Коммутация — процесс создания последовательного соединения
функциональных единиц, каналов передачи или каналов связи на то время, которое требуется для транспортировки сигналов.
При передаче сообщений используются следующие основные способы коммутации: коммутация каналов (КК), коммутация сообщений (КС), коммутация пакетов (КП), гибридная коммутация (ГК) (рис. 1.19).
Коммутация каналов представляет собой способ коммутации, при котором обеспечивается временное соединение каналов на различных участках сети для образования прямого канала между любой парой абонентских пунктов этой сети.
Коммутация каналов применяется, как правило, на аналоговых или односкоростных цифровых сетях связи. На таких сетях осуществляется статическое распределение сетевого ресурса или применяется фиксированная полоса пропускания, выделенная для передачи информации. При этом задержка сообщений минимальная и определяется только временем установления соединения.
Данный способ считается недостаточно гибким и на его основе практически невозможно построить мульти сервисную цифровую сеть с большим набором скоростей.
В цифровых сетях связи разновидностями классической КК являются способы многоскоростной коммутации каналов (МКК) и быстрой коммутации каналов (БКК).
Способ многоскоростной коммутации каналов является более динамичным по сравнению с обычной коммутацией каналов. При этом способе канал с минимальной скоростью передачи выбирается как базовый путем объединения базовых каналов формируется набор каналов с различными скоростями, кратными базовой. В качестве базовой могут быть выбраны, например, скорости 8 или 64 кбит/с. Затем в зависимости от требований пользователю представляется тот или иной составной канал.
При осуществлении быстрой или многоскоростной коммутации оптимально используются возможности полупроводниковых элементов коммутационного устройства, когда в любой момент времени канал обмена будет представлять собой комбинацию нескольких каналов с базовой скоростью.
Особенностью многоскоростной коммутации является предоставление канала по требованию в паузах речевого сигнала. Динамическое распределение полосы пропускания увеличивает эффективность сети связи, но при перегрузках часть речевых отрезков теряется. Кроме того, при реализации БКК и МКК полоса результирующего канала должна быть кратна полосе базового канала.
Коммутация сообщений — способ коммутации, при котором в каждой системе коммутации производится прием сообщения, его накопление и последующая передача в соответствии с адресом.
При применении способа коммутации сообщений используется накопление сообщения (или его части) в памяти центров коммутации, поэтому сообщение из оконечных пунктов сети связи передается в центр коммутации сообщений (ЦКС), затем в другой центр и т д., пока сообщение не достигнет того, с которым непосредственно связан оконечный пункт сети связи (ОПСС). Подобная поэтапная передача сообщения позволяет получить ряд положительных свойств для сети связи, что приводит к преимущественному использованию способа коммутации сообщений в современных сетях связи. В настоящее время существует несколько вариантов этого способа коммутации. Основными из них являются полный переприем сообщений и коммутация пакетов. В первом случае в центрах коммутации осуществляется переприем полного сообщения, во втором — лишь его части (пакета), что обеспечивает получение ряда преимуществ, которые будут рассмотрены далее.
Коммутация пакетов — способ коммутации, при котором сообщение делится на части определенного формата — пакеты, принимаемые, накапливаемые и передаваемые как самостоятельные сообщения по принципу, принятому для коммутации сообщений.
Каждому пакету присваивается адрес сообщения, а в ряде случаев — признак принадлежности определенному сообщению и его порядковый номер. Если все пакеты одного сообщения передаются по единому пути (по одному виртуальному каналу), то режим коммутации называется виртуальным, если же каждый пакет передается по самостоятельному пути — датаграммным.
Виртуальный канал — это логический канал, проходящий через телекоммуникационную сеть [13].
Способ коммутации пакетов соответствует механизму динамического распределения сетевого ресурса или переменной полосе пропускания, изменяющейся в зависимости от требования абонентов. Однако при этом имеют место случайные задержки информации. Способ КП является наиболее приемлемым для передачи данных, особенно при пачечной структуре трафика.Трафик — совокупность сообщений, передаваемых по сети электросвязи [14].
Следует отметить, что наряду со случайной задержкой информации применение способа КП связано и с другой проблемой — сложностью протоколов.
Одной из разновидностей КП является способ быстрой коммутации пакетов (БКП), использующий более простые протоколы. Также, как и при обычной КП, в сети с БКП организуются виртуальные каналы, и информация в заголовке пакета определяет, какой из каналов должен быть использован для передачи пакета. Для реализации БКП требуется строить сеть связи на волоконно-оптических линиях связи (ВОЛС), включая и абонентскую сеть, что обеспечивает большие скорости передачи сообщений и малые значения вероятности ошибки. Кроме того, в сетях с БКП проще технически реализовать узлы коммутации по сравнению с сетями с КП.
Ниже рассмотрим подробнее процедуры передачи сообщения между оконечными пунктами отправителя ОПССo и получателя OПCCп при применении различных способов коммутации на примере использования фрагмента сети связи, содержащей Е последовательно соединенных каналами связи центров коммутации ЦК1, ЦК2, ..., ЦКz (рис. 1.20).
Коммутация каналов.Сущность способа коммутации каналов (КК) при передаче сообщений заключается в следующем. В момент
времени t1(рис. 1.21) от ОПСС отправителя сообщения в центр коммутации ЦК, поступает заявка на соединение с оконечным пунктом сети связи (ОПСС) получателя. В течение времени установления соединения tус, производится установление соединения в ЦК, затем передается сигнал С, в ЦК, где также устанавливается соединение. Процедура продолжается до тех пор, пока не будут произведены все соединения в центрах коммутации (момент времени tz), и тогда отправителю посылается сигнал готовности, после получения которого от ОПСС отправителя передается сообщение, которое для цифровых сетей связи измеряется в L бит. Время передачи сообщения tp = L/Rb, где Rb — эффективная скорость передачи битов сообщений по цифровому каналу.
На рис. 1.21 через tpобозначено время распространения сигнала на участке между двумя ЦК.
Процесс передачи заканчивается после приема сообщения получателем в момент времени tk. Следует заметить, что в общем случае время установления соединения в центрах коммутации является величиной случайной для разных центров. Для упрощения оценок считаем, что tyc, является средним временем установления соединений.
Общее время доведения сообщения в соответствии с показанной на рис. 1.21 временной диаграммой определяется выражением
Из этого выражения следует, что коэффициент использования участка канала Rиспi. зависит от времени установления tус, и различен для разных участков канала. Наиболее эффективно используется последний участок канала (z — 1). Причиной низкой эффективности первых участков является необходимость создания прямого тракта до начала передачи сообщения. При отсутствии свободного канала на каком-либо участке установленные ранее соединения разрушаются, а потери времени на подобные не обслуженные вызовы являются основной причиной неэффективного использования пропуск- ной способности каналов в сетях коммутации каналов.
Метод КК широко применяется в телефонных сетях, представляющих пользователям диалоговую связь. Частным случаем КК является кроссовая коммутация, которой соответствуют долговременные соединения в ЦК, позволяющие организовать прямой (некоммутируемый) канал между ОП.
Цифровые сети КК делятся на синхронные и асинхронные. В синхронных цифровых сетях КК передающее и коммутационное оборудование синхронизируются от единого тактового генератора, что позволяет упростить и интегрировать процессы передачи и распределения информации в системах с временным уплотнением, но требует создания сложной системы сетевой синхронизации.
В асинхронных цифровых сетях КК передающее и коммутационное оборудование независимо синхронизируются автономными тактовыми генераторами, что обеспечивает определенную гибкость в выборе аппаратуры и согласование с существующими сетями передачи данных (например, телеграфными). Однако при этом появляются трудности, связанные с обеспечением помехоустойчивости передачи.
Коммутация сообщений. При использовании этого способа сообщение отправителя передается в ЦК,, где запоминается и передается в следующий ЦК. Процедура повторяется до тех пор, пока сообщение не достигнет ЦК„откуда через канал связи оно поступает в ОПСС получателя (рис. 1.22).
Началом цикла передачи является момент времени tn начиная с которого аппаратурой ОПСС отправителя производится обработка сообщения (анализ адреса и категории срочности, выбор исходящего тракта и т. д.). Время обработки является величиной случайной и зависит от состояния каналов связи, загрузки OПCC и центров коммутации и других факторов. Для получения приближенных оценок этого времени используется среднее время обработки сообщения в ОПСС или центре коммутации t, . После предоставления исходящего тракта передаются заголовок и данные, содержащиеся в сообщении. Процесс передачи от ОПСС к ЦК, заканчивается в момент t«. При передаче от ЦК, к ЦК и так далее все полностью повторяется. Последний этап содержит передачу сообщения из ЦК, в ОПСС получателя.
Таким образом, характерной особенностью способа коммутации сообщений при полном переприеме сообщений в центрах коммутации является поочередное занятие каналов и центров коммутации на маршруте передачи сообщения. Форматы сообщений определяются оптимизацией процедур обмена сообщениями между отправителями и получателями. Вследствие этого объем сообщений, как правило, не оптимален с точки зрения процедур обмена в сети связи. Полный переприем сообщений, имеющих в большинстве случаев длину, во много раз превышающую оптимальную, приводит длительным задержкам в центрах коммутации и необходимости иметь там запоминающие устройства весьма большой емкости. Эти обстоятельства и обусловили широкое применение способа коммутации пакетов.
Коммутация пакетов.При этом способе обмен сообщениями между отправителями и получателями реализуется при использовании двух протоколов (правил). Протокол обмена сообщениями является протоколом высшего уровня и обеспечивает непосредственный обмен сообщениями заданного формата между двумя ОПСС. Протоколом более низкого уровня является протокол пакетной коммутации, обеспечивающий доставку пакетов из места разделения сообщений на пакеты в место их формирования. Оптимальный выбор объема пакета позволяет уменьшить емкость запоминающих устройств и время задержки пакетов в центрах коммутации.
Доставка сообщения от отправителя к получателю в сети связи с пакетной коммутацией включает в себя процедуры получения сообщения от отправителя, образования пакетов, передачи пакетов посети связи, формирования сообщения и выдачи его получателю.
Процедура образования пакетов из сообщения и обратная процедура формирования сообщения из принимаемых пакетов могут осуществляться либо ОПСС отправителя и получателя сообщений, либо в центрах коммутации, с которыми непосредственно связаны ОПСС отправителя и получателя сообщений.
В первом случае базовая сеть связи реализует лишь протокол пакетной коммутации, а протокол обмена сообщениями осуществляется средствами ОПСС, обмен которых с центрами коммутации также производится пакетами. В частном случае, когда отправитель осуществляет ввод сообщений в форме пакетов, можно обходиться и без автоматизации процедур преобразования сообщений в пакеты.
Во втором случае ОП сети связи выдает в ЦК сообщения, т. е. обмен между ОПСС и ЦК реализуется по протоколу обмена сообщениями, в рамках которого, естественно, может быть применено и разбиение на пакеты. Затем реализуется процедура передачи пакетов в ЦК получателя, в котором осуществляется сборка сообщения, выдаваемого в ОПСС получателя.
Использование пакетной коммутации позволяет реализовать различные протоколы управления процессом доставки пакета от отправителя до получателя. Наибольшее распространение получили датаграммный способ и способ с установлением виртуального канала.
При датаграммном способе каждый пакет при перемещении в сети рассматривается как самостоятельный блок, доставляемый получателю (точнее, в элемент сети связи, реализующий процедуру формирования сообщений из принимаемых пакетов) в соответствии с приписанным ему адресом. Процесс передачи пакетов по одному маршруту датаграммным способом показан на рис. 1.23.
Предполагается, что процедуры формирования пакетов (сообщений) реализуются в ОПСС. Первый пакет сообщений передается точно таким же образом, как и при коммутации сообщений. При передаче второго пакета на участке ОПСС — ЦК, направления передачи сообщений одновременно передается пакет на участке ЦК, — ЦК . С момента передачи пакета с номером z ведется одновременная передача пакетов на всех участках направления передачи сообщений между ОПСС отправителя и ОПСС получателя сообщений. Способ коммутации пакетов приближается по характеристикам к способу коммутации каналов, сохраняя все преимущества коммутации сообщений.
можно формировать из нескольких сообщений, что целесообразно при очень малых их длинах.
Датаграммный способ относительно прост в реализации и обеспечивает минимизацию времени доведения сообщения получателю.
К недостаткам этого способа следует отнести:
1. Возможность нарушения порядка прибытия в ОП пользователя пакетов длинного сообщения ввиду независимости их маршрутов в сети, что требует сортировки пакетов в нужной последовательности.
2. Возможность различных задержек пакетов из-за отсутствия предварительного резервирования памяти в ОП пользователя для много пакетных сообщений, что приводит к перегрузке памяти ЦК пользователя.
3. Наличие тупиковых ситуаций снижает степень использования технологических ресурсов. В сети КП с датаграммным режимом такие ситуации возникают при условии, что поток поступающих в сеть пакетов превышает допустимый. Перегрузка сети приводит к циркуляции датаграмм, которые не могут быть переданы в ОП пользователя ввиду отсутствия свободной памяти в ЦК пользователя.
Для исключения указанных недостатков в сети КП применяются различные методы резервирования ресурсов (прежде всего памяти ОП пользователя или ЦК). Так, если датаграммный способ дополнить виртуальным вызовом, когда перед передачей основной информации ОП источника посылает служебный пакет в ОП получателя, запрашивающий ресурсы (требуемый объем памяти ОП получателя), на который получает ответный пакет готовности, то это значительно уменьшает вероятность тупиковых ситуаций из-за перегрузки ЦК пользователя. При получении отказа ОП источника не передает сообщения и тем самым не загружает сеть.
Фиксируя дополнительно путь передачи пакетов в маршрутных таблицах техузлов, через которые прошел служебный пакет вызова, можно значительно уменьшить вероятность нарушения порядка следования пакетов длинного сообщения. Эта разновидность КП называется коммутацией пакетов с установлением виртуального канала. При этом исключается циркуляция пакетов («петли») и появляется возможность контроля перегрузок за счет установления допустимого числа виртуальных каналов в сети. Заголовки пакетов (кроме первого) при использовании способа с установлением виртуального канала могут иметь меньший объем, чем при способе датаграмм, так как вместо полного адрес
а достаточно иметь лишь сведения о принадлежности к заданному маршруту, т.е. сведения об условном номере виртуального канала.
Гибридная коммутация.Сочетание достоинств способов КК и КП обеспечивается в гибридной коммутации, комбинирующей коммутацию каналов для сообщений, передаваемых в реальном масштабе времени (речь, сигналы телеуправления и телеметрии, факсимильные сообщения и т. д.), и коммутацию пакетов для данных. Распределение смешанного трафика определяется в этом случае при поступлении вызова ОП источника в сеть, в которой при этом часть пропускной способности магистральных каналов отводится под график, передаваемый в режиме КК, а другая часть — под трафик, передаваемый в режиме КП. Платой за широкие возможности способа ГК является увеличение аппаратно-программных затрат на реализацию L. Из рис. 1.24 видно, что для коротких сообщений
(L < L1) нет различий между способами полного переприема сообщений (ППС) и коммутации пакетов.
Сравнение способов коммутации.На рис. 1.24, а показан характер зависимостей времени доведения сообщения от его объема.
Для сообщений длиной L1< L < L2наименьшее время доведения обеспечивает способ коммутации пакетов, а наибольшее — способ коммутации каналов. При больших длинах сообщений (L < L) наилучшие результаты по времени доведения можно получить, используя способ коммутации каналов. Конкретные значения Li L и 4 определяются большим числом факторов, задаваемых характеристиками, входящими в качестве аргументов в формулы (1.14), (1.16) и (1.19).
На рис. 1.24, б показана зависимость коэффициентов использования каналов для рассмотренных способов коммутации, причем для способа коммутации каналов эти коэффициенты различны для разных участков тракта. На рисунке показаны графики этих коэффициентов для первого (КК1,), второго (КК2 ) и третьего (КК3 ) участков. Для способа коммутации пакетов коэффициент использования каналов не зависит от длины сообщения, так как структура пакета в любых случаях включает одинаковое количество служебных символов в составе заголовка пакета.
Достоинствами способа коммутации сообщений, обусловливающими его широкое применение в перспективных сетях связи, являются:
1. Более эффективное использование пропускной способности каналов связи. В настоящее время при применении способа коммутации каналов пропускная способность может использоваться лишь на 20...30%, а при применении метода коммутации сообщений — на 80...85 % и более. Это объясняется возможностью поэтапной передачи, не связанной с ожиданием установления соединения по всему тракту и, следовательно, отсутствием потерь времени на не обслуженные вызовы. Кроме того, коммутация сообщений обеспечивает эффективное использование одного канала в интересах различных направлений передачи сообщений. Особенно эффективно это осуществляется при пакетной коммутации. Эффект статистического управления в канале пакетами различных информационных направлений позволяет считать перспективным способ пакетной коммутации при передаче речевых и факсимильных сообщений в цифровой форме в цифровых сетях с интеграцией обслуживания.
2. Простота реализации многоадресной и циркулярной передачи сообщений.
3. Возможность более простой, чем при коммутации каналов, реализации приоритетной передачи сообщений высоких категорий срочности. Накопление сообщений в центрах коммутации позволяет организовать на маршрутах «обгон» сообщений низких категорий срочности сообщениями более высоких категорий.
4. Обеспечение обмена сообщениями между отправителями и получателями, использующими разнотипную аппаратуру ввода и вывода сообщений, в частности работающую с различными скоростями передачи сообщений.
5. Возможность передачи сообщений по участкам направлений передачи сообщений, имеющим каналы передачи сообщений с различными скоростями передачи.
Наиболее универсальным способом следует считать пакетную коммутацию, позволяющую осуществлять не только направленную передачу сообщений, но и диалоговый обмен.
Достоинством коммутации каналов является малое время доведения сообщения по уже образованному каналу, а также низкие требования к структуре сообщений и их форматам. Вследствие этого способ коммутации каналов также может использоваться в цифровых сетях с интеграцией обслуживания и в сетях передачи данных часто со способом коммутации пакетов. При обеспечении обмена сообщениями в конкретной ситуации может выбираться наиболее целесообразный способ коммутации. Например, при передаче больших объемов информации, как правило, эффективнее способ коммутации каналов, а для передачи короткого сигнала — способ пакетной коммутации.
