Глобальные сети на основе сетей с коммутацией каналов

В виду слишком большой стоимости выделенных линий очень часто стараются довольствоваться арендой динамически коммутируемых линий. Экономическая плата за коммутируемые линии разделяется теперь между многими абонентами этих линий. Чем больше абонентов находятся на линии, тем меньше оплата. Самые дешевые в этом плане - телефонные сети, поскольку этой сетью пользуются не абоненты, которые объединяют свои локальные сети, но и обыкновенные абоненты, которые пользуются услугами телефонной сети.

Итак, сети с коммутацией каналов предполагают наличие самих по себе физических линий, к которым подключены какие-то абонентские окончания (телефонные аппараты, компьютеры, другое оборудование), и способов мультиплексирования и коммутации этих линий. Как физические линии, так и способы мультиплексирования и коммутации могут быть: аналоговыми и цифровыми. При чем, именно в зависимости от способа мультиплексирования абонентских и магистральных каналов разделяют и типы телефонных сетей: аналоговые и цифровые.

Чтобы более точно определить разницу, попытаемся дать следующее определение: цифровыми телефонными сетями называются сети, в которых на абонентских окончаниях информация представлена в цифровом виде и в которых используются цифровые методы мультиплексирования и коммутации.

Аналоговые телефонные сети - сети, которые принимают данные от абонентов аналоговой формы, то есть от классических аналоговых телефонных аппаратов, а мультиплексирование и коммутацию осуществляют как аналоговыми методами, так и цифровыми.

О том, что цифровые методы обработки сигналов и дешевле и проще, мы уже с вами говорили неоднократно. Конечно же, особенно в последние годы, все усилия разработчиков ведутся по направлению перехода от аналоговых коммутационных сетей к цифровым. Но нам, в плане знакомства, нужно попытаться разобраться в принципах работы и тех и других. Поэтому мы и начнем с более старых, и в нашей стране наиболее распространенных, аналоговых телефонных сетей.

Аналоговые телефонные сети

Аналоговые коммутируемые каналы, создаваемые обычными аналоговыми телефонными линиями, - это наиболее "популярные" на сегодняшний день коммутируемые каналы. Официальное название аналоговых телефонных сетей на английском языке звучит как - PTSN (Public Old Telephone Service). Но, несмотря на их популярность, такие сети, к сожалению, малопригодны к организации глобальных связей. Коммутируемые аналоговые линии со средней пропускной способностью 9660 бит/с, оснащенные модемами, подходят только для таких пользователей, которые не очень требовательны к скорости реакции системы на их запросы (а таких в наше время становится все меньше и меньше:)

Как было уже отмечено ранее, разработчики во всю стремились к оцифровыванию как передаваемых данных, так и методов коммутации. Особенно в последние годы достаточно интенсивными темпами начался переход коммутаторов телефонных сетей на цифровые коммутаторы, которые работают на основе технологии TDM. Однако при этом сеть по-прежнему остается аналоговой телефонной сетью, даже если все коммутаторы будут работать по технологии TDM. От абонентов к ближайшей к ним АТС данные поступают в аналоговой форме, там они преобразуются в цифровые с помощью аналого-цифрового преобразования (ADC), и далее коммутаторы обрабатывают эти данные уже в цифровой форме. Только в случае замены всех коммутаторов в сети на цифровые удалось достичь пропускной способности в 56 Кбит/с, но такая скорость обеспечивается только в направлении "сеть- пользователь".

Такие линии чаще всего используются для индивидуального удаленного доступа к сети, или как резервные линии связи, например небольших офисов с центральным отделением предприятия. На английском языке доступ к телефонной сети звучит, как "dial-up access". В случае если нужно организовать режим, так сказать, "редкого общения" (когда количество передаваемых данных не очень велико, или данные не требуют частого обновления), то коммутируемыми аналоговыми линиями можно связать между собой и несколько (но очень мало) локальных компьютерных сетей. Например, две сети могут связываться по аналоговой телефонной сети, скажем, раз в сутки, и передавать в течение нескольких минут данные, а затем разрывать соединение. Этот режим "общения" редко, но все же имеет место в практике.

Телефонные сети имеют 2-проводное абонентское окончание. Абонент сначала делает вызов своего абонента-собеседника, затем получает прямое соединение. Соединение организовывается с помощью пары проводов с полосой пропускания от 300 до 3400 Гц. Вызов абонента может осуществляться двумя способами: с помощью импульсного набора с частотой 10 Гц или тонового набора с частотой 10 Гц.

Давайте, немного поговорим, в чем разница между этими двумя способами набора номера. При импульсном наборе длительность набора зависит от того, какие цифры образуют номер - например, цифра 0 передается десятью последовательными импульсами, цифра 9 - девятью и т. д. При тоновом наборе любая цифра передается подачей в сеть двух синусоидальных сигналов разной частоты в течение 50 мс (сопровождаемых паузой 50 мс). Поэтому набор номера тоновым способом в среднем в 5 раз быстрее, чем импульсный. Надо отметить, что в нашей стране тоновый набор номера, к сожалению, практически не используется.

Коммутаторы телефонной сети не имеют буфера для промежуточного хранения данных. Поэтому если абонент в данное время запроса занят или сам коммутатор исчерпал свои возможности по соединению входных и выходных каналов (занята АТС), то в соединении будет отказано. Для передачи дискретных данных по аналоговым коммутируемым сетям используются модемы, которые поддерживают процедуру вызова абонента. Пропускная способность коммутируемого аналогового канала заранее неизвестна. Потому как само соединение устанавливается модемами на скорости, которая подходит для реального качества канала. Так как качество коммутируемых каналов меняется в течение сеанса связи, то модемы изменяют скорость передачи данных динамически.

Еще один важный момент, который мы с вами выяснили, что в телефонных коммутаторах аналоговых линий могут использоваться два принципа коммутации:

· аналоговый, который основан на частотном разделении канала (FDM)

· цифровой, который основан на разделении канала во время (TDM)

Как вам уже известно, первый принцип не самый лучший. Он, как правило, сопровождается наличием значительного уровня помех. Эти помехи возникают как в коммутируемых каналах, так и порождаются самим методом коммутации на основе FDM (вы их можете услышать, кто имеет аналоговые телефонные аппараты "в виде" шумов и потрескиваний в трубке). Такие помехи, конечно же, существенно снижают качество коммутируемых каналов по сравнению с выделенными аналоговыми линиями.

Только переход на цифровые методы коммутации смог поднять уровень качества коммутируемых каналов, даже при том факте, что сигнал от абонента поступает в ближайшую АТС в аналоговой форме, то есть все-таки подвергается влиянию помех, которые потом отфильтровать уже невозможно. Теперь, когда мы немного разобрались, какие в аналоговых коммутируемых сетях могут использоваться методы коммутации, поговорим подробней о том, какие могут использоваться типы модемов.

Какие требования к используемым модемам, которые должны работать на коммутируемых линиях связи? Во-первых, поддержка процедуры автовызова абонента. Во-вторых, возможность подключения к 2-проводному окончанию; (аналоговые коммутируемые каналы имеют именно такое окончание). Чаще всего выпускаются модемы, которые работают и с выделенными и с коммутируемыми линиями. Но, они, конечно, дороже по стоимости, чем модемы, которые работают только на коммутируемых линиях. Комитетом "Международного Союза по Телекоммуникациям" ITU, ответственный за передачу голоса и данных, который называется Международным консультативным комитетом по телеграфии и телефонии (CCITT) был разработан ряд основных стандартов, которые определяют скорость и метод кодирования сигналов для передачи по коммутируемым каналам.

Стандарты первой группы являются основными и состоят из следующих спецификаций:

· V.21 - дуплексная асинхронная передача данных на скорости 300 бит/с;

· V.22 - дуплексная асинхронная/синхронная передача данных на скорости 1,2 Кбит/с;

· V.22 bis - дуплексная асинхронная/синхронная передача данных на скоростях 1,2 и 2,4 Кбит/с;

· V.26 ter - дуплексная асинхронная/синхронная передача данных на скоростях 1,2 и 2,4 Кбит/с;

· V.32 - дуплексная асинхронная/синхронная передача данных на скоростях 4,8 и 9,6 Кбит/с;

· V.32 bis - дуплексная асинхронная/синхронная передача на скорости до 14,4 Кбит/с;

· V.34 - дуплексная передача на скорости до 28,8 Кбит/с;

· V.34+ - дуплексная передача на скорости до 33,6 Кбит/с.

На практике сегодня в основном применяют модемы, поддерживающие стандарт V.34+, которые могут адаптироваться к качеству линии. Для реализации функций автовызова современные модемы поддерживают несколько способов. При работе с модемом по асинхронному интерфейсу обычно используется система команд, которая была предложенная компанией Hayes для своей модели Smartmodem еще в начале 80-х годов.

Что это за команды? Каждая такая команда состоит из набора обычных символов, передаваемых модему в старт-стопном режиме. Например, для указания набора номера в импульсном режиме необходимо послать модему команду ATDP. Это можно сделать даже вручную, если модем подключен к обычному алфавитно-цифровому терминалу через стандартный интерфейс RS-232C. Для синхронных интерфейсов между модемом и устройством DTE используются два стандарта автонабора номера: V.25 и V.25bis. Для модемов, работающих с DTE по асинхронному интерфейсу, комитет CCITT разработал специальный протокол коррекции ошибок V.42. В стандарте V.42 основным является протокол LAP-M (Link Access Protocol for Modems).

Протокол LAP-M принадлежит семейству HDLC и в основном работает так же, как и другие протоколы этого семейства - с установлением соединения, кадрированием данных, нумерацией кадров и восстановлением кадров с поддержкой метода скользящего окна. Основное отличие от других протоколов этого семейства - наличие специфических кадров XID и BREAK. С помощью кадров XID (eXchange Identification) модемы при установлении соединения могут договориться о некоторых параметрах протокола, например о максимальном размере поля данных кадра, о величине тайм-аута при ожидании квитанции, о размере окна и т. п. Эта процедура напоминает переговорные процедуры протокола РРР.

Команда BREAK (BRK) служит для уведомления модема-напарника о том, что поток данных временно приостанавливается. При асинхронном интерфейсе с DTE такая ситуация может возникнуть. Команда BREAK посылается в ненумерованном кадре, она не влияет на нумерацию потока кадров сеанса связи. После возобновления поступления данных модем возобновляет и отправку кадров, как если бы паузы в работе не было.

Почти все современные модемы при работе по асинхронному интерфейсу поддерживают стандарты сжатия данных. Сжатие данных увеличивает пропускную способность линии связи. Передающий модем автоматически сжимает данные, а принимающий их восстанавливает. Модем, поддерживающий протокол сжатия, всегда пытается установить связь со сжатием данных, но если второй модем этот протокол не поддерживает, то и первый модем перейдет на обычную связь без сжатия. При работе модемов по синхронному интерфейсу наиболее популярным является протокол компрессии SDC (Synchronous Data Compression) компании Motorola.

Существует еще один новый модемный стандарт - V.90. Этот стандарт представляют собой новую технологию, направленную на обеспечение недорогого и быстрого способа доступа пользователей к сетям поставщиков услуг. Он обеспечивает асимметричный обмен данными: со скоростью 56 Кбит/с из сети и со скоростью 30-40 Кбит/с в сеть. Стандарт совместим со стандартом V.34+.

Идея использование асимметричных модемов состоит в следующем. Как мы уже отмечали, в современных телефонных сетях часто единственным аналоговым звеном в соединении с сервером удаленного доступа является телефонная пара. Она связывает модем компьютера, с одной стороны, с коммутатором телефонной станции, с другой стороны. Такой канал оптимизирован для передачи речевых сигналов: максимальная скорость передачи данных определяется из условия предельно допустимого соотношения между шумами физической линии передачи и звукового сигнала при его оцифровывании, которая называется погрешностью дискретизации. Значение этой максимальной скорости задается стандартом V.34+ и равно 33,6 Кбит/с.

Однако все выше приведенные соображения справедливы только для одного направления передачи данных - от аналогового модема к телефонной станции. Именно на этом участке выполняется аналого-цифровое преобразование (ADC), которое вносит свою погрешность, которая называется - погрешность квантования. Эта погрешность добавляется к другим помехам линии и ограничивает скорость передачи 33,6 Кбит/с. Обратное же цифро-аналоговое преобразование (DAC) не вносит дополнительного шума, что делает возможным увеличение скорости передачи на участке - от телефонной станции к модему пользователя, до 56 Кбит/с (см. рисунок 22.1).

Рисунок 22.1 – Соединение модемов по стандарту V.90

Достоинством новой технологии является то, что для ее внедрения не требуется вносить какие-либо изменения в оборудование телефонной станции - нужно лишь изменить программу в цифровых модемах, установленных в стойках у поставщика услуг, а также загрузить в пользовательский модем новую программу либо заменить микросхему памяти в зависимости от модели и производителя.

Технология использования асимметричных модемов предполагает, что: сервер удаленного доступа поставщика услуг глобальной сети подключен к какой-либо АТС телефонной сети по цифровому интерфейсу, или же по выделенному каналу Т1/Е1. Так что цифровой поток данных, идущий от сервера, постоянно пересылается сетью в цифровой форме и только на абонентском окончании преобразуется в аналоговую форму. Если же сервер удаленного доступа подключен к телефонной сети по обычному аналоговому окончанию, то даже наличие модема V.90 у сервера не спасет положение - данные все равно должны будут подвергаться аналого-цифровому преобразованию, и их максимальная скорость не сможет превысить 33,6 Кбит/с.

При подключении же модемов V.90 к телефонной сети с обеих сторон обычным способом, то есть через аналоговые окончания, они работают как модемы V.34+. Такая же картина будет наблюдаться в случае, если в телефонной сети на пути трафика встретится аналоговый коммутатор.

Итак, на данный момент мы с вами уже определили достаточно много особенностей сетей с коммутацией каналов, а именно:

1. Сети с коммутацией каналов используются в глобальных сетях в основном как средство организации удаленного доступа многочисленных домашних пользователей и гораздо реже - для соединения локальных компьютерных сетей.

2. Сети с коммутацией каналов имеет следующие особенности: работают в режиме установления соединения, имеют возможность блокировки вызова конечным абонентом или промежуточным коммутатором, предполагают необходимость использования на обоих концах сети устройств, которые поддерживают одну и ту же скорость передачи данных.

3. Сети с коммутацией каналов делят на аналоговые и цифровые.

4. Аналоговые сети могут использовать аналоговую (FDM) и цифровую (TDM) коммутацию, но в них всегда абонент подключен по аналоговому 2-проводному окончанию.

5. Аналоговые сети обеспечивают вызов посредством импульсного или тонового набора номера с частотой 10 Гц, причем тоновый набор примерно в 5 раз быстрее импульсного.

6. Модемы для работы по коммутируемым аналоговым телефонным каналам должны поддерживать функцию автовызова удаленного абонента. При асинхронном интерфейсе модем использует для этого команды Hayes-совместимых модемов, а при синхронном интерфейсе - стандарт V.25 или V.25 bis.

7. Основные стандарты модемов для коммутируемых каналов тональной частоты - это стандарты V.34+, V.90, V.42 и V.42 bis. Стандарт V.34+ является общим стандартом для работы по выделенным и коммутируемым каналам при 2-проводном окончании. Стандарт V.42 определяет протокол коррекции ошибок LAP-M из семейства HDLC, а стандарт VC.42 bis - метод компрессии данных при асинхронном интерфейсе. В синхронном интерфейсе для коррекции ошибок используется протокол HDLC, а для компрессии - фирменный протокол SDC компании Motorola.

8. Стандарт V.90 полезен в том случае, когда между модемом пользователя и сервером удаленного доступа поставщика услуг все АТС обеспечивают цифровые методы коммутации, а сервер подключен по цифровому абонентскому окончанию. В этом случае скорость передачи данных от сервера к пользователю повышается до 56 Кбит/с за счет отсутствия аналогово-цифрового преобразования на этом направлении.