В настоящее время, в эпоху информационного взрыва, средства связи приобретают все большее значение в нашей жизни. Причем неэлектронные средства связи не выдерживают конкуренции с сетями электросвязи, или, как их еще называют, информационными сетями (ИС), главным образом из-за неизбежных временных задержек и возрастающей стоимости доставки информации. Сами ИС также претерпевают существенные изменения вследствие использования новой более совершенной техники, при этом основной тенденцией их развития является интеграция обслуживания пользователей и совместное использование коммуникационных и вычислительных ресурсов.
До недавнего времени ИС были представлены в основном телефонными и телеграфными сетями, дававшими возможность обмена разговорами и письменными сообщениями между людьми. Разработка и развитие систем факсимильной и видеосвязи добавляют к этой возможности передачу документов, схем и видеоизображений. Появление сетей передачи данных (СПД) позволило решить задачу обмена информацией между человеком и ЭВМ, а также между ЭВМ. Передача данных дополняется такой формой обслуживания пользователей, как обработка и доступ к банкам данных, например, в информационно-вычислительных системах (ИВС), автоматизированных системах управления (АСУ) различных уровней и т.д.
Совмещение всех этих видов обслуживания в одной сети, получившей название сети интегрального обслуживания (СИО), по оценкам ведущих советских и зарубежных специалистов становится генеральной линией развития информационных сетей в настоящий период и на более поздний период. Все это свидетельствует о важности интенсивного развития новых средств связи для реализации курса на интенсификацию общественного производства.
Исторически появившиеся первыми в области доставки информации аналоговые телефонные сети с момента своего возникновения в конце прошлого века практически претерпели изменения только в элементной базе построения (от ручного набора и релейных схем до современных электронных АТС). Только сравнительно недавно в телефонии стали использоваться средства вычислительной техники (микропроцессоры, мини и микроЭВМ). Но при этом возникло препятствие для дальнейшего развития телефонных сетей, в основе которых лежит аналоговая природа канальной аппаратуры и цифровая природа средств вычислительной техники для управления ими. Следует учитывать также существенный разрыв в качестве и надежности обеспечиваемых этими элементами телефонных сетей (современные цифровые средства имеют значительно лучшие показатели).
Естественным выходом из создавшегося положения является переход к цифровой телефонии, где полностью используются, включая канальную аппаратуру, дискретные (цифровые) элементы на микроэлектронной базе. Выход кажется простым: немедленно перейти к реализации цифровых телефонных сетей (ЦТС), обеспечивающих ряд преимуществ по сравнению с аналоговыми телефонными сетями. Такой переход потребует больших капитальных затрат. Но не это главное. Нельзя забывать, что большинство существующих СПД базируются на телефонных сетях, используемых ими в качестве первичных. При этом в технологической цепочке передачи данных по телефонным сетям неизбежно имеется такое оборудование, как модемы (модуляторы – демодуляторы), реализующие переход от цифровых сигналов средств вычислительной техники к аналоговым сигналам средств техники связи и обратно.
На первый взгляд можно предложить следующее решение: построить ЦТС, затратив на это достаточно большие средства и время, и использовать их (исключив модемы) для передачи данных. Но, к сожалению, это практически невозможно из-за существенного различия требований к пропускной способности каналов со стороны СПД и ЦТС. Причем имеет место разница в несколько порядков (от десятков килобит в секунду для телефонии до десятков мегабит в секунду для передачи данных).
Таким образом, необходимо искать другие, более эффективные пути дальнейшего развития средств обеспечения пользователя информационными ресурсами с использованием последних научно-технических достижений. Возможны следующие альтернативы.
- Автономное создание новых ЦТС и параллельное развитие СПД практически без использования (особенно на уровне магистральных КСв) средств новых ЦТС.
- Построение интегрированных цифровых сетей, обеспечивающих как доставку пользователям данных, так и речи (телефонного трафика). Причем за основу технологии доставки берется СПД, а телефонный трафик выступает в роли дополнительной нагрузки на сеть.
- Дальнейшая интеграция информационного сервиса пользователя, которая является основой прогресса в области систем информатики, а именно совместная доставка в единой цифровой форме данных, речи, телевизионных сигналов, факсимильных изображений и другой информации. Наиболее эффективно именно эту проблему и должны решить СИО
Но необходимо помнить, что хотя сети и создаются для удовлетворения требований пользователей в информационных ресурсах, существуют различные архитектурные и технологические трудности интеграции сервиса. Коротко остановимся на возможностях и перспективах их решения. В первую очередь, если за основу взять доставку данных как наиболее потребляемого сейчас и в ближайшем будущем продукта информационной индустрии, базирующейся на ЭВМ, а затем телефонию и другие виды информационного сервиса, то в качестве основной системной концепции выступает архитектура открытых систем (АОС), разработанная и принятая Международной организацией по стандартизации.
Исходя из перечисленных тенденций развития средств вычислительной техники и техники связи и эволюции их элементной базы, построение СИО в силу сложности решаемых при этом проблем и значительности капитальных затрат предлагается осуществить в несколько этапов (рис. 2.1).
Этап 1 характеризуется переходом к цифровым методам передачи и коммутации, т. е. строится так называемая интегральная цифровая сеть IDN (Integrated Digital Network) при аналоговых абонентских линиях и аналоговых телефонах. На этом этапе сохраняются обособленные СПД с коммутацией каналов и коммутацией пакетов.
На этапе 2 развития создается собственно цифровая сеть интегрального обслуживания ISDN (Integrated Services Digital Network), которая объединяет телефонную сеть и СПД с использованием цифровых телефонных каналов. На этом этапе обеспечивается передача речи в цифровой форме по абонентским соединительным линиям.
Этап 3 собственно означает переход ко второму поколению СИО, так называемых широкополосных сетей интегрального обслуживания BSN (Broadband Services Network), отличающихся от интегральных сетей первого поколения возможностью организации широкополосных цифровых каналов для передачи телевизионных программ, высокоскоростной передачи файлов, организации видеоконференций и т. п.
Ярко выраженное преобладание одного класса пользователей, а соответственно и трафика, над другими имеет место на этапе 2 развития СИО, когда класс телефонных пользователей создает основную нагрузку в ISDN. Однако статистические исследования и прогнозы развития предсказывают неуклонный рост объема «неречевого» трафика и уменьшение доли «речевого» трафика в общей нагрузке сети.
Современное состояние цифровой электросвязи в нашей стране можно охарактеризовать как нахождение на этапе 1 и проведение научно-исследовательских и опытно-конструкторских разработок для реализации этапа 2. Это еще раз подчеркивает актуальность рассмотрения проблем, относящихся к этапу 2, при системном учете эволюции СИО на этапе 3.
Дадим определение СИО как объекта управления (ОУ). Необходимо подчеркнуть, что сети интегрального обслуживания нельзя непосредственно отнести к таким известным классам сетей, как ИВС. Все перечисленные сети призваны реализовать обслуживание пользователей только в области доставки данных (из автоматизированных банков данных, результатов решения задач на ЭВМ и т. д.), обработанных с помощью вычислительных ресурсов, территориально удаленных от пользователей.
Рисунок 2.1 – Этапы построения СИО
Пользователями перечисленных сетей являются как различные организации, так и отдельные специалисты, занятые решением своих прикладных задач и нуждающиеся в информационном обслуживании, при автоматизации на различных уровнях: в системах автоматизации экспериментальных исследований (САЭИ), системах автоматизации проектирования (САПР), АСУ предприятиями и технологическими процессами (АСУП и АСУТП) и других системах коллективного пользования.
В качестве информационных ресурсов, которыми обеспечиваются пользователи ИВС или СПД, рассматриваются только данные. Естественно, что перечисленные и другие пользователи нуждаются и в доставке более широкого круга информационных ресурсов: речевой информации, текстов, видеоизображений и т. д., для чего сейчас используются соответствующие сети, которые либо полностью автономны от ИВС и СПД, либо связаны с ними только на уровне совместного использования (разделения) физических средств доставки информации (каналов связи).
Согласно определению МККТТ под СИО, т. е. ISDN, понимается такая сеть связи, в которой одни и те же устройства цифровой коммутации и цифровые тракты передачи используются для установления соединений более, чем одного вида связи, например телефонии, передачи данных и др. Следовательно, СИО можно определить как базовую сеть обмена интегральной цифровой информацией; как информационную сеть, т. е. совокупность системы передачи и распределения интегральной цифровой информации и системы управления; как коммуникационную подсеть универсальной ИВС.
Таким образом, под СИО будем понимать совокупность архитектурно-технологических методов и аппаратно-программных средств доставки информации территориально удаленным пользователям, позволяющую на единой цифровой основе обеспечить различные виды услуг (обмен оперативными, диалоговыми данными и файлами ЭВМ, речью, телевизионной и факсимильной информацией и т. п.) при обеспечении требований пользователей к своевременности и качеству добавки этой интегральной информации. Это определение СИО является обобщающим и не противоречит определению МККТТ.
Интеграция различных видов информационного обслуживания в рамках одной сети ставит при построении СИО ряд проблем, к основным из которых можно отнести: переход от аналоговой к цифровой технике связи; стандартизацию и унификацию доступа к СИО; управление СИО; планирование развития СИО, включая вопросы расширения обслуживаемых территорий, расширения состава пользователей, распространения обслуживания на подвижные объекты и т. д. Решение проблемы перехода от аналоговой к цифровой технике связи делает возможным интеграцию различных видов обслуживания в одной сети. Цифровая техника доставки информации имеет ряд преимуществ:
- Прогресс в технологии производства БИС уменьшает стоимость цифрового оборудования, на порядок снижает интенсивность отказов его элементов. В настоящее время надежно работают цифровые схемы с сотнями тысяч элементов при общем времени простоя несколько часов за 20 лет эксплуатации. Современная техника позволяет сформировать на кристалле площадью в несколько мм2 более 10 тыс. элементов при очень небольшом расходе материалов и электроэнергии.
- Цифровые методы передачи сигналов позволяют увеличить пропускную способность КСв. В настоящее время доступны такие широкополосные передающие среды, как оптические волокна и волноводы миллиметровых волн. Однако для полной реализации пропускной способности таких сред требуется помехоустойчивость, присущая цифровой технике. Низкая эффективность использования абонентских линий может быть повышена путем цифрового уплотнения. Данные с различными скоростями передачи гораздо эффективнее могут передаваться с помощью цифровой техники передачи, чем на базе аналоговой. Цифровыми методами в едином потоке могут передаваться речь, данные и сигналы изображений для пользователей, а также сигналы управления и контроля процессов установления соединений в сети.
- Цифровые методы обеспечивают возможность сложной обработки сигналов. Кодирование аналоговых сигналов дает возможность реализовать их цифровую обработку и существенно снизить избыточность, а использование недорогих микропроцессоров и микроЭВМ обеспечивает возможность более сложной их обработки. Цифровая информация может оперативно накапливаться без искажений в цифровой памяти, которая сейчас становится все более дешевой и позволяет более эффективно использовать оборудование сети и обеспечить такие преимущества, как регенерацию сигналов и изменение скорости передачи. Наконец, цифровые методы обеспечивают лучшие условия взаимодействия с ЭВМ и терминалами пользователей.
Таким образом, переход от аналоговых методов передачи к цифровым создает предпосылки для интеграции функций передачи, обработки и коммутации разнородной информации в одной сети, т. е. является основой для построения СИО. Поэтому, встав на путь создания СИО, необходимо форсировать переоснащение первичной сети цифровой техникой передачи и коммутации. Эта позиция в мировой практике признана единственно целесообразной.
Достижения в области цифровых средств связи способствуют развитию во Франции сетей типа ISDN. В этой сфере Франция оказалась среди лидеров, создав экспериментальную сеть TRANSFIX, работающую со скоростями передачи информации 40—2048 Кбит/с. Сейчас создаются сети с коммутируемыми услугами пользователям TRANSCOM (основная скорость передачи 64 Кбит/с) и TRANSDYN (1920 Кбит/с). Перечисленные сети уже не являются экспериментальными и имеют коммерческий характер, удовлетворяя пользователей по доставке информации в любой части страны. В отличие от Великобритании, где первыми пользователями ISDN являются крупные предприятия, расположенные в районах с большой плотностью населения и высокой деловой активностью, во Франции развитие таких сетей начинается с абонентского уровня.
В настоящее время ФРГ близка к реализации ISDN, которая разработана фирмой «Сименс» (Siemens, ФРГ). Эта интегральная цифровая сеть обеспечивает высококачественную цифровую телефонную связь, передачу текстовой информации и факсимильных изображений. Наряду с фирмой «Сименс» разработкой ISDN и ее элементов занимается также фирма SEL – филиал концерна ITT (США). В перспективе предполагается интеграция по телефонии, передаче текстов, факсимильной связи, передаче данных, передаче подвижных изображений и радиовещанию с использованием оптоволоконного кабеля при скорости передачи цифровой информации 140 Мбит/с.
Промышленные круги Японии стремятся занять лидирующее положение в мире в области новой информационной технологии на базе средств микроэлектроники, техники цифровой связи, аппаратуры оптоволоконной передачи и обработки информации.
В Японии широко развернуты работы по созданию цифровой сети типа ISDN, называемой INS (Information Network System). К реализации этой сети привлечены ведущие фирмы, работающие в перечисленных областях.
В перспективе будут широко внедряться широкополосные ISDN второго поколения, т. е. BSN со скоростью передачи информации по одному каналу 140 Кбит/с, обеспечивающие реализацию всех известных на сегодня и перспективных услуг пользователям.
Уже первые этапы реализации ISDN в этих странах позволяют сделать следующие выводы:
- сеть типа ISDN должна создаваться параллельно с существующими аналоговыми и цифровыми (неинтегральными) сетями и иметь возможность сопряжения с ними;
- абоненты сети типа ISDN должны иметь универсальный терминальный аппарат для возможности получения всех услуг сети, что приведет к существенной перестройке производства терминальной аппаратуры;
- внедрение ISDN в значительной степени автоматизирует труд управленческого персонала, разработчиков и проектировщиков новейших сложных систем, т. е. позволит интенсифицировать труд как раз в тех направлениях, которые определяют прогресс в развитых странах.
Все промышленно развитые страны уже начали испытания фрагментов (участков) сетей типа ISDN, реализующих различные подходы к их построению. Большое участие в исследованиях цифровых сетей в Западной Европе (ФРГ, Бельгии, Италии) принимает концерн ITT (США), особенно в пробной эксплуатации в ФРГ широкополосной сети BIGFON с интеграцией услуг.
Страны Общего рынка осуществляют программу RACE, по создание сети связи с волоконными линиями связи. Предполагается создать интегрированную широкополосную сеть связи IBC (Integrated Broadband Communications) коллективного пользования. Сеть IBC охватывает все существующие сетевые структуры, такие, как коммутируемые телефонные сети общего пользования, ISDN, системы кабельного телевидения, видеотелефон, конференц-связь и т.д. Упор делается на полностью цифровую технику коммутации и использование волоконной оптики. RACE-программа предусматривает разработку эталонной модели сетевой архитектуры IBC. В России также активно ведутся работы по созданию цифровых телефонных сетей и экспериментальных участков СИО.
Следующая проблема, связанная с построением СИО, — это стандартизация и унификация доступа к таким сетям. Именно идея стандартной и четко определенной структуры обмениваемой информации и процедур взаимодействия пользователей независимо от их типа, географической удаленности или области применения совместно с цифровыми методами передачи и коммутации оказывает революционную роль в развитии ИС. Данная идея получила свое оформление в виде системы протоколов обмена информацией (протоколов доступа к сети), имеющих многоуровневую структуру.
Протоколы обмена информацией в последнее время становятся основным «крепежным материалом» для построения распределенных систем обмена и обработки цифровой информации. Такие протоколы особенно важны при рассмотрении общей архитектуры сети, т. е. всей совокупности связей технических и программных элементов. В настоящее время разработка стандартных протоколов доступа к сетям интегрального обслуживания ведется под руководством МККТТ, однако точная структура таких протоколов еще не определилась. Основные принципы их формирования заключаются в следующем: интерфейс между абонентом (пользователем) и СИО предусматривает совмещение в абонентской линии двух режимов передачи — коммутации каналов (КК) и коммутации пакетов (КП); в режиме КК в абонентской линии может быть организован один или несколько каналов для передачи речи или данных со скоростью 64 Кбит/с, и, возможно, дополнительные каналы с меньшей скоростью; для передачи служебной информации и низкоскоростных данных предусматривается использование режима КП или коммутации сообщений (КС) при скорости передачи соответственно 16 или 8 Кбит/с.
Обмен разнородной информацией в рамках СИО и использование для этого нескольких режимов коммутации (КК и КП) усложняет проблему управления такой сетью.
Интенсивное развитие систем — пользователей СИО, таких как АСУ различных уровней; повышение требований к качеству доставки информации и ряд других факторов делают нереальным получение априорной информации о входящих потоках, на которой мог бы базироваться процесс разработки сети. Поэтому единственным рациональным путем достижения высокой эффективности СИО в этих условиях становится построение некоторой квазиоптимальной сети, которая за счет наличия избыточных ресурсов могла бы адаптироваться к конкретным условиям, имеющим место в процессе ее эксплуатации. Таким образом, основная роль в достижении высокой эффективности СИО принадлежит адаптивной системе управления (СУ).
Специфика СРЮ как объекта управления, т. е. уже упомянутая территориальная распределенность сети, приводящая к существенным запаздываниям в получении служебной информации и, как следствие, к практической разомкнутости обратной связи в СУ; дискретность; разномасштабность; стохастичность протекающих в ней процессов; многоуровневая иерархическая структура сети и другие факторы не позволяют использовать те методы, которые разработаны в классической ТАУ. Поэтому требуется разработка новых методов и средств исследования их эффективности.
К наиболее важным задачам, решаемым СУ и в значительной степени определяющим эффективность информационного обмена, относятся задачи управления коммутацией, маршрутизацией, ограничением потоков. Эти задачи, как и другие, не могут быть решены без учета концепции АОС, предложенной Международной организацией по стандартизации [20, 36, 147]. Ее основу составляет семиуровневая ЭМВОС, т. е. модель взаимодействия процессов обмена информацией в сети, включающая нижние четыре уровня (физический, канальный, сетевой, транспортный), определяющих так называемую транспортную сеть, и верхние три уровня процессов (сеансовый, представительный, прикладной).
Перечисленные ранее задачи управления относятся к уровню транспортной сети. Примером задач, решаемых на верхнем (прикладном) уровне управления, является задача планирования развития сети, которая в силу ее сложности и масштабности принимаемых решений выделена как отдельная проблема построения СИО.
При этом необходимо учитывать, что, хотя концепция ЭМВОС и соответствующие ей международные рекомендации, представленные в виде протоколов, разрабатывались исходя из достаточно общих предпосылок, нельзя рассматривать их как единственное универсальное средство для всех без исключения случаев построения распределенных ИС. Наличие таких рекомендаций, конечно, снижает трудоемкость проектирования и отладки средств управления сетями, а также служит архитектурной основой и гарантирует возможность их стыковки с другими сетями и системами, разработанными с учетом этих же стандартов. Но надо учитывать, что эти рекомендации косвенно способствуют формированию консервативного подхода к построению принципиально новых сетей (включая, конечно, и СИО), так как порождают опасность создания иллюзии излишнего универсализма и сковывают стремление к совершенствованию ранее найденных решений.
Если концепция ЭМВОС отражает архитектурную основу построения СИО, то технологической базой создания таких сетей являются микропроцессоры как в виде специализированных микропроцессорных наборов, разработанных специально для решения сетевых задач управления, так и в составе универсальных микро-и мини-ЭВМ, серийно выпускаемых промышленностью, которые устанавливаются в центрах управления (узлах коммутации) СИО. Проведенные исследования и проработка отдельных решений в области построения аппаратно-программных средств цифровых сетей говорят об эффективности использования микропроцессорных средств для реализации СУ. Работы по отработке вопросов структурной и схемной реализации элементов СИО на микропроцессорной базе также свидетельствуют о необходимости и эффективности такого подхода при практической реализации создающихся СИО.
Последней среди перечисленных является проблема развития СИО, решение которой позволяет наметить наиболее эффективный путь эволюции сети. В общей проблеме планирования развития, возникающей при построении и эксплуатации СИО, можно выделить ряд задач, требующих взаимной увязки и совместных оптимизационных решений.
Первая из этих задач — проведение анализа потребностей пользователей в услугах связи, для удовлетворения которых создается сеть. Такой анализ включает определение ожидаемых объемов информационных потоков, распределение их в пространстве и времени. Здесь планирование заключается в уточнении видов и объемов традиционных и новых услуг связи, выборе правильных соотношений между объемами и характером распределения потоков, созданных этими услугами. К прогнозированию услуг наряду со связистами должны быть привлечены специалисты в области экономики, социологии, сферы обслуживания и другие.
Вторая задача планирования развития – оптимизация структуры СИО и распределения в ней информационных потоков. Имеющиеся алгоритмы, позволяющие с помощью ЭВМ решать эту задачу для существующих телефонных сетей или СПД, должны быть модернизированы с учетом специфики СИО. При оптимизации структуры СИО также следует учитывать новые возможности, создаваемые в результате прогресса техники связи (оптические кабельные линии, спутники связи, электронная коммутация и т. п.).
Третья задача, возникающая уже на фазе эксплуатации СИО,— это экспериментальное исследование таких систем. Экспериментальные исследования сети вследствие ее распределенности выполняются службой сетиметрии СИО с использованием собственных ресурсов (т. е. ресурсов исследуемой сети), всвязи с чем необходимо проработать вопросы планирования эксперимента, организации сбора и обработки экспериментальной информации, хранения этой информации и т. п.
Таким образом, на основании рассмотренных проблем построения СИО необходимо подчеркнуть следующее.
Электросвязь является одной из самых динамичных отраслей мировой экономики, что связано с возрастающими потребностями в средствах доставки информации различных видов. Средний темп развития сетей электросвязи в мире устойчиво превышает темп роста валового национального продукта в экономически развитых странах в 1,5—1,8 раз.
В настоящее время во всем мире идет процесс перевооружения сетей электросвязи на основе достижений микроэлектроники, вычислительной техники, технологии изготовления высокопрозрачных материалов и пр. Важнейшими направлениями перевооружения сетей и техники электросвязи являются цифровые системы передачи информации, электронные и электронно-оптические системы коммутации и системы волоконнооптической и спутниковой связи.
Наряду с традиционными видами электросвязи (телефония, телеграфия, передача радиовещательных и телевизионных программ) появились такие новые виды связи, как передачи данных, факсимильная связь, видеотекст, телетекст, конференцсвязь и др. Наиболее перспективным решением проблемы удовлетворения растущих потребностей пользователей в информационном обслуживании является реализация концепции цифровых сетей интегрального обслуживания.
