Мультиплексування з поділом довжин хвиль

Мультиплексування з поділом довжин хвиль (wavelength-division multiplexing – WDM) – це варіант частотного мультиплексування, який полягає в одночасному пересиланні окремих сигналів через оптоволоконний кабель на різних довжинах хвиль. Ця проста ідея тривалий час не могла бути ефективно реалізована.. Найбільша проблема полягала у відсутності відповідних підсилювачів для регенерації сигналу на довгих відрізках оптоволоконних трактів. Оскільки оптичні детектори не розрізняли довжин хвиль, то оптоелектронні системи, які працюють з багатьма довжинами хвиль, повинні були мати спосіб для оптичного розділення цих хвиль з використанням фільтрів або інших простих елементів, які здатні пересилати кожен сигнал через власний електронний регенератор. Однак до недавна розв’язання були непрактичними. Це обмеження зникло з винайденням техніки безпосереднього підсилення оптичних сигналів без їх проміжного переворення в електронну форму. Такі пристрої, опрацьовані наприкінці 1980-х років, зробили можливою революцію у застосуванні WDM. На відміну від регенераторів оптоволоконний підсилювач оперує безпосередньо з оптичними сигналами. Світло у вхідному сигналі стимулює збудження атомів ербію в оптоволокні, які випрмінюють більше світла тієї ж довжини хвилі. Оскільки довжина хвилі оптичного сигналу зберігається, то ербієві оптоволоконні пристрої можуть незалежно підсилювати окремі канали з різною довжиною хвилі без їх скремблювання.

Часове мультиплексування

Часове мультиплексування (time-division multiplexing - TDM): Цифрове мультиплексування, при якому два або більше явно одночасних каналів виділяють з того самого частотного спектру, тобто з потоку бітів, у якому почергові імпульси репрезентують біти, які належать різним каналам.

Мультиплексування може бути здійснене через почергове поступлення часових сегментів від різних сигналів у спільний передавальний шляху – процес, відомий як мультиплексування з поділом часу (time division multiplexing – TDM) або часове мультиплексування.

У типових системах TDM дані від багатьох користувачів поступають в часовий мультиплексор. Тоді комутатор сканера послідовно вибирає дані від кожного із користувачів для формування складного TDM-сигналу. Кожен шлях користувацьких даних сприймається як вирівняний в часі або зсинхронізований із будь-яким іншим шляхом користувацьких даних і з механізмом сканування. Якщо б із кожного із джерел даних можна було вибрати тільки один біт, то сканувальний механізм міг би вибирати значення біта, що поступає від кожного з багатьох джерел даних. Однак на приктиці сканувальний механізм звичайно виділяє слот даних, який містить багато бітів від даних конкретного користувача; далі комутатор сканера перемикається до наступного користувача і виділяє наступний слот і т.д.

Кожному користувачу на постійно приписано певну часову щілину, яка вміщає слот даних.

Часова щілина:

· Період часу, протягом якого певна діяльність керована особливими правилами.

· Часовий інтервал, який може бути визнаний і означений унікальним чином.

Часове мультиплексування багатьох сигналів можливе тільки тоді, коли можлива швидкість даних в каналі перевищує швидкість даних від усіх користувачів. Хоч TDM принципово можна застосувати як до аналогових, так і до цифрових сигналів, однак на практиці воно вживається виключно для цифрових сигналів. Результуючий складний сигнал теж цифровий.

Використання TDM дозволяє спростити завдання об’єднання в мережу різних типів телекомунікаційного обладнання. Без використання TDM телефони, факси та та інші пристрої для даних потребують використання окремих ліній. Звичайно голос, низькошвидкісні застосування даних використовують аналогові лінії, тоді як високошвидкісні застосування даних обслуговуються цифровими лініями. При використанні мультиплексування з поділом часу TDM-канал транспортує як голос, так і дані через те саме комунікаційне сполучення. Внаслідок вилучення кількості ліній, необхідних для переносу інформації, спрощується адміністрування мережею.

Одним із найбільш важливих питань при розгляді систем часового мультиплексування є проблема синхронізації. Для синхронізації використовують послідовність періодичних імпульсів, яка переносить інформацію про час, так що приймальний кінець каналу знає, як розміщені одиниці та нулі у вхідному потоці. Для подальшого важливо вказати на відмінності між поняттями синхронності, плезіохронності та асинхронності.

Синхронність:

· Належність до співвідношення між двома або більше сигналами, які повторюються і мають одночасну появу значівних моментів.

· Належність до синхронізму. “Синхронність” або “асинхронність” є відношеннями.

Плезіохронність:

· Співвідношення між двома сигналами, таке що їх відповідні значівні моменти з’являються номінально у тому самому темпі; а будь-які відхилення обмежені визначеними границями. Це не обмежує різницю фаз, яка може нагромаджуватися між двома значівними моментами протягом тривалого періоду часу.

У синхронних системах переходи у цифрових сигналах відбуваються із точно однаковою швидкістю. Відмінності у часі затримки пересилання цих сигналів або дрижання в мережі можуть обумовити появу фазових різниць між переходами. Ці фазові відмінності обмежені жорсткими границями. У синхронних системах всі тактові генератори когерентні, тобто всі вони базуються на одному стабільному годиннику - первинному еталоні часу (Primary Reference Clock – PRC). Точність первинного еталону часу краща від ±1´10¹¹ і забезпечується цезієвим атомним стандартом.

У плезіохронних сиситемах переходи у цифрових сигналах відбуваються із майже однаковою швидкістю (plesio=майже). Плезіохронні відмінності між тактовими генераторами виникають між двома мережами, якщо вони використовують різні PRC. Хоч ці еталонні годинники максимально точні, однак вони некогерентні і тому між ними виникають різниці.

В асинхронних системах переходи у сигналах не відбуваються із однаковою швидкістю. Це еквівалентне плезіохронним системам, в яких відмінності між частотами тактових генераторів значно більші. Ці генератори некогерентні, наприклад, вони можуть працювати від двох різних незалежних кварцевих генераторів. Звичайно системи пересилання асинхронні. Кожен термінал у мережі використовує власний тактовий генератор, не синхронізований з іншими. Це приводить до великих і неконтрольованих різниць між швидкостями даних у різних сигналах в мережі.

Мультиплексування сигналів, несинхронізованих один з одним, вимагає пристосування до найбільшого можливого відхилення сигнальної (бітової) швидкості цих сигналів. Тому в асинхронних системах мультиплексований сигнал повинен мати значно більшу швидкість від суми швидкостей його складових для врахуванням відхилень. Коли швидкість сигналів менша від максимально можливої, до для мультиплексованого сигналу генеруються надлишкові біти; це називають вирівнюванням бітами або набивкою бітів (bit stuffing). Внаслідок цього мультиплексування не здійснюється кратними кроками, що веде до дуже складної схеми мультиплексування та збільшує вартість обладнання.

У синхронних системах середні частоти всіх тактових генераторів однакові, бо частота кожного генератора походить від високостабільного первинного стандарту часу. Оскільки швидкості даних у всіх сигналах мають однакове номінальне значення, то це максимально спрощує схему мультиплексування. Різні сигнали нижчих рівнів можуть бути об’єднанні для отримання сигналу вищого рівня без вирівнювання. У свою чергу, сигнали нижчих рівнів розрізняються із вищих рівнів і їх можна безпосередньо виділити.

Плезіохронні мережі

Більшість сучасних телекомунікаційних систем використовують певну форму TDM для пересилання через маршрути з великими відстанями. Мультиплексований сигнал може бути висланий безпосередньо через кабельну систему, або він може модулювати коливання-носій для пересилання за допомогою радіохвиль. Прикладами систем із безпосереднім пересиланням через кабельну систему є Північноамериканська система T1, впроваджена у 1962 р., европейська система E1 і японська система J1. Американська, европейська і японська версії суттєво відрізняються між собою швидкостями пересилання та застосованими протоколами сигналізації і безпосередньо несумісні.

Ієрархії T1/E1 описують клас плезіохронних мереж, тому для неї використовують назву плезіохронна цифрова ієрархія (Plesiochronous Digital Hierarchy – PDH).

Т1 – це виділений цифровий телекомунікаційний канал (позначення “T” походить від trunk – магістраль), який забезпечує пересилання сигналів голосу, даних і відео із швидкістю 1.544 Мбіт/с у мережевій топології пункт-пункт. Для пересилання сигналів голосу або відео через цифровий канал ці сигнали попередньо повинні бути перетворені у цифрову форму, звичайно з використанням технології PCM. Цифрові сигнали об’єднуються (мультиплексуються) і пересилаються через окремий канал T1 з використанням техніки TDM.

Зручний спосіб для розуміння T1 полягає у його трактуванні з позиції перших двох рівнів еталонної моделі OSI – Фізичного і Канального. Позначення “T” відноситься до Фізичного рівня і характеризує електричні характеристики сигналу, такі як форма сигналів, рівні напруг тощо, тоді як позначення “DS” (цифровий сигнал) – до Канального рівня і описує передовсім питання формату даних і синхронізації – як дані виділяються з протоколів нижчих рівнів. Часто ці позначення вживають одне замість одного, що некоректно з технічного погляду.

E1 – це европейський еквівалент американського T1. Хоч як E1, так і T1 використовують канали 64 кбіт/с, однак вони відрізняються в багатьох аспектах. E1 – це виділений цифровий канал, який використовується в топології пункт-пункт із швидкістю пересилання даних 2.048 Мбіт/с і містить 32 канали (порівняно із 24 у T1). Із цих 32 каналів 30 каналів пересилають голос або дані, а два використовуються як службові. Із двох службових каналів один використовує часову щілину 16 і вживається для сигналізації та здійснення нагляду за каналом (наприклад, за тим, коли піднято або покладено телефонну трубку). Інший службовий канал використовує часову щілину 0 і вживається для синхронізації, управління каналом і контрою синхронізації рамок. Часова тривалість рамки E1 дорівнює 125 мкс. На відміну від T1, Е1 завжди забезпечує “чисті” канали 64 кбіт/с.

Дробові T1/E1 (fractional T1/E1) використовують таку ж технологію і спосіб під’єднання, як повні T1/E1, однак при цій технології відповідний канал T1 або E1 може бути подрібнений на окремі DS0 або їх групи, щоб надати користувачу таку смугу, яка йому необхідна. Користувач може не використовувати повну кількість наявних каналів (24 для T1 або 30 для E1), а вибрати потрібну йому кількість, заощаджуючи при цьому кошти. При цьому фізичний канал до користувача пропускає повну смугу T1 або E1 відповідно, однак корисне заповнення має тільки частина часових щілин. Невикористані часові щілини заповнюються “1”. Інші користувачі можуть використати решту часових щілин того самого каналу, чим осягається економія коштів. У пункті доступу цифрові сигнали DS0 від окремих користувачів мультиплексуються у повний канал T1/E1 (при цьому видаляють заповнення “1”), при потребі мультиплексуються далі та пересилаються. На приймальному кінці в пункті доступу сигнал DS1 демультиплексується так, щоб до кожного користувача висилати тільки потрібні йому часові щілини, а невикористані ним DS0 знову заповнити “1”. Користувачу пересилається повний сигнал DS1, а його термінальне обладнання CSU/DSU ігнорує всі невикористані канали DS0. Така форма отримання послуг поширена, зокрема, для доступу до Internet.

Схема мультиплексування описує ієрархію Т1 (таблиця 2.1).

Таблиця 2.1. Ієрархія T1.

Сигнальний рівень	Канал	Кількість каналів Т1	Кількість голосових кіл	Швидкість, Мбіт/с
DS0	-	1/24		0.064
DS1	T1			1.544
DS1C	T1C			3.152
DS2	T2			6.312
DS3	T3			44.736
DS4	T4			274.176

Легко зауважити, що швидкість у каналі T1C не кратна швидкості T1. Це пояснюється тим, що рамка T1C має довжину 1272 біти і суттєво відрізняється від 193-бітової рамки T1. Взагалі потік даних DS1C в каналі T1C і потоки даних вищих сигнальних рівнів трактуються просто як послідовності бітів.

Европейська ієрархія E1 наведена в таблиці 2.2.

Таблиця 2.2. Ієрархія E1.

Позначення	Швидкість, Мбіт/с	Кількість голосових кіл
E-0	0.064
E-1	2.048
E-2	8.448
E-3	34.368
E-4	139.264
E-5	565.148

Для порівняння схеми мультиплексування в стандартах ANSI та ITU-T зображені на рис.2.3.

Рис. 2.3. Порівняння схем мультиплексування в стандартах ANSI та ITU-T.

Ієрархія мультиплексування принципово проста, однак вона викликає ускладнення на практиці. Оскільки магістралі T1 або E1 із різним обладнанням продукують суттєво відмінні швидкості даних, то техніка вирівнювання (bit stuffing) застосовується на всіх рівнях плезіохронної ієрархії, що унеможливлює точну локалізацію рамок бажаного каналу всередині високошвидкісного каналу. Наприклад, для доступу до окремого каналу 2 Мбіт/с із каналу 140 Мбіт/с необхідно повністю демультиплексувати останній, використовуючи проміжні рівні, а потім повторно змультиплексувати потік, як це показано на рис. 2.4.

Рис. 2.4. Виділення або додавання каналу користувача в плезіохронній системі.

Інша проблема, пов’язана із великим обсягом мультиплексорного обладнання PDH у мережі, є управління. На своєму шляху через мережу виділений канал T1/E1 мусить проходити через певну кількість можливих маршрутів. Коли обсяг повторних під’єднань зростає, то складно зберегти точні записи взаємних сполучень обладнання. Це приводить до помилок, внаслідок яких не тільки неможливо встановити нове сполучення, але порушуються вже чинні сполучення, які переносять трафік.

Ще одне суттєве обмеження в PDH полягає у відсутності можливості моніторингу. Це пов’язане із недостатнім забезпеченням можливостей для управління мережею у форматах рамок PDH і викликає проблеми при забезпеченні безпомилковості для певних застосувань, таких як послуги пересилання відео та даних.

Синхронні мережі

Інший клас ієрархії – це ієрархія синхронних мереж.Цей клас ієрархії впроваджено на початку 1980-х років. Поширені дві системи синхронних цифрових мереж: SONET (Synchronous Optical Network) і SDH (Synchronous Digital Hiererchy). SONET є версією стандартів, опублікованих ANSI (T1.105, T1.105.01..T1.105.09, T1.119, T1.119.01), а SDH – це міжнародні стандарти, опубліковані ITU-T у 1989 році (G.707, G.708, G709, G.781, G.782, G.783, G.803).

Система SONET базується на основній швидкості 51.840 Мбіт/с; такий сигнал називають STS-1 (Synchronous Transport Signal, level 1). Позначення обладнання просте і позначає тип комунікаційного середовища, яким звичайно є оптоволоконний кабель, тобто OC-1 означає оптичний канал (Optical Carrier), який підтримує сигнал STS-1 і т.д. Система SDH базується на основній швидкості 155.520 Мбіт/с, яка у 3 рази вища від основної швидкості в системі SONET. Такий сигнал називають модулем синхронного транспорту Рівня 1 (Synchronous Transport Module, level 1 - STM-1). Типовими комунікаційними середовищами для STM-1 є оптоволоконний і провідний кабелі, однак специфікація BISDN описує інтерфейс користувач-мережа для STM-1, який оперує через коаксіальний кабель. На вищих рівнях мультиплексувння (вищих швидкостях) застосовують тільки оптоволоконні кабелі.

Стандарти SONET/SDH визначають ієрархію мультиплексування для утворення сигналів з вищою швидкістю через мультиплексування сигналів з нижчою швидкістю. Схема мультиплексування SONET/SDH гранично спрощена порівняно із плезіохронними системами, що привело до спрощення і здешевлення обладнання для мультиплексування. На відміну від PDH, SONET/SDH не використовує набивки бітів для компенсації різниці швидкостей даних у синхронних сигналах із нижчими швидкостями, які мультиплексуються. Швидкість пересилання даних у сигналах із вищими швидкостями є цілою кратною від швидкостей сигналів нижчих рівнів. Будь-який сигнал вищого рівня може містити довільну відповідну комбінацію синалів нижчих рівнів. Ієрархія мультиплексування дотримується принципу мультиплексування з почерговістю байтів (byte-interleaving multiplexing); таке розшарування байтів дозволяє бачити будь-який сигнал нижчого рівня безпосередньо із сигналів вищих рівнів, і сигнал нижчого рівня може бути виділений або доданий за один крок. Це дозволяє реалізувати максимально масштабовані структури.

Сигнал SDH ділиться на рівні для поділу функцій транспортування корисного навантаження через мережу. Кожен елемент мережі SDH відповідає за генерування та інтерпретацію свого рівня службової інформації, а також за пересилання контрольної інформації та інформації про статус того ж рівня до іншого обладнання, або за закриття свого рівня службової інформації. Коли корисна інформація поширюється через мережу, то кожен рівень закривається одним із елементів мережі загального класу – кінцевим обладнанням секції регенератора (Regenerator Section Terminating Equipment – RSTE), кінцевим обладнанням секції мультиплексора (Multiplexer Section Terminating Equipment – MSTE) або кінцевим обладнанням шляху (Path Terminating Equipment - PTE). На рис.2.5 зображений приклад мережі з позначенням функцій окремих рівнів. На рисунку використані такі позначення: CPE – обладнання у приміщенні користувача; AM/AD – мультиплексор/демультиплексор доступу; SDXS – синхронний цифровий крос; OR – оптичний регенератор.

Рис. 2.5. Типова багаторівнева комунікаційна мережа SDH.

Рекомендації ITU-T також визначають структуру мультиплексування, у якій сигнал STM-1 або OC-3 може транспортувати певну кількість сигналів з нижчими швидкостями як корисне навантаження. Це дозволяє переносити сигнали PDH між 1.5 Мбіт/с і 140 Мбіт/с через синхронну мережу. У термінології SDH мультиплексування не-SDH сигналів означає їх пристосування до структури та синхронізації сигналів STM-1, що робить їх придатними для транспорту через мережу SDH. Першим кроком при мультиплексуванні не-SDH сигналів є їх відображення (mapping). Для транспортування сигналів трафіку PDH сиситеми SONET/SDH визначають певну кількість контейнерів (Container – C), кожен із яких відповідає наявній номінальній плезіохронній швидкості (таблиця 2.3).

Таблиця 2.3. Відповідність між сигналами PDH і контейнерами SONET/SDH.

2.1.7.2.1.1.1.1.1. Сигнал	DS1	E1	DS2	E3/DS3	E4
Швидкість, Мбіт/с	1.544	2.048	6.312	34.368/44.736	139.264
Контейнер	C-11	C-12	C-2	C-3	C-4
Віртуальний контейнер	V-11	V-12	V-2	V-3	V-4

Сигнали трафіку PDH відображаються у контейнери відповідного розміру (рівня), як цього вимагає ширина смуги. Спосіб, у який це відбувається, включає процедуру заповнення бітами (bit stuffing), яка вживається у звичайних мультиплексорах PDH, для того, щоб збільшити швидкість сигналу PDH до наперед заданого значення.

Мультиплексування PDH-сигналу із швидкістю 139.264 Мбіт/с передбачає збільшення його швидкості до 149.76 Мбіт/с шляхом набивки бітів, що в наслідку створює контейнер C-4. Після того до кожного контейнера додаються 9 байтів контрольної інформації, відомої як службова інформація про шлях (path overhead – POH); ця службова інформація видаляється при реконструюванні оригінального сигналу[1]. Байти POH дозволяють оператору мережі здійснювати наскрізний моніторінг параметрів, наприклад, таких як коефіцієнт помилковості бітів. Контейнер і службова інформація про шлях разом утворюють віртуальний контейнер (Virtual Container – VC)[2] рівня 4 (VC-4). Далі до віртуального контейнера VC-4 додається вказівник; це утворює адміністративний блок (Administrative Unit – AU) рівня 4 - AU-4. Нарешті, доповнення AU-4 службовою інформацією для мультиплексора (Multiplexer Section Overhead - MSOH) та службовою інформацією для регенератора (Regenerator Section Overhead - RSOH) формує повний сигнал STM-1.

Мультиплексування сигналів із швидкістю 34.368 Мбіт/с подібне до описаного вище. Перша відмінність полягає у тому, що корисне навантаження 149.76 Мбіт/с може перености три сигнали 34.368 Мбіт/с. Друга відмінність полягає в наявності двох рівнів вказівників – один вказівник для VC-4 і по одному вказівнику для кожного із трьох сигналів 34 Мбіт/с. Зсинхронізований сигнал 34 Мбіт/с називають контейнером рівня 3 (C-3), а структура, утворена доповненням C-3 службовою інформацією про шлях (POH) називається віртуальним контейнером рівня 3 (VC-3). Три віртуальні контейнери VC-3 із їх вказівниками утворюють вторинний блок (Tributary Unit – TU) рівня 3 (TU-3); три TU-3 становлять корисне навантаження VC-4.

Стандарт G.709 визначає різні комбінації віртуальних контейнерів, які можуть бути використані для заповнення корисного місця в рамці STM-1. Процес заповнення контейнерів і додавання службової інформації повторюється на окремих рівнях SDH, внаслідок чого утворюється вкладена структура менших віртуальних контейнерів всередині більших. Цей процес повторюється, доки заповниться найбільший контейнер (VC-4 у Европі); тоді він завантажується як корисне навантаження у рамку STM-1, як це показане на рис.

Описані вище та інші варіанти мультиплексування PDH-сигналів проілюстровані рис. 2.6.

Рис. 2.6. Структура мультиплексування SDH (згідно з ITU-T G.707).

Вищі швидкості пересилання у системах SONET/SDH досягаються шляхом мультиплексування з почерговістю байтів. Вони є цілими кратними до основної швидкості 155.520 Мбіт/с, наприклад 622.08 Мбіт/с або 2488.32 Мбіт/с. Порівняльна таблиця 2.4 для основних параметрів SONET і SDH наведена нижче.

Таблиця 2.4. Порівняння основних параметрів SONET і SDH.

Оптичний рівень	Електричний рівень	Еквівалент SDH	Швидкість в каналі, Мбіт/с	Корисна швидкість, Мбіт/c	Швидкість службових сигналів, Мбіт/с
OC-1	STS-1	-	51.840	50.112	1.728
OC-3	STS-3	STM-1	155.520	150.336	5.184
OC-9	STS-9	STM-3	466.560	451.008	15.552
OC-12	STS-12	STM-4	622.080	601.344	20.736
OC-18	STS-18	STM-6	933.120	902.016	31.104
OC-24	STS-24	STM-8	1244.160	1202.688	41.472
OC-36	STS-36	STM-12	1866.240	1804.032	62.208
OC-48	STS-48	STM-16	2488.320	2405.376	82.944
OC-96	STS-96	STM-32	4976.640	4810.752	165.888
OC-192	STS-192	STM-64	9953.280	9621.504	331.776

Ієрархія SONET/SDH є, зокрема, основою для відображення потоків комірок мережі ATM у структуру рамок SDH.

2.4. Комутація в мережах “пункт-пункт”

Комутована мережа:

1. Комунікаційна мережа, така як публічна комутована телефонна мережа, в якій довільний користувач може бути сполучений з будь-яким іншим користувачем шляхом застосування комутації кіл, повідомлень або пакетів.

2. Будь-яка мережа, яка здійснює комунікаційні послуги з комутуванням.

У комутованих мережах комунікаційні ресурси сумісно використовуються багатьма користувачами. Комутовані телекомунікаційні мережі пересилають дані від джерела до призначення через послідовність мережевих вузлів.

Види комутації в мережах:

q комутація кіл (каналів);

q комутація повідомлень;

q комутація пакетів:

· комутація данограм;

· комутація віртуальних кіл;

q гібридна комутація.

Теперішні телекомунікаційні мережі відносяться до двох великих класів: мережі з комутацією кіл (каналів) (circuit switched) і мережі з комутацією пакетів (packet switched).

В мережах із комутацією кіл через мережу встановлюється визначений фізичний шлях, який існує протягом часу існування потреби в комунікації. Прикладом такої мережі є традиційна телефонна мережа. При цьому відомі вимоги до зв’язку в термінах ширини смуги, тривалості, використання і т.п., тому проста стратегія полягає у негайному резервуванні всіх ресурсів, необхідних для всіх телекомунікаційних систем, які сполучають джерело і призначення виклику, і утриманні зарезервованих ресурсів протягом повної тривалості сполучення. Це суть комутації кіл (каналів).

Мережі з комутацією пакетів маршрутують дані малими порціями (пакетами), кожен з яких пересилається через мережу незалежно від інших. У процесі, відомому як буферизація, кожен пакет тимчасово зберігається у кожному проміжному вузлі, а потім пересилається до наступного вузла, коли зв’язок між ними стає доступним. У передавальній схемі, орієнтованій на сполучення, кожен пакет звичайно проходить через мережу тим самим маршрутом, тому всі пакети звичайно досягають призначення у тому ж порядку, в якому вони були вислані. У схемі без встановлення сполучення (данограмній схемі) кожен пакет може поширюватися через мережу різними шляхами. Оскільки данограми можуть прибувати до призначення у порядку, відмінному від порядку їх висилання, їх нумерують і користувач у призначенні поже перевпорядкувати їх. В ідеальному випадку не існує взаємних завад між різними каналами і кожний комунікаційний канал незалежно пересилає пакети між відповідними передавальним і приймальним вузлами.

Пакетна комутація відрізняється від комутації кіл також тим, що жодні фізичні ресурси не призначаються доти, доки щось не пересилається. Якщо інформація буде передаватися, то вона ділиться на пакети або повідомлення, і джерела мережі призначаються для індивідуальних пакетів тільки на час тривання пересилання від одного пункту комутації до наступного. Маршрутування (раутінг) для викликів при комутації пакетів є суттєво простіший, ніж для викликів при комутації каналів.

Комутація кіл

Для комунікаційних мереж поняття комутації починалося з комутації кіл. Телефонні або телеграфні компанії забезпечували електричний шлях, який дозволяв одному пристроєві з’днуватися з іншим, наприклад, таким чином, що оператор вставляв з’єднувач в гніздо. Телефонні компанії першими об’єднали (змультиплексували) багато викликів в одному фізичному колі, застосувавши частотне розділення каналів або частотне мультиплексування (Frequency Division Multiplexing). Однак частотне мультиплексування виявило недостатню здатність до масштабування для потреб телефонії. Тому в 60-х роках телефонні компанії почали оцифровувати звукові сигнали і мультиплексувати їх у часовій області, застосовуючи часове розділення каналів або часове мультиплексування (Time Division Multiplexing - TDM). Сьогодні телефонна комутація TDM є комутацією кіл, хоч пристрої, які здійснюють функції комутації в цифрових колах, мають мало спільного з колишніми механічними комутаторами.

Недоліком TDM незалежно від того, чи застосовується виклик в TDM-системі, чи орендується цифрова лінія на весь час, є те, що її вартість однакова як при заповненні даними кожної часової щілини, так і при відсутності передавання. Як відомо, передавання даних при багатьох застосуваннях має “вибуховий” характер з випадковими інтервалами часу високого завантаження та його відсутності. Тому мережі, базовані на TDM (або на будь-якій мережі з комутацією кіл), мало здатні до пристосування до трафіку і тому неефективні. Нарешті, виділені кола є висококоштовною формою сполучення і встановлення кола шляхом використання комутаційної системи, спроектованої для голосової комунікації, має наслідком довгий час ініціації кола, а також високу вартість.

Комутація кіл:

1. Метод маршрутування трафіку через центр комутації від локального користувача або від іншого центру комутації, при якому сполучення встановлене між станцією, яка викликає, і станцією, яку викликають, доки це сполучення не припинене однією із вказаних станцій.

2. Процес, який на вимогу сполучає два або більше DTE і забезпечує виключне використання кола даних між ними, доки сполучення не припинене.

Це традиційний механізм телефонних сполучень. Перед використанням зв’язку встановлюється визначений фізичний (або віртуально фізичний) наскрізний шлях, призначений даному зв’язку протягом його тривання.

При комутації кіл існують три фази зв’язку:

· з’єднання кола;

· пересилання;

· розірвання кола.

Переваги комутації кіл:

· постійна затримка для всіх рамок, які належать тому ж повідомленню;

· ефективне пересилання для великих обсягів даних;

· відсутність додаткових витрат на заголовок пакету;

· відсутність затримок в чергах на проміжних вузлах.

Недоліки комутації кіл:

· додаткові витрати на встановлення зв’язку;

· неефективне використання наявної смуги;

· відсутність вбудованого механізму виявлення і корекції помилок;

· додаткові витрати на біти рамкування і захисні інтервали.

Незважаючи на інтенсивне поширення мереж з комутацією пакетів, технологія комутації кіл не може бути зігнорована, бо вона є більш доступною технікою, оскільки застосовується в звичайних телефонах, доступних для всіх. Всесвітня телефонна мережа, яка виглядає як одна спільнота, є найскладнішою системою, яка коли-небудь проектувалася і встановлювалася людством. Це понад 300 мільйонів телефонів у світі.

Комутація повідомлень

Повідомлення. В комунікаційних мережах поняття повідомлення фактично відповідає цьому поняттю у поточній мові. Наприклад, в системі резервування авіаквитків повідомленням є запит на резервування, який містить дату, номер рейсу, прізвище пасажира тощо. В системі електронної пошти повідомленням є окремий документ, який пересилається від одного користувача мережі до іншого. В системі передавання файлів повідомленням є файл, який пересилається. Важливою властивістю повідомлення з точки зору користувача є його цілісність як окремої одиниці комунікаційного процесу. Якщо користувач отримує тільки частину повідомлення, воно втрачає для нього сенс.

Відзначимо відмінність між поняттям повідомлення та його представленням. Як в мережах, так і в комп’ютерах, будь-яке повідомлення подається у вигляді рядка (послідовності) бітів. Вигляд цієї послідовності може змінюватися в процесі передавання повідомлення від передавача до приймача (наприклад, внаслідок його кодування, компресії, розділення на частини тощо) без зміни вмісту повідомлення. Послідовність бітів переноситься через фізичне середовище за допомогою сигналів.

Комутація повідомлень:

q Метод обслуговування трафіку повідомлень через комутаційний центр від локальних користувачів, або від інших комутаційних центрів, при якому трафік повідомлень буферизується і пересилається через систему.

Комутація повідомлень цілком відмінна від комутації кіл, оскільки при комутації повідомлень відсутнє встановлення фізичного шляху. Ціле повідомлення пересилається до наступного проміжного вузла, буферизується, контролюється на наявністьпомилок і тоді висилається до наступного проміжного вузла.

Перевага: можна пересилати блок даних необмежений розміру.

Недолік: велике повідомлення може займати канал тривалий час, тому виникають тривалі затримки, перш ніж інший вузол отримає доступ до каналу.

На сьогодні рідко використовується внаслідок великих затримок, натомість застосовується комутація пакетів.

Приклад використання: копіювання електронної пошти між двома UNIX-системами.

Комутація пакетів

Пакети. Зміна форм подання даних як послідовності бітів є однією з основних функцій комунікаційної мережі в процесі передаваня повідомлень. Це пов’язане передовсім з технологіями передавання даних. Повідомлення, представлені у формі довгих рядків бітів, звичайно діляться на коротші частини, які називаються пакетами. Пакети передаються через мережу як окремі об’єкти і в точці призначення з них відновлюється повідомлення. Пакети протоколів найнижчих рівнів ієрархії також називають рамками. Технологія формування пакетів від вищих рівнів до нижчих полягає у їх інкапсуляції (encapsulation).

Пакет:

q У комунікації даних – це послідовність бінарних знаків, включно з даними і сигналами управління, які пересилаються і комутуються як цілість.

Примітка: Дані, сигнали управління і можлива контрольна інформація про помилки організовані згідно з відповідним форматом.

 

Комутація пакетів:

q Процес маршрутування і пересилання даних методом адресації пакетів, так що канал зайнятий тільки протягом часу пересилання пакету і після завершення пересилання канал придатний для пересилання іншого трафіку.

Подібно до комутації повідомлень, тут відсутнє встановлення фізичного шляху. При необхідності дані фрагментуються на малі передавальні блоки – пакети. Кожен пакет пересилається до наступного вузла, контролюється на наявність помилок, буферизується і потім пересилається до наступного проміжного або кінцевого вузла. Варіантом комутації пакетів є комутація комірок. На відміну від мереж з комутацією пакетів, в яких переміщаються пакети різної довжини, мережі з комутацією комірок переміщають частини інформації фіксованої довжини, які називають комірками. Спрощення комутації комірок придатне для впровадження до обладнання і внаслідок цього до високошвидкісної комутації. Комутація комірок є відносно новою технологією, яка швидко здобуває популярність. На сьогодні найбільш відомою технологією з комутацією комірок є ATM (Asynchronous Transfer Mode).

Переваги комутації пакетів (комірок):

q ефективне використання наявної смуги, оскільки дані від інших джерел використовують те ж саме сполучення;

q низька затримка для інтерактивних даних;

q управління потоком може здійснюватьися в кожному проміжному вузлі.

Недоліки:

q два пакети із того ж повідомлення можуть мати різні маршрути і тому різні затримки;

q значні додаткові витрати при пакетуванні (адресна інформація і т.п.).

У технології комутації пакетів розрізняють два види послуг: послуги данограм і послуги віртуальних кіл. Інакше їх називають послугами без встановлення сполучення і послугами із встановленням сполучення.

Послуги данограм (datagram service) або послуги без встановлення сполучення (connectionless service). В мережах з комутацією пакетів - це пересилання, при якому кожен пакет кодується із заголовком, що містить адресу, яка дає можливість незалежного доручення пакету без додаткових інструкцій. Пакет, який передається у режимі передавання без сполучення, часто називають данограмою.

Данограма (datagram):

q При пакетній комутації – це пакет, незалежний від інших пакетів, який містить інформацію, достатню для його маршрутування від термінального обладнання даних (DTE), що створює дані, до DTE-призначення без розрахунку на першочерговість обмінів між обладнанням і мережею.

Примітка: На відміну від послуг кіл з віртуальним викликом, висилання данограми не викликає процедури встановлення або звільнення сполучення. Тому мережа може бути нездатна до забезпечення захисту від втрат