Методы коммутации абонентских систем в телекоммуникационных сетях

 

Основной задачей телекоммуникационных сетей является установление по запросу связи между двумя любыми абонентскими системами и организация эффективного информационного обмена между ними. Наиболее просто и полно эти требования могут быть реализованы в сетях ЭВМ с полносвязной топологией. Однако при большом количестве абонентских систем или значительной удаленности их друг от друга построение таких сетей становится экономически нецелесообразным [5, 11-13]. Поэтому в телекоммуникационных сетях применяются специальные методы и способы коммутации, обеспечивающие доступность имеющихся физических каналов одновременно для нескольких сеансов связи между различными парами абонентов сети. На рис. 2.27 показана типичная структура сети с коммутацией абонентских систем [16].

 

 

Рис. 2.27. Структура сети с коммутацией абонентских систем

 

Абонентские системы соединяются с узлами коммутации индивидуальными каналами связи. Между узлами коммутации каналы связи разделяются несколькими абонентскими системами, то есть используются совместно.

Существуют три принципиально различных метода коммутации абонентских систем в телекоммуникационных сетях:

- метод коммутации каналов;

- метод коммутации пакетов;

- метод коммутации сообщений.

Каждый из этих методов имеет свои преимущества и недостатки, но по прогнозам специалистов будущее принадлежит технологии коммутации пакетов, как более гибкой и универсальной.

 

Метод коммутации каналов

Метод коммутации каналов основан на образовании непрерывного составного физического канала из последовательно соединенных отдельных сегментов для прямой передачи данных между абонентскими системами. В сети с коммутацией каналов перед передачей данных выполняется процедура установления соединения, в процессе которой и создается составной канал.

Так, например, для установления соединения между АС1 и АС4 (рис. 2.27) по методу коммутации каналов АС1 необходимо передать запрос на установление соединения узлу коммутации УК1, указав адрес назначения АС4. УК1 выбирает маршрут образования составного канала, после чего передает запрос следующему узлу коммутации, в данном случае УК2. Затем УК2 передает запрос коммутатору УК5, а тот, в свою очередь, передает запрос УК3. Если АС4 принимает запрос на установление соединения, то она направляет по уже установленному каналу подтверждение АС1, после чего составной канал считается скоммутированным и абонентские системы АС1 и АС4 могут обмениваться по нему данными (рис. 2.28).

Время передачи данных t_ПД в сетях с коммутацией каналов в общем случае определяется объемом передаваемой информации и пропускной способностью канала. Наибольшая эффективность данного метода коммутации достигается при передаче с постоянной скоростью больших объемов информации между двумя абонентскими системами.

 

 

Рис. 2.28. Передача данных в сетях с коммутацией каналов: t_ФПЗ – время формирования и передачи запроса на соединение; t_ФПП – время формирования и передачи подтверждения соединения; t_УС – время установления соединения (коммутации составного канала); t_ПД – время передачи данных

 

Для организации дуплексного режима работы скоммутированного канала (передача данных ведется одновременно в двух направлениях) могут применяться технологии частотного (Frequency Division Multiplexing, FDM) или временного (Time Division Multiplexing, TDM) мультиплексирования.

В волоконно-оптических кабелях для организации дуплексного режима работы применяется передача данных в одном направлении с помощью светового пучка одной длины волны, а в обратном ‑ другой длины волны. Такая технология относится к методу FDM, однако для оптических кабелей она получила название разделения по длине волны (Wave Division Multiplexing, WDM).

К основным достоинствам метода коммутации каналов относится следующее:

- возможность использования коммутированного составного канала для организации дуплексного (диалогового) информационного обмена между абонентами:

- возможность организации информационного обмена между абонентами в реальном масштабе времени;

- обеспечение полной прозрачности канала при передаче информации.

Недостатками данного метода коммутации являются:

- снижение пропускной способности телекоммуникационной сети из-за монополизации большого числа сегментов составного канала связи одной парой абонентских систем на все время их информационного взаимодействия;

- значительные временные затраты на формирование канала связи в случае ожидания освобождения отдельных его сегментов;

- неравномерность загрузки каналов при передаче информационных потоков различной интенсивности (при пульсациях трафика).

 

Метод коммутации пакетов

Метод коммутации пакетов относится к логическим видам коммутации, так как при его использовании между взаимодействующими абонентскими системами формируется только логический канал.

Метод коммутации пакетов основан на разбиении формируемых абонентскими системами и передаваемых по сети информационных сообщений (данных) на сравнительно небольшие части, называемые пакетами. Длина пакетов, в отличие от сообщений, ограничивается некоторым фиксированным размером.

Каждый пакет снабжается заголовком, в котором указывается адресная информация (номера АС ‑ источника и ‑ приемника), необходимая для доставки пакета по назначению, а также номер пакета, который будет использоваться абонентской системой - приемником для сборки сообщения (рис. 2.29).

Пакеты передаются по сети как независимые информационные блоки и могут следовать от АС ‑ источника к АС - приемнику даже по различным маршрутам. Узлы коммутации ТКС принимают пакеты от АС ‑ источников и на основании адресной информации передают их друг другу, а в конечном итоге – АС - приемникам, в которых пакеты вновь объединяются в информационные сообщения.

 

 

Рис. 2.29. Разбиение сообщения на пакеты

 

Узлы коммутации пакетов являются более сложными по сравнению с узлами коммутации каналов. Они имеют внутреннюю буферную память для временного хранения пакетов на случай, если выходной порт в момент принятия пакета занят передачей другого пакета (рис. 2.30). В этом случае пакет находится некоторое время в очереди пакетов в буферной памяти выходного порта, а когда до него дойдет очередь, то он передается следующему узлу коммутации. Такая схема передачи данных с временным мультиплексированием позволяет сглаживать пульсации трафика в каналах связи и тем самым использовать их наиболее эффективным образом для повышения пропускной способности ТКС в целом (рис. 2.31).

На рис. 2.31 представлена временная диаграмма, иллюстрирующая принцип мультиплексирования пакетов. На первых трех осях изображены потоки пакетов, формируемые абонентскими системами АС1, АС2, АС3. Канал связи КС используется для обслуживания абонентских систем путем разделения во времени. Несмотря на пульсации передаваемых абонентскими системами пакетов канал связи загружен достаточно равномерно.

 

 

Рис. 2.30. Узлы коммутации пакетов

 

 

Рис. 2.31. Сглаживание пульсаций трафика в ТКС с коммутацией пакетов

 

В сетях с коммутацией пакетов сеансы информационного взаимодействия между конкретными парами абонентских систем в отдельных случаях могут быть более длительными, чем в сетях с коммутацией каналов. Однако при большом количестве абонентских систем и узлов коммутации средний объем трафика, передаваемого по сетям с коммутацией пакетов, значительно больше, чем в сетях с коммутацией каналов при одинаковой пропускной способности каналов связи.

Рис. 2.32 иллюстрирует в общем виде процесс передачи информационного сообщения из четырех пакетов от абонентской системы АС3 через узлы коммутации УК3 и УК5 к абонентской системе АС6.

 

 

Рис. 2.32. Передача данных в сетях с коммутацией пакетов: t_ФП – время формирования пакета; t_ПП – время передачи и буферизации пакета; t_К – время коммутации сегмента канала

 

Передача пакетов в телекоммуникационной сети может осуществляться двумя способами: дейтаграммным и на основе организации виртуального канала.

Дейтаграммный способ предусматривает передачу пакетов как не связанных между собой данных. В этом случае каждый пакет может следовать по сети любым возможным маршрутом и поступать к АС-приемнику в произвольном порядке.

Дейтаграммный способ не гарантирует высокую надежность доставки пакетов получателю, но обеспечивает высокую скорость информационного обмена, так как не требует предварительного установления соединения между АС и узлами коммутации сети. Кроме того, дейтаграммный способ передачи пакетов позволяет быстрее адаптироваться к изменениям в сети.

Организация виртуального канала предусматривает предварительный выбор единственного маршрута передачи пакетов между АС-источником и АС-приемником. Пакеты в этом случае передаются по сети в виде строгой последовательности связанных между собой данных. Основное свойство виртуального канала ‑ сохранение порядка поступления пакетов. При этом отсутствие в пункте назначения даже одного пакета исключает возможность передачи всех последующих пакетов.

При организации виртуального канала узлы коммутации сети запоминают маршрут для данного соединения, и все пакеты данного соединения отправляют по проложенному маршруту.

При использовании способа виртуальных каналов время, затраченное на установление виртуального канала, компенсируется последующей быстрой передачей всего потока пакетов. Узлы коммутации распознают принадлежность пакета к виртуальному каналу по специальной метке ‑ номеру виртуального канала, а не анализируют адреса АС - приемников, как это делается при дейтаграммном методе.

К основным достоинствам метода коммутации пакетов относится:

- более высокая по сравнению с методом коммутации каналов эффективность использования ресурсов телекоммуникационной сети;

- возможность сглаживания в разделяемых каналах связи пульсаций трафика;

- возможность использования каналов с различной пропускной способностью;

- высокая адаптивность к изменению условий передачи данных в сети.

Недостатками метода коммутации пакетов являются:

- неопределенность пропускной способности соединения между двумя взаимодействующими абонентскими системами;

- использование более сложных и дорогостоящих узлов коммутации;

- трудность организации интерактивного (диалогового) режима обмена данными и обмена данными в реальном масштабе времени.

 

Метод коммутации сообщений

Метод коммутации сообщений, как и метод коммутации пакетов, относится к логическим видам коммутации. Графическая иллюстрация метода приведена на рис. 2.33.

 

 

Рис. 2.33. Передача данных в сетях с коммутацией сообщений: t_ФС ‑ время формирования сообщения источником;

t_ПС ‑ время передачи и буферизации сообщения в памяти УК;

t_К ‑ время коммутации сегмента канала

 

Метод коммутации сообщений основан на передаче единого информационного блока данных (сообщения) между абонентскими системами с временной буферизацией этого блока в специализированной памяти промежуточных узлов коммутации. Сообщения в отличие от пакетов имеют произвольную длину, которая определяется не технологическими соображениями, а содержанием информации, составляющей сообщение. Например, сообщением может быть текстовый или графический документ, файл с кодом программы, электронное письмо и т.п.

Метод коммутации сообщений используется для передачи данных, не требующих высокой оперативности их обработки.

В телекоммуникационных сетях метод коммутации сообщений начал использоваться раньше, чем метод коммутации пакетов. Однако в настоящее время вытесняется последним, как более эффективным по критерию пропускной способности сети, и самостоятельно практически не используется.

В современных телекоммуникационных сетях метод коммутации сообщений используется только в отдельных сетевых службах прикладного уровня, не требующих высокой оперативности обработки информации, причем чаще всего совместно с методом коммутации пакетов.

 

Контрольные вопросы

1. Что называется каналом связи и какими особенностями он характеризуются?

2. В чем состоят основные признаки классификации каналов связи?

3. Что понимается под аналоговыми и цифровыми каналами связи?

4. Что понимается под проводными и беспроводными каналами связи?

5. Что понимается под симплексными, полудуплексными и дуплексными каналами связи?

6. Какие факторы, ограничивают скорость и дальность передачи сигналов по физическим линиям связи?

7. Что понимается под затуханием сигнала в линиях связи?

8. Что называется дисперсией в канале связи?

9. В чем отличие проводных и кабельных линий связи?

10. Что представляет из себя коаксиальный кабель, каких видов он быват?

11.Что представляет из себя волоконно-оптический кабель?

12. Что понимается под беспроводной линией связи?

13. В чем состоят методы аналоговой модуляции?

14. В чем состоят методы цифрового кодирования?

15. Принцип работы модемов. Классификация модемов.

16. Что называется модемными протоколами?

17. В чем состоит назначение и классификация методов и протоколов передачи данных канального уровня?

18. В чем состоят асинхронные методы и протоколы передачи данных канального уровня?

19. В чем состоят методы обнаружения и коррекции ошибок передачи данных канального уровня?

20. Какие методы существуют для восстановления искаженных и потерянных кадров?

 

ЛОКАЛЬНЫЕ СЕТИ ЭВМ