соединительных линий и блоки линий доступа находятся под непосредственным управлением ГУУ, выполняют все функции обслуживания вызовов организации сеансов связи. Линейные и абонентские интерфейсы находятся под контролем ИУУ. В иерархической архитектуре ЦУУ постоянно диагностирует и контролирует техническое состояние ГУУ, выводит из эксплуатации отказавшие ГУУ, в случае необходимости осуществляет перезапуск ГУУ.
Иерархическая архитектура обладает ещё одним достоинством – при выходе из строя какого-либо из ГУУ производится автоматическое перераспределение выполняемых заданий и система управления в целом продолжает функционирование.недостатком средства связи с иерархической архитектурой явялется необходимость координации работы многих ГУУ, например при работе с общими станционными данными, с абонентскими данными, которые хранятся в ЦУУ. Выход из строя ЦУУ может привести к останову средства связи в целом.
В квази-распределенной функциональной архитектуре управления на рис.4, ЦУУ по прежнему контролирует ГУУ, а ГУУ в свою очередь осуществляют практически все функции управления средством связи. В квази-распределенной архитектуре ГУУ могут быть назначены для управления отдельными группами блоков соединительных линий, блоков линий доступа. Иными словами, ГУУ могут быть сходными по функциональности, но отличаться друг от друга номерами обслуживаемых периферийных блоков. ГУУ поддерживают большую часть данных, необходимых для функционирования управляемой группы блоков, например сведения об абонентах.
В квази-распределенной функциональной архитектуре ГУУ отвечает за обработку цифр набора номера, определение маршрутов соединений, поддержание и обработку общестанционных данных, включая сведения обо всех абонентах, диагностику. За мониторинг и восстановление всей системы в целом и управление сетевыми элементами по-прежнему отвечает ЦУУ. Существует вариант, при котором одно из определенных заранее ГУУ, передавая сигналы управления по сквозной внутренней шине управления или через цифровое коммутационное поле, может управлять и перезагружать другие ГУУ.
Рис. 5 – Квази-распределенная функциональная архитектура УК средства связи
В результате абонентская емкость средства связи увеличивается до 300 тысяч номеров.
Квази-распределенная функциональная архитектура, отличается повышенной надежностью и живучестью. Имеется достаточно высокая степень масштабируемости. Сложность с координацией и управлением ГУУ решается за счет ЦУУ. Недостатком является наличие в архитектуре ЦУУ, отказ которого приводит к частичному или полному отказу всего средства связи в целом. Даже если функции ЦУУ при этом будет исполнять одно из ГУУ, его вычислительной мощности все равно не хватит на поноценную замену ЦУУ. С другой стороны, делать одно из ГУУ равноценным ЦУУ означает увеличение стоимости системы. Тем не менее, квази-распределенную функциональную архитектуру можносчитать компромиссом между сложностью исполнения, стоимостью решения и надежностью.
Наконец, рассмотрим предельный случай – распределенную функциональную архитектуру системы управления средством связи на рис.6.
Рис.6 – Распределенная (полностью децентрализованная) функциональная архитектура УК средства связи.
В этой функциональной архитектуре полностью отсутствует ЦУУ. Все базовые функции средства связи выполняются независимыми ГУУ. При этом может сохраняться «закрепление» ГУУ за функциональными блоками.
Групповые управляющие устройства в рассматриваемой схеме являются практически автономными и поддерживают все функции, необходимые для штатного функционирования средства связи. При обслуживании вызовов и установлении сеансов связи ГУУ обмениваются друг с другом программными командами управления через цифровое коммутационное поле. Абонентская емкость средства связи составляет до 500 тысяч номеров. Данная архитектура, как и все распределенные архитектуры, отличается высокой надежностью и живучестью. Также архитектура отличается высокой степенью масштабируемости. Недостатком является достаточно высокая сложность координации действий равноправных ГУУ.
В заключении следует отметить, что в настоящее время емкость средств связи определяется количеством эквивалентных портов. Порт эквивалентный – условная единица, соответствующая физическому порту с нормализованной скоростью передачи (200 бит/с, 64 кбит/с, 1 Мбит/с). Порт физический – аппаратное средство для реализации интерфейса, в том числе с внешней средой, на физическом уровне. Физический порт также реализует интерфейс со средой распространение сигнала электросвязи.
Использование микропроцессоров в средствах связи.
В целом МПр, которые используются в средствах связи, можно разделить на две группы с точки зрения общих технических возможностей обработки данных.
К первой относятся универсальные МПр (процессоры общего назначения). Эти процессоры предназначены для выполнения широкого набора вычислительных операций. В дополнение к стнадартным операциям, современные МПр могут выполнять на аппаратном уровне криптографические алгоритмы RSA и DSA с 2048-разрядным ключами для защиты информации (например, МПр типа UI-traSPARC T1).
Ко второй группе относятся специальные МПр, например процессоры цифровой обработки сигналов, сетевые процессоры. Эти процессоры предназначены для выполнения ограниченного набора вычислительных операций, но за счет, того, что эти операции поддерживаются аппаратными средствами, выполнение идет с высокой скоростью и минимальной задержкой по времени. Необходимость в таком решении возникает при цифровой обработке акустических и видео-сигналов, при обработке радиосигналов, в ходе кодирования/декодирования информации и т.п.
Следует отметить, что специальные МПр зачастую непосредственно подключены к физическим интерфейсам, к аппаратуре преобразования и кодирования, к различным датчикам, антеннам излучения, коммутационным приборам. Это позволяет уменьшить время реакции МПр на событие. В результате специальные МПр монтируются непосредственно в модули.
Специальные МПр могут реализовываться в виде микроконтроллеров – программируемых однокристальных вычислительных устройств с встроенным набором средств для ввода-вывода данных, применяемое для решения задач управления и первичной обработки данных. Иерархия процессов согласно их использованию в современных средствах связи представлена на рис.7.
Различают следующие специализированные МПр:
Сетевые (коммуникационные) процессоры реализуют аппаратную поддержку и управление интерфейсами и коммуникационными протоколами такими как Ethernet, HDLC, X.25, E1 (G.703), USB, ATM, а также аппаратную поддержку протоколов шифрования (IPsec). Примерами таких МПр являются Моторола МС683хх, МРС8хх, AMD Am186CC, Intel IXA IXP 2XXX, Intel IXP 4XXX. Кроме того, существуют специальные модемные процессоры для поддержки стандартов V.3x, V.9x.
Процессоры цифровой обработки сигналов, ПЦОС или цифровые сигнальные процессоры ЦСП (digital signal processor, DSP) предназначены для реализации методов цифровой обработки сигналов: фильтрация, спектральный анализ, смешение сигналов, масштабирование. Отличительной особенностью ПЦОС является обработка больших объемов данных в реальном времени, но с ограниченным набором операций.
Рис.8 – Функциональная иерархия процессоров в современных средствах связи.
Процессор цифровой обработки сигналов выполняют четко алгоритмизированные задачи кодирования, декодирования, ЦАП/АЦП. Примерами ПЦОС являются МПр типа TI TMS 320, Analog Devices ADSP 21xxx, Motorola DSP56xxx, Motorola DSP96xxx. Процессоры ПЦОС выполняют вычислительные операции (как правило, сложение и умножение) в системах анализа сигналов, при реализации кодеков или кодеров различного назначения. Эти процессоры широко применяются в системах сотовой связи стандартов GSM, CDMA для осуществления кодирования и сжатия исходного аналогового речевого сигнала. Аппаратная часть ПЦОС оптимизирована для выполнения операций с плавающей точкой или с целыми числами. Это позволяет за счет точности и скорости вычислений максимально точно кодировать, а затем воспроизводить переданные сигналы, особенно в условиях зашумления.
Процессоры встраиваемых (управляющих) приложений предназначены для автоматической реализации функций управления и обладают следующими основными свойствами:
