Основы построения телекоммуникационных сетей. Способы коммутации

Тема 3. Основы построения телекоммуникационных сетей

Занятие № 9. “ Способы коммутации ”

Практически невозможно предоставить каждой паре взаимодействующих абонентов свою собственную некоммутируемую физическую линию связи, которой они могли бы монопольно «владеть» в течение длительного времени. Поэтому в любой сети связи  всегда применяется какой-либо способ коммутации абонентов, который обеспечивает доступность имеющихся физических каналов одновременно для нескольких сеансов связи между абонентами сети.

Существуют три принципиально различные схемы (метода) коммутации абонентов в сетях: коммутация каналов (circuit switching), коммутация пакетов (packet switching) и коммутация сообщений (message switching). Их возможности и свойства различны. Каждая из этих схем имеет свои преимущества и недостатки, но по долгосрочным прогнозам многих специалистов будущее принадлежит технологии коммутации пакетов, как более гибкой и универсальной.

Развитие методов коммутации (историческая справка)

Исторически первым видом электросвязи был телеграф (1832 г.). Первая система коммутации – коммутация каналов – была разработана для сети телеграфной связи в 1850 г. Наряду с прямыми проключениями телеграфных трактов ”абонент – абонент” вскоре на промежуточных транзитных станциях стали организовывать переприем телеграмм. В дальнейшем этот процесс назвали коммутацией сообщений. После изобретения в 1876 г. телефона развитие сетей и их систем коммутации пошло быстрыми темпами. С самого начала телефонные сети строились на основе метода коммутации каналов, который доминирует на них по настоящее время. Таким образом, уже почти 150 лет известны и применяются два метода коммутации – коммутация каналов и коммутация сообщений. Однако в конце 40-х и начале 50-х годов XX века появился новый вид электросвязи – передача данных (ПД), базирующийся первоначально на телефонных сетях общего пользования с КК. Затем для ПД с целью обеспечения более высоких ВВХ стали создавать специальные сети данных, реализующие методы коммутации как каналов, так и сообщений.  Наконец, в 60-е годы в результате экспериментов с первыми глобальными компьютерными сетями были разработаны новые идеи коммутации на сетях ПД – метод коммутации пакетов в сочетании с асинхронным временным разделением каналов в системах передачи (протокол X.25). Сети с коммутацией сообщений послужили прототипом современных сетей с коммутацией пакетов и сегодня они в чистом виде практически не существуют.

Как сети с коммутацией пакетов, так и сети с коммутацией каналов можно разделить на два класса по другому признаку (продолжительности коммутации) - на сети с динамической (оперативной) коммутацией и сети с постоянной (долговременной) коммутацией.

В первом случае сеть разрешает устанавливать соединение по инициативе пользователя сети. Коммутация выполняется на время сеанса связи, а затем (опять же по инициативе одного из взаимодействующих пользователей) связь разрывается.

Во втором случае сеть не предоставляет пользователю возможность выполнить динамическую коммутацию с другим произвольным пользователем сети. Вместо этого сеть разрешает паре пользователей заказать соединение на длительный период времени. Соединение устанавливается не пользователями, а персоналом, обслуживающим сеть. Время, на которое устанавливается постоянная коммутация, измеряется обычно несколькими месяцами. Режим постоянной коммутации в сетях с коммутацией каналов часто называется сервисом выделенных (dedicated) или арендуемых (leased) каналов.

Примерами сетей, поддерживающих режим динамической коммутации, являются телефонные сети общего пользования, локальные сети, сети TCP/IP.

Наиболее популярными сетями, работающими в режиме постоянной коммутации, сегодня являются сети технологии SDH, на основе которых строятся выделенные каналы связи с пропускной способностью в несколько гигабит в секунду.

Некоторые типы сетей поддерживают оба режима работы. Например, сети Х.25 и АТМ могут предоставлять пользователю возможность динамически связаться с любым другим пользователем сети и в то же время отправлять данные по постоянному соединению одному вполне определенному абоненту.

Методы оперативной коммутации, в свою очередь, подразделяются на два основных класса: без накопления и с накоплением коммутируемых объемов сообщений в узлах коммутации (УК).

Метод оперативной коммутации без накопления информации в УК используется при КК и предполагает дисциплину обслуживания с отказами (СМО с отказами).

Метод оперативной коммутации с накоплением информации в УК используется при КС и КП и предполагает дисциплину обслуживания с ожиданием (с очередями) или комбинированную, т.е. с ожиданием и отказами (СМО с ожиданием или с ожиданием и отказами).

1. Коммутация каналов

Коммутация каналов применяется как в аналоговых сетях связи (с пространственным разделением каналов), так и в цифровых сетях связи (в основном, с синхронным  временным разделением каналов).

Коммутация каналов (КК) – это совокупность операций, обеспечивающая образование сквозного составного физического канала связи из последовательно соединенных отдельных канальных участков для прямой передачи сообщений (информации) между оконечными абонентскими устройствами через узлы коммутации.

Отдельные каналы соединяются между собой специальной аппаратурой - коммутаторами, которые устанавливаются на узлах коммутации сети. 

Главным, определяющим для КК является то, что сначала между ОУ образуется физический сквозной канал на все время передачи сообщения, а затем по нему осуществляется передача информации. В случае невозможности образования сквозного канала из-за занятости, неисправности каналов или устройств коммутации, вызывающий абонент получает отказ в обслуживании и должен повторить заявку на соединение (система обслуживания с отказами). При этом сообщение, подлежащее передаче, хранится это время в его памяти или в абонентском терминале (АТ). Таким образом, при КК не требуется накопления информации на узлах коммутации, однако подлежащая передаче информация в процессе установления соединения хранится у абонента или в его АТ, т.е. память – индивидуальная, децентрализованная.

На рис. 1а показан тракт сети с коммутацией каналов, содержащий три узла коммутации, а временная диаграмма обмена сигналами и передачи сообщения по сети изображена на рис.1б.

Обмен информацией между оконечными устройствами абонентов (ТА) производится в три этапа, которые называются фазой установления соединения (ФУС), фазой передачи (ФП) и фазой разъединения (ФР).

Фаза установления соединения (ФУС) начинается с того, что абонент Аб1 со своего абонентского устройства передает в коммутационную станцию (УПАТС) сигнал вызова и получает от него акустический сигнал ”ответ станции”. Затем абонент передает номер вызываемого абонента.  УПАТС анализирует адрес вызываемого абонента, определяет маршрут и исходящее направление (например, на РАТС1) и посылает в соответствии с используемой системой сигнализации линейный сигнал занятия соединительной линии, а также сигналы управления (категорию абонента, номер вызываемого абонента).

Процедура передачи сигналов управления повторяется на всех узлах сети, входящих в выбранный маршрут установления соединения (РАТС1, РАТС2). Станция РАТС2 посылает сигнал вызова абоненту Аб2 и после его ответа по сети от РАТС2 до УПАТС проходят линейные сигналы ”ответ абонента”, после чего в коммутационных полях систем коммутации проключается физический тракт от Аб1 до Аб2. Выделенные во время ФУС канальные ресурсы сети отдаются в полное распоряжение абонентов Аб1 и Аб2.

Фаза передачи (ФП). Время передачи сообщения зависит от длины передаваемого сообщения, скорости передачи и времени распространения сигнала.