Кроссовая коммутация

Рассмотрим две сети одинаковой топологии. Первая из них – сеть автомобильных дорог, вторая – телекоммуникационная. Структуры обеих сетей представлены на рисунке 2.7.

Две сети одинаковой топологии

Рисунок 2.7

Для сети автомобильных дорог показан маршрут между городами "D" и "B", проходящий через транзитный пункт "A". Если считать, что приведенная структура сети автомобильных дорог подобна четырехугольнику, то длина пути между городами "D" и "B" составляет: DA + AB. Время "T1", необходимое на переезд между этими городами со средней скоростью "V1", оценивается известным из начального курса физики выражением:

T1 = (DA + AB) / V1.

Теперь рассмотрим телекоммуникационную сеть. Пусть нас интересует более длинный маршрут – между городами "D" и "C", проходящий транзитом через пункты "A" и "B".

T2 = (DA + AB + BC) / V2.

Для реальных расстояний между городами и скоростей автомобилей всегда будет справедливо неравенство T1 >> T2. Это неравенство объясняется тем, что информация в телекоммуникационных сетях передается практически со скоростью света, то есть V2 >> V1. С практической точки зрения подобные рассуждения означают, что транзитные соединения (без задержки информации для ее обработки) в местных сетях электросвязи не приводят к заметному росту времени распространения электромагнитных сигналов.

Этот вывод подводит нас к идее применения кольцевых топологий в местных транспортных сетях. Рассмотрим рисунок 2.8.

Кольцевая топология местной транспортной сети

Рисунок 2.8

Объединение всех узлов транспортной сети, в качестве которых показаны МВК, осуществляется за счет прокладки кабеля (либо строительства цифровой РРЛ) по кольцевой схеме. В каждом МВК происходит такое распределение ресурсов, что все узлы коммутируемых (вторичных) сетей могут быть связаны между собой необходимым способом. На рассматриваемом рисунке для МВК1 показан вариант, когда все узлы могут быть соединены прямыми пучками линий передачи (V12, V13 и V14), то есть реализуется структура связи типа "каждый с каждым". Эта структура называется также полносвязным графом [21].

На рисунке 2.8 между МВК1 и МВК4 показана пунктирная линия, которая собственно и "замыкает" кольцо. Эта линия также участвует в формировании цифровых трактов, необходимых коммутируемым сетям. К подробному анализу принципов обеспечения коммутируемых сетей канальными ресурсами мы еще вернемся. Сначала целесообразно рассмотреть те виды ресурсов, которые могут быть использованы в транспортных сетях.

Несколько возможных вариантов, связанных с канальными ресурсами, показано на рисунке 2.9. Верхняя часть рисунка иллюстрирует простейший случай, когда три линии передачи образованы отдельными парами ОВ в общем кабеле (ОВ12, ОВ13 и ОВ14). В этом случае выполняются очень простые функции кроссовой коммутации.

Варианты распределения канальных ресурсов

Рисунок 2.9

В нижней части рисунка 2.9 представлен вариант деления ресурсов цифрового тракта. Если потребность в канальных ресурсах между узлом "1" с узлами "2", "3" и "4" составляет V12, V13 и V14 соответственно, то в цифровом тракте будет выделена несколько большая пропускная способность: ]V12[, ]V13[ и ]V14[. Знак “] [“ означает округление до некого значения, которое определяется модульностью используемой ЦСП. Например, если V12 равно 110 каналам ТЧ, то в ЦСП, скорее всего, будет предоставлен ресурс ]V12[ = 120 ОЦК. В принципе, возможно выделение и ровно 110 ОЦК, но это потребует применения очень сложного оборудования кроссовой коммутации.

Знак “?”, поставленный в средней части рисунка 2.9, иллюстрирует тот факт, что промежуточных (комбинированных) решений может быть очень много. К этому вопросу мы вернемся в следующем параграфе.

Кроссовая коммутация позволяет решить ряд важных задач создания и развития современных телекоммуникационных систем. В 1992 году Джим Карпентер, вице-президент компании Southwestern Bell по планированию и разработкам, сделал весьма примечательное утверждение [22]: "Сети сейчас переживают революцию. И ключевой элемент этой революции – цифровое кроссовое оборудование". Эти слова, может быть с некоторым отставанием, стали актуальными и для России.

Задачи, решаемые Оператором с помощью оборудования кроссовой коммутации, можно сформулировать следующим образом:

1) формирование транспортной сети, способной эффективно обеспечить долгосрочное развитие телекоммуникационной системы в целом;

2) рациональное использование мощных систем передачи, относящихся к семейству СЦИ, для создания пучков СЛ малой и средней емкости;

3) экономия суммарной длины эксплуатируемых линейно-кабельных сооружений при обеспечении высоких показателей надежности всей телекоммуникационной системы;

4) гибкое использование ресурсов транспортной сети за счет применения эффективной системы управления;

5) простота организации аналоговых и цифровых арендованных каналов, именуемых на профессиональном сленге "прямыми проводами", имеющих различную пропускную способность;

6) сопряжение оборудования передачи с различными функциональными характеристиками (и даже относящимися к разным стандартам);

7) возможность создания транспортных сетей различной конфигурации в интересах других Операторов.

Первое утверждение, в свою очередь, включает три принципиальных момента. Во-первых, в составе телекоммуникационной системы Оператора будут появляться новые виды коммутируемых сетей. Во-вторых, произойдут изменения в структурах некоторых коммутируемых сетей. В-третьих, будут существенно трансформироваться требования к необходимым ресурсам транспортной сети.

Новые виды коммутируемых сетей можно разделить на две большие группы. В первую группу входят сети, которые практически не изменяют характер распределения потенциальных клиентов по территории. Характерный пример – появление Internet. Пользователи этой информационной системы, как правило, располагаются там же, где уже функционируют сети доступа, созданные Операторами ТФОП. В этом смысле, подключение пользователей Internet сводится к определенной модернизации сети доступа и к установке коммутационного оборудования обмена данными (IP маршрутизаторов или иных средств).

Ко второй группе относятся те коммутируемые сети, для которых характерно весьма специфическое распределение потенциальных клиентов в границах территории, обслуживаемой Оператором. Характерным примером могут служить сотовые сети. Доступ к таким сетям обеспечивается за счет создания собственной инфраструктуры. Подключение пользователей обычно также связано с установкой собственного коммутационного оборудования.

Изменения, которые могут произойти в структурах коммутируемых сетей, обусловлены двумя факторами. Во-первых, сети расширяются с точки зрения обслуживаемой территории. Во-вторых, новая телекоммуникационная техника часто стимулирует поиск новых, более эффективных, структур коммутируемых сетей. В частности, для телефонии (этот вопрос будет подробно рассмотрен в третьей главе монографии) в последние годы наметилась устойчивая тенденция к переходу на неиерархический принцип построения ГТС и СТС.

Требования к транспортным ресурсам, необходимым коммутируемым сетям, возрастут в обозримом будущем весьма существенно. Эта особенность современной телекоммуникационной системы обсуждалась в конце первой главы монографии. Заметим, что специалисты по перспективным транспортным сетям уже перешли к обсуждению вопросов передачи за одну секунду объемов информации, измеряемых в Петабитах [23, 24].

При таких меняющихся требованиях система кроссовой коммутации обеспечивает весьма эффективное развитие всех коммутируемых сетей. Этот факт можно пояснить, вернувшись к рисунку 1.5, который объясняет структурные возможности транспортной сети. Анализ возможностей по существенному повышению пропускной способности коммутируемых сетей целесообразно объединить с рассмотрением второго из сформулированных выше семи утверждений. Косвенные доказательства второго утверждения содержатся в тексте, который сопутствует формулам (2.1) и (2.2). Более полную картину поможет воссоздать рисунок 2.10, представляющий два варианта построения гипотетического фрагмента транспортной сети.

Два варианта построения фрагмента транспортной сети

Рисунок 2.10

В левой части рисунка 2.10 показан вариант построения фрагмента транспортной сети без применения оборудования автоматической кроссовой коммутации. Показаны три СУ, которые обеспечивают канальными ресурсами две коммутируемые сети. Индексы, следующие за номером СУ, указывают на одну из некоммутируемых сетей. Транспортные ресурсы разделены между двумя потребителями – коммутируемыми сетями I и II. Во всех трех СУ установлены тракты между коммутационными станциями двух коммутируемых сетей без возможности автоматического управления транспортными ресурсами.

В правой части рисунка 2.10 показан второй вариант построения фрагмента транспортной сети, который предусматривает использование МВК. Следует отметить, что каждый МВК выполняет также все функции, присущие СУ [12]. Транспортные ресурсы становятся общими для обеих коммутируемых сетей. Использование кроссовой коммутации в МВК подчеркивают значки, которыми часто отмечают блоки, выполняющие функции распределения информации.

Выбор варианта, чаще всего, осуществляется по критерию минимальной стоимости построения транспортной сети. Для варианта (а) соответствующее выражение (С_А) может быть представлено в таком виде:

С_А = С_СУ + С_I + С_II, (2.4)

где величины С_СУ, С_I и С_II определяют стоимость всех СУ, а также транспортных ресурсов для первой и второй коммутируемых сетей.

Для варианта (б) аналогичное выражение (С_Б) представимо в такой редакции:

С_Б = С_МВК + С_I+II, (2.5)

где величины С_МВКI и С_I+II определяют стоимость всех МВК и тех общих транспортных ресурсов, которые достаточны для обеих коммутируемых сетей.

Анализ ряда проектов, для которых, правда, выражения (2.4) и (2.5) выглядят слишком упрощенными, показал, что преимущества, как правило, остаются за вариантами использования кроссовой коммутации.

Третье утверждение касается сокращения суммарной длины используемых линейно-кабельных сооружений и обеспечения весьма высоких показателей надежности всей телекоммуникационной системы. Эти особенности кольцевых топологий можно проиллюстрировать следующим образом:

– места размещения СУ в транспортной сети совпадают с точками расположения вершин правильного N-угольника;

– при построении транспортной сети без использования какого-либо оборудования кроссовой коммутации необходимо соединить ее геометрический центр с каждой вершиной правильного N-угольника;

– при использовании оборудования кроссовой коммутации структура транспортной сети образуется за счет объединения СУ одним или большим числом колец.

На рисунке 2.11 приведены две модели транспортной сети. Первая модель не содержит оборудование кроссовой коммутации. Вторая модель основана на использовании оборудования кроссовой коммутации, которое формирует структуру сети с двумя кольцами.

Две модели транспортной сети

Рисунок 2.11

Модель (а), представляющая собой типичную звездообразную структуру, содержит элементы, равные "a", "2a", а также "b", "c" и "d". Длины трех последних элементов вычисляются из простейших геометрических выражений. Суммарная длина линий передачи (L_A) между точкой “O” и всеми остальными вершинами составляет [4a (3 + 3Ö2 + 2Ö5)] или примерно 52,5a.

Модель (б) иллюстрирует топологию с двумя кольцами разного диаметра. Суммарная длина линий передачи (L_Б) между точкой "O" и всеми остальными вершинами, в этом случае, равна [a (25 + Ö2 + Ö5)], то есть около 28,7a. Это означает, что экономия суммарной длины линий передачи превышает 80%. Если же для варианта (а) принять гипотезу о прокладке кабеля по ребрам координатной сетки, то экономия суммарной длины линий передачи будет более чем 100%.

В [25, 26] выполнены исследования различных геометрических моделей транспортных сетей, имеющих звездообразную или кольцевую структуру. Расчеты суммарных длин линий передачи показали следующее:

· преимущества кольцевых структур проявляются более отчетливо по мере роста числа СУ в транспортной сети;

· максимальная экономия суммарной длины линий передачи присуща однокольцевой структуре, которая не всегда обладает требуемой надежностью;

· использование в качестве модели сети правильных многоугольников обычно позволяет получить верхнюю оценку суммарной длины линий передачи.

Надежность транспортной сети относится к самым важным показателям телекоммуникационной системы. Если современная транспортная сеть на какой-то период времени “T_П” перестает функционировать, то практически вся телекоммуникационная система парализуется. Здесь уместно вспомнить, что современную транспортную сеть чаще всего сравнивают с фундаментом того здания, которому подобна телекоммуникационная система. Легко представить себе судьбу здания, в котором разваливается фундамент.

Одним из привлекательных свойств кольцевой структуры можно считать способность сохранять связь между всеми узлами сети при отказе одного направления. В левой части рисунка 2.12 показана кольцевая структура, содержащая восемь узлов.

Модель кольцевой сети

Рисунок 2.12

Пока мы будем предполагать, что вероятность отказа оборудования узла близка к нулю. Это, как правило, справедливо с практической точки зрения. Между узлами с номерами “2” и “3” показана точка обрыва линии передачи. Тогда можно выделить две подсети, показанные в правой части рисунка 2.12. В случае одного обрыва все узлы сети остаются связанными со свои центром – точка “O”. Для повышения надежности кольцевой сети в ней могут создаваться прямые связи между узлами – хорды. В левой части рисунка 2.12 изображена хорда между узлами “O” и “4”.

Коэффициент готовности (K_ГJ) линии передачи между центром сети, точкой “O”, и произвольно выбранным узлом зависит от места расположения этого узла. Если считать, что коэффициент готовности для всех линий одинаков и равен “P”, то для рассматриваемой модели несложно вывести такие формулы:

K_Г1 = K_Г7 = 1 - [(1 – P) x (1 – P⁷)],

K_Г2 = K_Г6 = 1 - [(1 – P²) x (1 – P⁶)], (2.6)

K_Г3 = K_Г5 = 1 - [(1 – P³) x (1 – P⁵)],

K_Г4 =1 - [(1 – P⁴) x (1 – P⁴)].

Используя известные алгебраические приемы, легко убедиться, что для условия 0 < P < 1 всегда справедливо такое неравенство:

K_Г4 < K_Г3 < K_Г2 < K_Г1 (2.7)

С практической точки зрения это означает, что хорду лучше всего проводить между центром сети и наиболее удаленным узлом транспортной сети. Именно такое решение и показано в левой части рисунка 2.12. Для расчета коэффициента готовности кольца, в котором проведена хорда, можно использовать формулы для оценки показателей надежности, выведенные для мостиковой структуры [27].

Четвертое утверждение декларирует гибкое использование ресурсов транспортной сети за счет применения эффективной системы управления. Для иллюстрации этого тезиса можно воспользоваться очень простой моделью, похожей на предложенную в [28]. Основная идея показана на рисунке 2.13.

Пусть кольцо состоит из двух ЦКУ, которые обеспечивают транспортными ресурсами две МС. Первая МС расположена в деловом секторе; ее час наибольшей нагрузки (ЧНН) приходится на рабочее время. Вторая МС установлена в квартирном секторе (на жаргоне телефонистов – в спальном районе); ее ЧНН приходится на утреннее и вечернее время. Каждому ЧНН соответствует интенсивность нагрузки (Y1 или Y2), которая используется для вычислений необходимой емкости пучка СЛ [29]. Если объединить оба пучка СЛ, что позволяет сделать оборудование кроссовой коммутации, то для вычисления его емкости будет использоваться величина суммарного трафика Ys. Очевидно, что в нашей модели Ys < Y1 + Y2. В этом случае пучок СЛ, рассчитанный для объединенного трафика [28], будет иметь меньшую емкость, чем два раздельных пучка.

Изменение нагрузки в течение суток

Рисунок 2.13

Пятое утверждение касается простоты организации аналоговых и цифровых арендованных каналов. Подробнее принципы создания и развития сети арендованных каналов рассматриваются в разделе 2.7. Здесь мы можем ограничиться следующими аргументами:

· МВК и ЦКУ способны создавать арендованные каналы за счет установления полупостоянных соединений, а также выполнять основные функции технического обслуживания;

· функциональные возможности кроссовой коммутации позволяют формировать арендованные каналы в широком диапазоне скоростей передачи, начиная с 64 кбит/с и заканчивая номиналами пропускной способности, присущими СЦИ;

· МВК и ЦКУ могут обеспечивать резервирование арендованных каналов за счет установления полупостоянных соединений, которые проходят по другим маршрутам.

Шестое утверждение касается очень важного, с практической точки зрения, аспекта развития транспортных сетей – сопряжение различных типов оборудования передачи. Во-первых, ЦСП, используемые в одной транспортной сети, могут иметь различные функциональные характеристики. Во-вторых, Операторы иногда вынуждены использовать оборудование плезиохронной и синхронной иерархий в одной транспортной сети. Кроссовые коммутаторы большинства Производителей телекоммуникационной техники имеют все виды интерфейсов, которые необходимы для подключения цифровых трактов плезиохронной и синхронной иерархий. МВК и ЦКУ, в этом смысле, можно рассматривать как устройства согласования цифровых трактов с различными характеристиками.

Седьмое (последнее) утверждение связано с возможностью создания транспортных сетей различной конфигурации в интересах других Операторов. Действительно, функциональные возможности МВК и ЦКУ позволяют создавать несколько транспортных сетей, имеющих, в общем случае, различные структуры. Любой оператор, в первую очередь, обеспечивает транспортными ресурсами все свои коммутируемые сети. Если же резерв этих ресурсов, по каким-либо причинам, существенен, то они могут быть использованы в интересах других Операторов.

Интересный факт отмечен в [30]. При строительстве транспортных сетей все чаще используются кабели со 192 ОВ. Это объясняется тем, что основные затраты связаны не со стоимостью кабеля. В этом случае "темные волокна" становятся хорошим товаром для возврата инвестиций и решения других задач. Под "темными волокнами" специалисты понимают те ОВ в кабеле, которые не уплотнены ЦСП.

Оператор, имеющий избыточные ресурсы в своей транспортной сети, может сдавать в аренду "темные волокна" или цифровые тракты. Кроме того, он может попытаться использовать эти ресурсы для новой коммутируемой сети, продавая телекоммуникационные услуги. На рисунке 2.14, который составлен по некоторым данным, полученным от ряда Операторов, показан ожидаемый эффект от формы использования избыточных транспортных ресурсов.

Ожидаемый эффект от использования

избыточных транспортных ресурсов

Рисунок 2.14

Понятно, что лучше всего на телекоммуникационном рынке продавать услуги электросвязи. Тем не менее, при достаточно высоком спросе на "темные волокна" соответствующий сегмент телекоммуникационного рынка становится весьма привлекательным.

Кроссовые коммутаторы часто встраиваются в ЦСП, но выпускаются также и как самостоятельное оборудование. Рынок цифровых кроссовых систем косвенно можно оценить с помощью данных, приведенных в [31]. Удельный вес оборудования цифровой кроссовой коммутации в продажах компании Tellabs возрастал с 1991 года по 1995 год такими темпами: 19%, 29%, 41%, 46% и 49%.

Примером продукции, выпускаемой компанией Tellabs, может служить кроссовое оборудование семейства Titan. Все сведения об этом оборудовании взяты с сайта www.tellabs.com. Изложенные ниже сведения, равно как и все последующие ссылки на каких-либо Поставщиков телекоммуникационной техники, не следует рассматривать как рекламу. Рассмотрим, в качестве примера, характеристики оборудования кроссовой коммутации Titan 532E EMC, которое имеет сертификат соответствия Администрации связи России (информация размещена в Internet).

Оборудование Titan 532E EMC может наращивать свою пропускную способность в диапазоне от 2 до 512 трактов E1. Верхняя граница превышает пятнадцать тысяч ОЦК, что вполне достаточно для крупной цифровой коммутационной станции. Оборудование, в зависимости от емкости, занимает от одного до четырех шкафов. Высокая надежность системы кроссовой коммутации обеспечивается дублированием основных элементов. Система контроля EMS5300 обеспечивает графический интерфейс пользователя, а также управление по стеку протоколов TCP/IP сетью из 48 кроссов Titan 532E. Управляющий терминал подключается к одному из портов кросса.

Кросс Titan 532E обеспечивает полупостоянные соединения одного или более ОЦК (такие каналы обычно обозначаются N x 64 кбит/с), а также трактов E1. Никаких ограничений на вид передаваемой информации по установленным полупостоянным каналам не существует. Кстати, большинство Производителей систем СЦИ реализуют функции кроссовой коммутации в мультиплексорах, но возможность выделения ОЦК, как правило, не предусматривается, что имеет вполне логичное обоснование. На некоторых рисунках в этой главе используются обозначения "ЦКУ" или "МВК", чтобы подчеркнуть возможность выполнения функции кроссовой коммутации. С точки зрения оборудования обычно подразумевается мультиплексор СЦИ, выполняющий также функции ЦКУ или МВК.

Расширение пропускной способности транспортных сетей стимулирует создание кроссового оборудования большой емкости. Компания Tellabs в конце 2000 года анонсировала разработку кроссового оборудования Titan 6700. Он будет поддерживать 2048 портов STM-16 и 512 портов STM-64.

Другие примеры оборудования кроссовой коммутации легко найти, обратившись к технической литературе или воспользовавшись какой-либо поисковой системой в Internet. Мне не удалось найти удачного примера для описания структурной схемы ЦКУ или МВК. Тем не менее, такого рода схему (рисунок 2.15) несложно воспроизвести по функциональным возможностям цифрового кроссового оборудования.

Структурная схема цифрового кроссового оборудования

Рисунок 2.15

Предложенная схема включает три основных элемента – коммутационное поле, которое дублировано, устройство управления и интерфейсные платы, указанные как заштрихованные прямоугольники. Через коммутационное поле проходят все виды полупостоянных соединений, которые должен поддерживать ЦКУ или МВК. Устройство управления выдает команды на установление полупостоянных соединений и осуществляет контроль основных характеристик качества передаваемой информации.

Модель, представленная на рисунке 2.15, лучше всего подходит для МВК, устанавливаемого в сети доступа. Левая часть рисунка иллюстрирует три варианта включения оборудования пользователей в цифровую МС. Можно сделать такие предположения:

· интерфейс 2B+D предназначен для подключения пользователей ЦСИО, выбравших базовый (основной) доступ, который обеспечивает два прозрачных канала по 64 кбит/с каждый для обмена информацией и один служебный канал на скорости 16 кбит/с;

· интерфейс 30B+D используется для доступа в ЦСИО на первичной скорости (в этом случае пропускная способность D-канала равна 64 кбит/с);

· интерфейс E1 может использоваться для включения концентраторов, УАТС и ряда других средств доступа.

В правой части рисунка показаны два интерфейса, предназначенные для связи с другими МС и для выхода на верхние уровни иерархии ТФОП. Можно сделать такие предположения:

· интерфейс E1 предназначен для взаимодействия с другими МС, входящими в одну местную телефонную сеть;

· интерфейс STM-1 используется для выхода на междугородную и международную телефонные сети.

Рассмотренная модель представляет пример использования кроссового оборудования для ТФОП и ЦСИО. На практике ЦКУ и МВК часто решают также задачи обеспечения канальными ресурсами систем обмена данными (в первую очередь – Internet) и других коммутируемых сетей.

В разделе 2.1 изложены системные аспекты использования оборудования ЦСП и кроссовой коммутации. Их место в современной транспортной сети показано в левой части рисунке 2.16. В правой части этого же рисунка перечислены основные функции, выполняемые оборудованием ЦСП и кроссовой коммутации. Модель включает три уровня. Она составлена по материалам монографии [32].

Трехуровневая модель транспортной сети

Рисунок 2.16

Рассматриваемая структура не имеет прямого отношения к известной семиуровневой модели взаимодействия открытых систем [33], хотя кое-какие аналогии могут быть найдены без особого труда. Интересно другое. На всех трех уровнях за последние годы произошли весьма существенные качественные изменения. Появление СЦИ ознаменовало переход к новым принципам передачи сигналов в цифровой форме. Использование оборудования кроссовой коммутации кардинально изменило принципы построения транспортных сетей.

В настоящее время самые существенные изменения происходят на нижнем уровне рассматриваемой модели. Системные аспекты изменений, касающихся среды передачи сигналов, рассматриваются в следующем разделе.

Нельзя осуждать идущих другими путями,

но и молчать о них тоже нельзя.

(Мать Мария (Скобцова))

Дата добавления: 2015-07-20