Коммутация каналов

История развития технологии "коммутация каналов" хорошо изложена в работах отечественных специалистов [8, 27, 188, 193]. Поэтому мы начнем рассуждения с того периода времени, когда Операторы стали активно использовать оборудование цифровой коммутации. Интересно, что основные причины, стимулировавшие переход к цифровым системам коммутации, трактуются в технической литературе по-разному. Иногда на первый план выдвигается возможность поддержки ДВО, что мне представляется спорным аргументом.

Каждый из основных участников инфокоммуникационного рынка "преследовал" свои интересы. Основным стимулом для Производителей можно считать высокую технологичность изготовления цифрового оборудования. Это позволило снизить затраты на производство печатных плат и автоматизировать многие процессы производства коммутационного оборудования. Оператор стал устанавливать перспективное оборудование, занимающее существенно меньшую площадь, а также позволяющее (за счет современной системы технической эксплуатации) значительно сократить численность обслуживающего персонала. Эти два аргумента не были весомыми для Операторов связи в бывшем СССР. Здания АТС они получали фактически бесплатно, а расходы на заработную плату обслуживающего персонала не рассматривались как статья затрат, на которой можно серьезно сократить свои издержки. Абоненты ощутили улучшение качества связи и получили предложения от Операторов воспользоваться ДВО.

Современные системы цифровой коммутации в зависимости от их предназначения используют следующие способы обслуживания вызовов: с потерями, с ожиданием, с ограниченным ожиданием (по длительности пребывания в очереди или/и по ее длине), а также их комбинации. В верхней части рисунка 3.81 показана простейшая модель тракта обмена информацией между двумя ТА. Предполагается, что этот тракт установлен между терминалами, включенными в две цифровые МС. Инициатор вызова – абонент, который использует ТА1.

Модель тракта обмена информацией для технологии "коммутация каналов"

Рисунок 3.81

В оборудовании МС1 осуществляется подключение двухпроводной АЛ через так называемую дифференциальную систему (Д) к четырехпроводной СЛ. Вызов может быть потерян в МС1 из-за различных проблем с ресурсами, необходимыми для его обработки. Вероятность этого события обозначена через P_1МС. Если все СЛ между коммутационными станциями заняты, вызов также будет потерян. Вероятность такого события обозначена через P_1СЛ. Обычно в ТФОП эти вероятности нормируются величинами, измеряемыми в единицах процентов или (что чаще) в долях процента.

Для успешного установления соединения необходимо совпадение следующих двух событий. Во-первых, должен быть свободен хотя быть один путь между выбранной СЛ и АЛ вызываемого абонента. Вероятность этого события равна (1 – P_2МС). Кроме того, АЛ вызываемого абонента должна быть доступна, то есть не занята другим соединением. Вероятность такого ее состояния равна (1 – P_2АЛ).

Допустим, что ТА2 свободен, ресурсы обеих МС достаточны для обслуживания вызова, а в пучке СЛ есть свободные линии для установления соединения. Между МС создается четырехпроводное соединение, включающее тракты приема и передачи. Их тракты можно рассматривать как два тракта передачи информации. По первому тракту передается информация от ТА1 к ТА2, а по второму – от ТА2 к ТА1.

В нижней части рисунка 3.81 показана типичная картина использования обеих трактов передачи информации. Период времени, обозначенный арабской цифрой "1", соответствует передаче информации (при телефонной связи – фразе или нескольким предложениям) от ТА1 к ТА2. Далее, как правило, следует пауза длительностью t₁. Далее передается информация от ТА к ТА1, после чего наступает пауза t₂. Подобные процессы повторяются вплоть до завершения соединения.

Длительность пауз t_j – случайная величина. Также случайными величинами следует считать периоды активности каждого терминала, обозначенные в нижней части рисунка 3.81 арабскими цифрами. В некоторых публикациях утверждается, что длительность пауз в телефонном разговоре может достигать 30 – 40 [194] и даже 50% [195]. Скорее всего, средняя оценка ближе к 20%. Это означает, что при одинаковой активности абонентов использование тракта передачи (приема) составляет около 40%. Этим объясняется идея применения оборудования различного типа, позволяющего повысить использование каналов связи, особенно дорогостоящих – международных и междугородных. Низкое использование транспортных ресурсов можно считать неотъемлемой чертой технологии "коммутация каналов".

Другие недостатки технологии "коммутация каналов" объясняются тем, что она разрабатывалась для ТФОП. Естественно, требования других коммутируемых сетей, часть которых вообще была сформулирована позже, чем появились первые цифровые АТС, не учитывались. Часть недостатков технологии "коммутация каналов" были устранены при разработке концепции ЦСИО [141]. Тем не менее, на этапе перехода к NGN проявились и другие отрицательные свойства коммутации каналов:

· ориентация на пропускную способность 64 кбит/с, которая оптимальна только для трафика речи;

· необходимость установления соединения (длительность этого процесса часто соизмерима с продолжительностью сеанса связи);

· возможность обнаружения и исправления ошибок, возникающих в процессе обмена информацией, только в терминальном оборудовании;

· сложность введения дисциплины обслуживания вызовов с ожиданием, что позволило бы повысить величину пропущенной нагрузки.

В некоторых публикациях в качестве недостатка технологии "коммутация каналов" указывается сложность аппаратно-программных средств и их высокая стоимость. Я бы не торопился с подобными утверждениями, основанными на сравнении ТФОП с Internet. Надеюсь, что поклонники Internet не обидятся на меня. В настоящее время, сравнивать эти сети нельзя. По показателям качества обслуживания, надежности, защищенности от атак со стороны хакеров Internet на порядок (если не более) ниже ТФОП. Когда перечисленные (и неупомянутые) проблемы будут решены, можно вернуться к обсуждению вопросов сложности коммутационного оборудования и его стоимости.

Основные достоинства технологии "коммутация каналов" кратко сформулированы в предыдущем абзаце. Более подробно они будут рассмотрены в параграфе 3.5.4, в котором сравниваются две основные технологии распределения информации.

Термин "коммутация каналов" – перевод с английского языка словосочетания "Circuit switching". Ранее использовался еще один вариант перевода – коммутация цепей. Такая трактовка представляется удачной для начального этапа создания ТФОП, когда АТС коммутировали физические цепи. Модель коммутации цепей показана в верхней части рисунка 3.82 для соединения двух ТА, включенных в разные электромеханические АТС – вариант (а). В нижней части этого же рисунка – вариант (б) – изображена подобная модель коммутации каналов для двух цифровых АТС.

Модели коммутации каналов для аналоговых и цифровых АТС

Рисунок 3.82

Вариант (а) основан на замыкании трех ключей, с помощью которых образуется разговорный тракт между двумя ТА. Функции этих ключей реализовывались контактами реле, шаговых искателей, многократных координатных соединителей. Если вместо терминалов подключить генератор звуковой частоты и измерительное устройство, то можно измерить реальные параметры тракта по переменному току. В частности, таким способом определяется величина остаточного затухания.

Вариант (б) иллюстрирует упрощенную схему связи цифровых АТС через УИВС. В каждом АК осуществляется преобразование аналогового сигнала в цифровой вид. Стандарты, принятые для цифровых коммутационных станций, определяют закон преобразования (ИКМ), для которого каждый отсчет кодируется восемью битами. Обычно эти биты называют октетом (от итальянского слова otteto). Распределение информации (в виде октетов) осуществляется в коммутационном поле (КП) каждой АТС.

Цифровые потоки, проходящие через УИВС, содержат октеты, расположенные, как правило, в разных канальных интервалах (КИ) трактов ЦСП. Для передачи октета из одного тракта в другой – в простейшем случае – используется процедура задержки. Этот факт обозначен на рисунке 3.82 греческой буквой "τ". Допустим, что все октеты, несущие полезную информацию, помещаются в третий КИ тракта между АТС1 и УИВС. Предположим, что в тракте между УИВС и РАТС2 для организации связи выделен седьмой КИ. Для корректной работы СЛ в УИВС необходимо "задерживать" октеты, пропуская четвертый, пятый и шестой КИ.

Конечно, предложенная модель не отражает основные процессы функционирования цифровой коммутационной станции. Ее назначение состоит в том, чтобы разработать общую базу для сравнения технологий "коммутация каналов" и "коммутация пакетов". Действительно, изложенные выше соображения позволяют рассматривать цифровую АТС как устройство коммутации пакетов со следующими специфическими особенностями:

· длина пакета составляет восемь битов (октет), а вся служебная информация передается по отдельным каналам (в частности, в нулевом и шестнадцатом КИ тракта ИКМ-30);

· процесс установления соединения подразумевает организацию виртуального канала между АТС, в которые включены терминалы;

· задержка пакетов в каждом транзитном узле фиксирована и оценивается, как правило, долями миллисекунд;

· вне всякой зависимости от состояния элементов сети пакеты не теряются и не переспрашиваются вследствие их искажения;

· виртуальный канал имеет постоянную пропускную способность 64 кбит/с и закрепляется за терминалами вне зависимости от их активности до получения сигнала "Отбой".

Первые четыре утверждения, по всей видимости, не нуждаются в дополнительных комментариях. Относительно пятого утверждения следует уточнить термин "виртуальный канал", заимствованный из системы понятий, свойственной технологии "коммутация пакетов". Я рискнул использовать этот термин, помня, что слово "виртуальный" имеет ряд значений. Одно из них – эквивалентный. Это значение хорошо подходит к выбранной модели с точки зрения технологии "коммутация каналов". Действительно, если вместо терминалов подключить генератор звуковой частоты и измерительное устройство, то нельзя измерить реальные параметры тракта по переменному току. Полученный результат будет относиться к некому эквивалентному тракту обмена информацией.

Для подробного знакомства с технологией "коммутация каналов" я бы рекомендовал ряд публикаций на английском [3, 4, 5, 45, 48] и русском [7, 8, 94, 188] языках. Теперь мы переходим к технологии "коммутация пакетов", которую также будем анализировать только с точки зрения вопросов, рассматриваемых в этой монографии.

Дата добавления: 2015-07-20