Коммутация каналов

Телефонные коммутаторы появились задолго до коммутаторов локальных сетей, и отличаются они друг от друга не только своей историей.

Есть коммутаторы, и есть коммутаторы. Тождество их названий связано с тем, что они выполняют по сути одну и ту же функцию: автоматическое переключение трафика с входного на выходной интерфейс. В отличие от рассмотренных нами в одном из предыдущих уроков коммутаторов Ethernet, телефонные коммутаторы опираются на иные принципы, - прежде всего они осуществляют коммутацию каналов (хотя, вообще говоря, в современных цифровых сетях связи и, в частности, широкополостных сетях интегрального обслуживания на базе ATM они выполняют коммутацию пакетов, но в этом случае мы не можем говорить о телефонной сети как таковой). В этой статье мы остановимся на двух основных видах коммутации каналов - пространственной и временной коммутации, а также на некоторых новейших технологиях коммутации каналов.

КОММУТАЦИЯ КАНАЛОВ

Когда сняв телефонную трубку, абонент или компьютер набирает номер, коммутационное оборудование телефонной сети отыскивает ведущий к абоненту или компьютеру на противоположном конце провод. Иными словами, при получении телефонным коммутатором вызова он устанавливает физическое соединение между входящей и исходящими линиями (см. Рисунок 1, где такое соединение показано пунктирными линиями).

Изображенная на Рисунке 1 схема является весьма упрощенной, так как некоторыми отрезками проводного пути между двумя телефонами могут быть, например, радиочастотные линии, а каждая линия может содержать множество (десятки, сотни и тысячи!) мультиплексированных каналов. Однако в любом случае основная идея остается неизменной: соединение между двумя конечными точками должно быть установлено до начала передачи данных и существовать в продолжении всего диалога до его завершения.

Перерыв между набором последней цифры и получением ответного сигнала (например, "занято") может составлять порядка нескольких секунд, особенно в случае междугородних или международных звонков. Все это время телефонная система пытается установить соединение с абонентом на другом конце. После того как соединение осуществлено, задержка в передаче данных определяется исключительно временем распространения электромагнитного сигнала (5 мс на 1000 км). Кроме того, в отличие от коммутации пакетов трафику не грозят никакие перегрузки на пути следования - т. е. вы никогда не услышите сигнал "занято" после того, как удалось дозвониться, разве что кто-нибудь перережет провод.

А ведь еще не так давно соединение осуществлялось оператором на телефонной станции путем подключения кабельной перемычки к гнездам соответствующих входящей и исходящей линий, хотя автоматическая коммутация была изобретена еще в прошлом веке ("я набираю вечное 07")!

КООРДИНАТНЫЙ КОММУТАТОР

Координатный коммутатор - это простейший вид коммутатора в телефонных сетях. Он представляет собой матрицу, где каждая входная линия имеет пересечение с каждой выходной линией в виде координатного переключателя (его структура напоминает координатную сетку). Коммутатор с n входными и n выходными линиями содержит порядка n2 координатных переключателей (или точек коммутации). На Рисунке 2 входная линия 0 связана с выходной линией 4, линия 1 с линией 7, а линия 2 с линией 6. Все поступающие по цифровой линии биты немедленно пересылаются на соответствующую выходную линию. Таким образом, координатный коммутатор реализует коммутацию каналов посредством установления прямых электрических соединений. Управление переключением осуществляется управляющим устройством. Во время прохождения вызова оно производит замыкание соответствующих координатных переключателей.

Важнейший недостаток координатного коммутатора в том, что число координатных переключателей растет очень быстро как квадрат числа входных линий. Например, если число линий равно 1000, то число необходимых переключателей составляет около 500 000. Создание сверхбольшой интегральной схемы с таким количеством транзисторных переключателей вполне возможно, но при этом нужно было бы иметь 1000 выходов, а такую плотность обеспечить на практике очень сложно. Из вышесказанного следует, что координатные коммутаторы пригодны только для небольших офисов.

ПРОСТРАНСТВЕННЫЕ КОММУТАТОРЫ

За счет применения нескольких коммутационных блоков (координатных коммутаторов) и организации их в каскады число необходимых координатных переключателей можно уменьшить. Такие коммутаторы используют пространственный принцип организации. Для простоты рассмотрим трехкаскадный коммутатор с N входными и N выходными линиями (см. Рисунок 3). В первом каскаде каждый коммутационный блок имеет n входных линий, поэтому число блоков равно N/n. Второй каскад содержит k коммутаторов, причем каждый из них имеет N/n входов и N/n выходов. Третий каскад обратно симметричен первому. Каждый промежуточный блок связан с каждым блоком во входном каскаде и каждым коммутационным блоком в выходном каскаде. Таким образом, любой вход может быть связан с любым выходом, причем число независимых путей между ними равно k. Как нетрудно подсчитать, число необходимых координатных переключателей равно 2kN+k(N/n)2, и при N=1000, n=10, k=10 требуется только 24 000 точек коммутации вместо почти полумиллиона в случае однокаскадного коммутатора.

Наверно, каждый из нас сталкивался с тем, что сигнал "занято" звучит еще до того, как номер был полностью набран. Это вызвано тем, что коммутатор, к которому абонентская линия подключается, является блокирующим, т. е. он не способен обслужить N вызовов одновременно, а максимум k?(N/n) вызовов (данная величина представляет собой произведение количества коммутационных блоков во втором каскаде на число входов (выходов) в каждом из них). Число обслуживаемых вызовов можно увеличить за счет добавления коммутационных блоков во втором каскаде, но при этом число используемых координатных переключателей также возрастет. Таким образом, при разработке пространственных коммутаторов приходится соблюдать баланс между числом переключателей (и, как следствие, его ценой) и числом обслуживаемых вызовов. В принципе, коммутатор, в котором k равняется 2n-1, не будет никогда блокировать вызовы.

ВРЕМЕННЫЕ КОММУТАТОРЫ

Временные коммутаторы основываются на иных принципах, нежели пространственные коммутаторы. При временной коммутации сигналы с n входных линий считываются по очереди, и из них составляется кадр, состоящий из n квантов времени. Основой временного коммутатора является так называемый обменник. На входе он принимает один кадр, а на выходе выдает другой, в котором кванты времени упорядочены уже иным образом. По существу, коммутатор передает байт, например с входной линии 0 на выходную линию 4 и т. д. Принципиально он осуществляет коммутацию каналов, хотя никаких физических соединений при этом не устанавливается!

Обменник работает следующим образом. При поступлении кадра каждый квант (т. е. каждый байт во входном кадре) записывается в буфер ПЗУ в том же порядке. После того как все кванты были записаны в память, выходной кадр формируется посредством чтения байт из буфера, но уже в ином порядке. На шаге i обменник считывает содержимое i-й ячейки таблицы соответствия входных и выходных линий и обращается к записи с тем же номером в буфере; т. е. если ячейка 0 таблицы соответствия содержит 4, то первым будет считано четвертое слово из буфера. Таким образом, содержимое таблицы соответствия определяет применяемую к входному кадру перестановку.

Временным коммутаторам свойственно иное ограничение, нежели пространственным: n квантов необходимо сохранить в буфере и затем считать их снова за 125 мкс. Если каждое обращение к памяти занимает T мкс, то полная обработка кадра занимает 2nT мкс, т. е. в случае памяти со временем доступа 100 нс максимальное число поддерживаемых линий равно 625. Однако, как и в случае пространственных коммутаторов, они могут быть организованы в многокаскадные устройства, и, таким образом, число обслуживаемых линий может быть и большим.

МНОГОСКОРОСТНАЯ КОММУТАЦИЯ КАНАЛОВ

Рассчитанные на передачу телефонных разговоров базовые каналы цифровых телефонных сетей имеют пропускную способность 64 кбит/с. Однако если мы хотим построить сеть интегрального обслуживания (т. е. сеть, передающую и другие виды информации, например данные телеметрии и видео), то использование таких каналов неэффективно. В случае телеметрии пропускная способность оказывается чрезмерной, а в случае видео - недостаточной. В принципе, мы могли бы отвести под видео несколько каналов на 64 кбит/с, но при этом информация по прибытию к получателю может оказаться рассогласованной из-за того, что каналы коммутируются каждый в отдельности.

Многоскоростная коммутация каналов - МКК (Miltirate Circuit Switching, MCS) является более гибкой технологией благодаря наличию нескольких базовых цифровых каналов с различными скоростями (кадр делится на несколько временных интервалов различной длины). Базовые каналы могут быть объединены в группу, но при этом мы по-прежнему стоим перед проблемой синхронизации, хотя за счет выбора соответствующего базового канала можно минизировать число необходимых каналов для того или иного вида сервиса и тем самым упростить задачу синхронизации.

В случае МКК системы коммутации представляют собой набор коммутаторов, каждый из которых занимается коммутацией каналов с определенной скоростью. Например, приходящая по высокоскоростной абонентской линии информация демультиплексируется и поступает на различные коммутаторы. И наоборот, полученная от коммутаторов информация мультиплексируется и передается по абонентской линии.

Многоскоростной коммутации каналов свойственен, например, тот недостаток, что если все каналы определенной емкости заняты, то использующая их служба не может задействовать свободные каналы другой емкости. Кроме того, как и при обычной коммутации каналов, пропускная способность в случае пакетного трафика используется неэффективно из-за его неравномерного по времени характера.

БЫСТРАЯ КОММУТАЦИЯ КАНАЛОВ

Повысить эффективность использования сетевых ресурсов в случае пакетного трафика позволяет быстрая коммутация каналов (Fast Circuit Switching, FCS). При быстрой коммутации каналов соединение устанавливается не на все время сеанса связи, а только на время передачи конкретного фрагмента речи. Однако реализация такой технологии невозможна без сложной и быстрой системы сигнализации для установления соединений между конечными точками за очень короткий промежуток времени.

В силу указанных причин ни многоскоростная, ни быстрая коммутация каналов не получили широкого распространения.

СРАВНИТЕЛЬНЫЕ ДОСТОИНСТВА КОММУТАЦИИ КАНАЛОВ И КОММУТАЦИИ ПАКЕТОВ

Коммутация каналов и коммутация пакетов во многом друг от друга отличаются. Так, например, если в первом случае необходимая пропускная способность (канал) резервируется заранее, то во втором она занимается и освобождается по мере надобности. Как следствие, при коммутации каналов, канал между корреспондирующими абонентами не может быть занять никем иным, в то время как при коммутации пакетов незанятая на данный момент пропускная способность может быть предоставлена пакетом и от других источников. Коммутация каналов полностью прозрачна в том смысле, что отправитель и получатель вольны использовать любую скорость передачи, формат данных и обрамление кадров по своему усмотрению. В случае же коммутации пакетов все базовые параметры определяются оператором сети связи и т. д. В конечном итоге все это ведет к существенной разнице схем оплаты.

Рисунок 4.
Временной коммутатор меняет порядок следования каналов посредством изменения очередности соответствующих каждому каналу временных интервалов (квантов времени).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Согласно статистическим данным, объемы передачи трафика данных растут опережающими темпами. Однако использование коммутации каналов для передачи данных неэффективно. Кроме того, эксплуатация нескольких различных сетей для обслуживания разных видов трафика также нежелательна. Поэтому в последние годы были разработаны технологии, позволяющие предоставлять услуги, характерные как для сетей коммутации каналов, так и коммутации пакетов. Наиболее показательна в этом смысле ISDN, нашедшая свое дальнейшее развитие в Broadband ISDN, в качестве основы которой выбрана технология ATM.