Способы коммутации в ТКС

В любой сети связи всегда применяется какой-либо способ комму­тации, обеспечивающий с помощью коммутаторов доступность име­ющихся физических каналов одновременно для нескольких сеансов связи между абонентами сети, каждый из которых соединяется с бли­жайшим коммутатором индивидуальной линией связи. В любой мо­мент времени эта линия используется только одним абонентом, а меж­ду коммутаторами линии связи используются совместно многими або­нентами.

Используются три принципиально различных способа коммутации абонентов в сетях: коммутация каналов, коммутация сообщений и коммутация пакетов. Сети с коммутацией сообщений и коммутацией пакетов относятся к типу сетей с промежуточным хранением переда­ваемой информации. Сети с коммутацией каналов и коммутацией пакетов разделяются, кроме того, на два класса - на сети с динами­ческой коммутацией и сети с постоянной коммутацией.

В сетях с динамической коммутацией соединение абонента с лю­бым другим устанавливается сетью по инициативе абонента, продол­жается определенное время (от нескольких секунд до нескольких ча­сов) и завершается также по инициативе абонента по окончании об­мена информацией. Такой режим работы поддерживают телефонные сети общего пользования, локальные сети, сети TCP/IP.

В сетях с постоянной коммутацией соединение между взаимодей­ствующими пользователями устанавливается персоналом сети на дли­тельное время (несколько месяцев и более). Режим постоянной ком­мутации популярен в сетях технологии SDH, где создаются выделен­ные каналы связи с пропускной способностью в несколько Гбит/с.

Некоторые сети поддерживают оба режима работы, например сети X 25 и ATM.

Коммутация каналов. При коммутации каналов между связывае­мыми конечными пунктами на протяжении всего временного интер­вала соединения обеспечивается обмен в реальном масштабе време­ни, причем биты передаются с неизменной скоростью по каналу с по­стоянной полосой пропускания. Между абонентами устанавливается сквозной составной канал связи до начала передачи информации. Этот канал формируется из отдельных участков с одинаковой пропускной способностью. Прохождение отдельного сигнала вызова обеспечива­ется с помощью последовательного включения нескольких коммута­ционных устройств, размещаемых в центрах коммутации каналов (ЦКК). Каждое устройство резервирует за собой физическое соедине­ние между одним входящим и одним исходящим каналами. Если при установлении сквозного канала связи занята вызываемая сторона или хотя бы одно из коммутационных устройств в цепочке прохождения сигнала вызова, последний будет блокироваться, и абонент, иниции­ровавший вызов, должен спустя некоторое время его повторить.

Время установления сквозного канала связи обычно бывает боль­шим из-за необходимости организации взаимодействия значительно­го числа устройств коммутации. После установления такого канала ЦКК выполняют минимальное число функций, хотя при этом может передаваться большой объем информации. Следовательно, при исполь­зовании метода коммутации каналов передача информации обеспе­чивается двумя основными составляющими в расходной части ресур­сов: ресурсами для организации вызова и ресурсами для поддержа­ния в ЦКК коммутационных устройств или для организации распределения временных каналов. Первая составляющая не зависит от объема передаваемой информации, а вторая прямо пропорциональ­на интервалу времени, в течение которого происходит соединение.

Коммутаторы и соединяющие их каналы должны обеспечивать одновременную передачу данных нескольких абонентских каналов, поэтому они должны быть высокоскоростными и поддерживать одну из двух техник мультиплексирования абонентских каналов:

•                     технику частотного мультиплексирования (FDM - Frequency Division Multiplexing - частотное уплотнение каналов), когда для раз-. деления абонентских каналов используется модуляция высокочастот­ного несущего синусоидального сигнала низкочастотным сигналом, порождаемым звуковыми колебаниями (частотное разделение харак­терно, таким образом, для аналоговой модуляции сигналов);

•                     технику мультиплексирования с разделением времени (TDM - Time Division Multiplexing - мультиплексирование с разделением вре­мени), когда аппаратура TDM-сетей (мультиплексоры, коммутаторы, демультиплексоры) работает в режиме разделения времени, 'поочеред­но обслуживая в течение цикла своей работы все абонентские кана­лы. Временное разделение характерно для цифрового кодирования. Сети TDM требуют синхронной работы всего оборудования, поэтому такая техника мультиплексирования имеет и другое название - тех­ника синхронного режима передачи. В настоящее время практически все данные (голос, изображение, компьютерные данные) передаются в цифровой форме, поэтому выделенные каналы TDM-технологии, обеспечивающие нижний уровень для передачи цифровых данных, являются универсальными каналами для построения сетей любого типа: телефонных, компьютерных, телевизионных.

В качестве недостатков метода коммутации каналов можно ука­зать следующие:

•                     большое время установления сквозного канала связи из-за воз­можного ожидания освобождения отдельных его участков;

•                     необходимость повторной передачи сигнала вызова из-за заня­тости вызываемой стороны или какого-либо коммутационного уст­ройства в цепочке прохождения этого сигнала (в связи с этим система, в которой реализуется метод коммутации каналов, относится к классу систем с потерей запросов на обслуживание);

•                     отсутствие возможности выбора скоростей передачи информации;

•                     наращивание функций и возможностей сети ограничено;

•                     не обеспечивается равномерность загрузки каналов связи (воз­можности по сглаживанию загрузки весьма ограничены).

Преимущества метода коммутации каналов:

•                     отработанность технологии коммутации каналов (первое ком­мутационное устройство появилось еще в конце XIX века);

•                     возможность работы в диалоговом режиме и в реальном масш­табе времени;

•                     обеспечение как битовой прозрачности, так и прозрачности по времени независимо от числа ЦКК между абонентами;

•                     гарантированная пропускная способность сети после установ­ления соединения (это важно при передаче голоса, изображения, уп­равления объектами в реальном масштабе времени);

•                     довольно широкая область применения. Сети с коммутацией каналов хорошо приспособлены для коммутации потоков данных по­стоянной скорости, когда единицей коммутации является долговре­менный синхронный поток данных между взаимодействующими або­нентами.

Коммутация с промежуточным хранением.

Отметим особенности всех методов коммутации с промежуточным хранением. Для них ха­рактерно, что заранее, до начала передачи информации, сквозной кат нал между отправителем и получателем не устанавливается. Вызы­вающий объект посредством набора номера или через выделенную линию связывается только с ближайшим узлом сети и передает ему информационные биты. В каждом узле имеется коммутатор, постро­енный на базе коммуникационной ЭВМ с запоминающим устройством (ЗУ). Передаваемая информация должна храниться в каждом узле по пути к пункту назначения, причем задержка в хранении, как правило, будет различной для узлов. Наличие ЗУ в промежуточных узлах свя­зи предотвращает потерю передаваемой информации, вследствие чего системы, реализующие рассматриваемые методы коммутации, отно­сятся к классу систем без потерь запросов на обслуживание. Одним из показателей этих методов является возможность согласования скоро­стей передачи данных между пунктами отправления и назначения, которое обеспечивается наличием в сети эффективных развязок, реа­лизуемых созданием буферных ЗУ в узлах связи. Наконец, для сетей с промежуточным хранением обязательным требованием является би­товая прозрачность. Требование же временной прозрачности, как пра­вило, ими не гарантируется.

Коммутация сообщений. Этот метод передачи данных был преоб­ладающим в 1960-х - 1970-х гг. и до сих пор используется в некото­рых областях (в электронной почте, электронных новостях, телекон­ференциях, телесеминарах). Как и все методы коммутации с проме­жуточным хранением, технология коммутации сообщений относится к технологии типа «запомнить и послать». Кроме того, технология ком­мутации сообщений обычно предусматривает отношение «главный - подчиненный». Коммутатор (коммуникационная ЭВМ) в центре ком­мутации сообщений (ЦКС) выполняет регистрацию и выбор при уп­равлении входящими и выходящими потоками. Здесь не рассматри­ваются интерактивный режим и работа в реальном масштабе време­ни, однако данные через коммутатор могут передаваться на очень высокой скорости с соответствующим определением уровней приори­тетов для различных типов потоков данных. Высокоприоритетные потоки задерживаются в очереди на обслуживание на более короткое время по сравнению с низкоприоритетными потоками, что позволяет обеспечить интерактивные прикладные задачи.

Важно отметить, что при коммутации сообщений сообщение, не­зависимо от его длины (разброс в длине сообщений может быть дос­таточно велик), целиком сохраняет свою целостность как единичный объект в процессе его прохождения от одного узла к другому вплоть до пункта назначения. Более того, транзитный узел не может начи­нать дальнейшую передачу части сообщения, если оно еще принима­ется. По своему влиянию на задержки это равноценно низкому уров­ню использования ресурсов сети.

Таким образом, коммутация сообщений предназначена для орга­низации взаимодействия пользователей в режиме off-line, при кото­ром не ожидается немедленной реакции на принятое сообщение.

Недостатки метода коммутации сообщений:

•                     необходимость реализации достаточно серьезных требований к емкости буферных ЗУ в узлах связи для приема больших сообщений, что обусловливается сохранением их целостности;

•                     недостаточные возможности по реализации диалогового режи­ма и работы в реальном масштабе времени при передаче данных;

•                     выход из строя всей сети при отказе коммутатора, так как через него проходят все потоки данных (это характерно для структуры «главный - подчиненный»);

•                     коммутатор сообщений является потенциально узким местом по пропускной способности;

•                     каналы передачи данных используются менее эффективно по сравнению с другими методами коммутации с промежуточным хра­нением.

Преимущества метода:

•                     отсутствие необходимости в заблаговременном (до начала передачи данных) установлении сквозного канала связи между або­нентами;

•                     возможность формирования маршрута из отдельных участков с различной пропускной способностью;

•                     реализация различных систем обслуживания запросов с учетом их приоритетов;

•                     возможность сглаживания пиковых нагрузок путем запомина­ния низкоприоритетных потоков в периоды этих нагрузок;

•                     отсутствие потерь запросов на обслуживание.

Коммутация пакетов. Появившаяся в 70-х гг. XX в. коммутация пакетов сочетает в себе преимущества коммутации каналов и комму­тации сообщений. Ее основные цели: обеспечение полной доступности сети и приемлемого времени реакции на запрос для всех пользовате­лей, сглаживание асимметричных потоков между многими пользова­телями, обеспечение мультиплексирования возможностей каналов связи и портов компьютеров сети, рассредоточение критических ком­понентов (коммутаторов) сети.

При коммутации пакетов пользовательские данные (сообщения) перед началом передачи разбиваются на короткие пакеты фиксиро­ванной длины. Каждый пакет снабжается протокольной информаци­ей: коды начала и окончания пакета, адреса отправителя и получате­ля, номер пакета в сообщении, информация для контроля достоверно­сти передаваемых данных в промежуточных узлах связи и в пункте назначения. Будучи независимыми единицами информации, пакеты, принадлежащие одному и тому же сообщению, могут передаваться одновременно по различным маршрутам в составе дейтаграмм. Уп­равление передачей и обработкой пакетов в узлах связи осуществля­ется центрами коммутации пакетов (ЦКП) с помощью компьютеров. Длительное хранение пакетов в ЦКП не предполагается, поэтому па­кеты доставляются в пункт назначения с минимальной задержкой, где из них формируется первоначальное сообщение.

Описанный режим передачи пакетов, предполагающий независи­мую маршрутизацию каждого пакета, называется дейтаграммным.

В отличие от коммутации сообщений технология коммутации па­кетов позволяет:

•                     увеличить количество подключаемых станций (терминалов), так как здесь больше коммутаторов;

•                     легче преодолеть трудности, связанные с подключением к ком­мутаторам дополнительных линий связи;

•                     осуществить альтернативную маршрутизацию (в обход повреж­денных или занятых узлов связи и каналов), что создает повышенные удобства для пользователей;

•                     существенно сократить время на передачу пользовательских данных, повысить пропускную способность сети и эффективность ис­пользования сетевых ресурсов.

Одной из концепций коммутации пакетов является мультиплекси­рование с помощью разделения времени использования одного и того же канала многими пользователями, что повышает эффективность функционирования ТКС. Логика коммутации пакетов позволяет муль­типлексировать многие пользовательские сеансы на один порт компь­ютера. Пользователь воспринимает порт как выделенный, в то-время как он используется как разделенный ресурс. Мультиплексирование порта и канала называют виртуальным каналом, а такой режим ра­боты - передачей пакетов по виртуальному каналу. Коммутация па­кетов и мультиплексирование обеспечивают сглаживание асиммет­ричных потоков в каналах связи.

Стоимость организации вызова для пакетной коммутации ниже по сравнению с соответствующей характеристикой метода коммута­ции каналов. Но с увеличением объема передаваемой информации стоимостная характеристика для пакетной коммутации возрастает быстрее, чем для коммутации каналов, что объясняется необходимос­тью больших ресурсов для обработки пересылаемой информации.

В настоящее время пакетная коммутация является основной для пе­редачи данных.

Символьная коммутация (иначе: субпакетная коммутация, или метод общего пакета) представляет собой разновидность пакетной коммутации. Она применяется в случае, когда пакет содержит инфор­мационные биты, принадлежащие различным пользователям.

При пакетной коммутации приходится находить компромиссное решение, удовлетворяющее двум противоречивым требованиям. Пер­вое из них - уменьшение задержки пакета в сети, обеспечиваемое уменьшением его длины, и второе - обеспечение повышения эффек­тивности передачи информации, достигаемое, наоборот, увеличени­ем длины пакета (при малой длине пакета длина его заголовка стано­вится неприемлемо большой, что снижает экономическую эффектив­ность передачи). В сети с пакетной коммутацией максимально разрешенный размер пакета устанавливается на основе трех факто­ров: распределения длин пакетов, характеристики среды передачи (главным образом скорости передачи) и стоимости. Для каждой пере­дающей среды выбирается свой оптимальный размер пакета.

При использовании символьной коммутации оптимальный размер пакета для конкретной передающей среды сохраняется с одновремен­ным уменьшением времени задержки пакета в сети. Это достигается за счет приема от нескольких пользователей по небольшому количе­ству символов (информационных бит) и загрузки их в один пакет об­щего доступа.

Анализ рассмотренных коммутационных технологий позволяет сделать вывод о возможности разработки комбинированного метода коммутации, основанного на использовании в определенном сочета­нии принципов коммутации сообщений, пакетов и символьной ком­мутации и обеспечивающего более эффективное управление разно­родным трафиком.