Широкополосные цифровые сети с интеграцией служб

Владимир Ефимушкин, Сергей Спесивов

С момента своего появления и до сравнительно недавнего времени телефонная сеть повсеместно была аналоговой, основной особенностью которой является передача речевой информации по линиям связи в аналоговом виде. Характерная черта нынешнего этапа развития телекоммуникаций - переход от аналоговых сетей к цифровым. Эта эволюция происходит в основном вследствие необходимости повышения экономичности телефонной связи. Во всем мире перевод сетей связи на цифровую коммутацию и цифровые каналы происходит быстрыми темпами или близок к завершению. Идея объединения функций передачи, коммутации и создания цифровой интегрированной сети была выдвинута еще в 1959 году и находится сегодня в процессе повсеместного внедрения.

В аналоговой сети речевая информация модулируется и мультиплексируется конечным пользователем и затем передается по выходящим линиям связи, подвергаясь частотному уплотнению. Выходящие сигналы могут пройти через несколько промежуточных, транзитных узлов коммутации (УК) прежде чем достигнут места назначения. В каждом транзитном УК уплотненная информация демультиплексируется, демодулируется, передается через коммутационное поле УК, а затем опять подвергается модуляции и мультиплексированию. В результате этой повторяющейся процедуры накапливаются помехи, возрастает стоимость передачи, замедляется ее скорость. В системах, ориентированных на передачу и коммутацию информации, представленной в цифровом виде, входящий речевой сигнал преобразуется в цифровой с помощью импульсно-кодовой модуляции и мультиплексируется с использованием уплотнения по времени. Информация, подвергнутая такому уплотнению может быть легко скоммутирована без предварительного декодирования. К сожалению, представление информации от конечных абонентов сразу в цифровом виде менее развито, чем цифровая передача и коммутация. Большая часть используемых сегодня телефонных аппаратов все еще посылает аналоговый речевой сигнал на телефонную станцию, где он уже преобразуется в цифровой вид. Использование цифровой передачи информации между оборудованием пользователя и УК приведет к созданию коммутируемых сетей с цифровой передачей на всех участках.

Эволюция цифровых сетей

Дальнейшее развитие идеи интеграции заключается в объединении разветвленной телефонной сети с сетями передачи данных в структуру, называемую цифровой сетью с интеграцией служб (ЦСИС), в которой услуги по передаче данных и речи обеспечиваются одновременно. Стимулирующим фактором перехода к ЦСИС является небольшая стоимость передачи данных по цифровой телефонной сети и неизменная стоимость услуг по передаче речи на уже существующих сетях.

Давая самую общую характеристику в соответствии с определением Международного консультативного комитета по телефонии и телеграфии (МККТТ, а ныне Международный союз электросвязи - МСЭ), можно сказать, что ЦСИС (Integrated Services Digital Network - ISDN) - это сеть, выросшая из телефонной цифровой сети и предоставляющая возможности цифрового соединения из конца в конец (end-to-end) для поддержки широкого спектра служб, включая аудио- и иные службы, адресуемые пользователями с помощью ограниченного множества стандартных многоцелевых интерфейсов типа пользователь-сеть.

Как следует из названия, основной целью ЦСИС является интеграция служб, для поддержки которых (видео, аудио, речь и данные) требовались четыре раздельных сети. Передача видео осуществляется по коаксиальным линиям, аудио - по сбалансированным линиям радиосетей, для передачи речи используются медные витые пары, а для служб, связанных с передачей данных, требуются коаксиальные либо симметричные кабели. Это разнообразное оборудование является дорогим для установки и непростым в эксплуатации. В ЦСИС все иначе.

ЦСИС предоставляет возможности передачи речи, видео и аудио информации, данных по одной сети с унифицированным кабельным оборудованием при несравнимом с предыдущими сетями качеством. Эту сеть характеризуют разнообразные дополнительные возможности, например автоматическое управление шириной предоставляемого канала и установление соединения в процессе предоставления услуги.

Одна из основных причин, не позволяющая обеспечить в полном объеме перечисленные выше службы на обычной телефонной сети - ее аналоговая природа. Использование аналоговых каналов особенно непригодно для приложений, ориентированных на передачу данных. В аналоговой сети процесс модуляции используется для преобразования цифрового потока данных, поступающего от компьютера и состоящего из нулей и единиц, в последовательность аналоговых тонов или импульсов. На принимающей стороне процесс, называемый демодуляцией, конвертирует эту последовательность обратно в цифровую. Процесс модуляции-демодуляции является крайне неэффективным для организации перечисленных выше услуг вследствие шумовых помех, возникновения эха, линий невысокого качества и ограниченной ширины полосы канала передачи.

Сети требуют скоростных каналов передачи. Базовый канал ЦСИС имеет скорость 64 Кбит/с, вследствие чего ЦСИС является прекрасным инструментом для соединения, например, локальных сетей. Так же как и вычислительные сети, ЦСИС сама является цифровой, однако она не ограничивается территорией здания, городского района или города. Она может быть региональной, национальной и даже глобальной. Скоростные параметры и цифровая природа ЦСИС позволяют соединить два удаленных на тысячи километров устройства так же легко, как если бы они принадлежали одной локальной сети и располагались в соседних комнатах.

Первые разработки в области ЦСИС начались еще в 1976 году, а сегодня мы являемся свидетелями широкомасштабного внедрения ЦСИС в развитых странах. Начиная с 1988 года, однако, основные усилия разработчиков были направлены на развитие концепции сети, которая станет более революционной, чем ЦСИС. Новая сеть была названа широкополосной ЦСИС (Ш-ЦСИС) и изначально разрабатывалась с учетом того, что она является преемницей ЦСИС и сможет поддерживать ее службы, а именно:

• обеспечивать передачу речевой и неречевой информации в единой сети;
• обеспечивать как некоммутируемые, так коммутируемые и соединения, предусматривающие возможность коммутации каналов и пакетов;
• обеспечивать возможность образования коммутируемых соединений на цифровых каналах со скоростью 64 Кбит/с.

С другой стороны, Ш-ЦСИС будет иметь значительно больше возможностей, чем ЦСИС. МСЭ характеризует службы Ш-ЦСИС, как службы, требующие высокоскоростных каналов. За этой упрощенной формулировкой, однако, лежит сложнейший план развития сети и набора служб, которые окажут несравненно большее влияние на экономику и социальную сферу всего мира, чем ЦСИС. С приходом Ш-ЦСИС станут возможными службы, требующие скоростей передачи в десятки, сотни и тысячи раз превышающие скорости, допустимые в ЦСИС. Эти службы включают обработку графики, телевидение высокого разрешения, локальные сети и др. Такого типа службы носят название широкополосных служб. Они требуют высокоскоростных каналов передачи на всех участках сети, а также соответствующих коммутаторов.

Таким образом, основой Ш-ЦСИС являются высокоскоростные каналы и быстрая коммутация, обеспечивающие широкий диапазон скоростей и параметров трафика. Все это становится возможным в случае использования оптоволоконного кабеля и так называемого асинхронного режима передачи (АРП). Решение использовать АРП для Ш-ЦСИС является весьма примечательным и предполагает, что Ш-ЦСИС будет пакетно-ориентированной сетью, если говорить в терминах ее интерфейсов и внутренней коммутации. Таким образом, Ш-ЦСИС, которая начала свое развитие из телефонной сети с коммутацией каналов, превращается в сеть с коммутацией пакетов по мере расширения широкополосных служб.

Ш-ЦСИС берет свое начало от ЦСИС или узкополосной ЦСИС, но в действительности использует лишь некоторую часть ее идей. Фактически Ш-ЦСИС сильно отличается от ЦСИС в архитектуре и реализации, поскольку последняя, хотя и предназначена для реализации цифровой передачи, но рассчитана на использование существующей кабельной системы, по большей части медной, доставшейся нам в наследство от аналоговых телефонных сетей. В то же время Ш-ЦСИС в качестве передающей среды использует главным образом оптоволокно и опирается на высокоскоростные сетевые технологии для предоставления пользователям широкого спектра служб - от узкополосных до широкополосных. В следующих разделах будут более подробно рассмотрены широкополосные службы и асинхронный режим передачи.

Службы Ш-ЦСИС МСЭ классифицирует услуги, предоставляемые Ш-ЦСИС, как интерактивные и распределительные службы (рис. 1).

Интерактивные службы подразделяются на три класса: диалоговые службы, службы сообщений и службы с обращением к банку данных. Распределительные службы делятся на службы без предоставления пользователю возможности индивидуального контроля и с предоставлением такой возможности.

В общем случае диалоговые службы обеспечиваются посредством двухсторонней связи с передачей информации из конца в конец в реальном времени без ее хранения и последующей передачи от пользователя к пользователю или между пользователем и хост-узлом. Поток информации может быть двунаправленным симметричным, двунаправленным асимметричным, и для некоторых специфических классов, например видео, поток информации может быть однонаправленным. Информация генерируется пользователями на передающей стороне и предназначается для одного или нескольких пользователей на принимающей стороне соединения. Примерами диалоговых служб могут служить видеотелефония, видеоконференция и высокоскоростная передача данных.

Службы сообщений предоставляют связь пользователь-пользователь через блоки информации с хранением и последующей передачей, услуги электронной почты и/или функции управления сообщениями: редактирование информации, обработку и перевод в другой формат. Примеры служб сообщений - службы обработки сообщений и службы электронной почты для передачи динамических изображений, изображений с высокой степенью разрешения и аудиоинформации. Пользователь службы обращения к банку данных может запросить и получить информацию, хранящуюся в информационных центрах, предназначенных для общего пользования. Информация также может быть взята обратно, но лишь на индивидуальной основе. Более того, время начала передачи информационной последовательности находится под контролем пользователя. В качестве примеров услуг обращения к банку данных можно привести передачу фильмов, изображений с высоким разрешением, аудиоинформации и архивной информации.

Распределительные службы без предоставления возможности индивидуального управления обеспечивают непрерывный поток информации, распределяемый от центрального источника к неограниченному количеству точек приема, имеющих доступ к сети. Пользователь имеет доступ к этому потоку информации, но не может назначать момент начала передачи информации. Пользователь также не вправе контролировать порядок предоставления широковещательной информации. Примерами широковещательных служб являются телевизионные и радиопрограммы.

Распределительные службы с предоставлением возможности индивидуального управления также распространяют информацию от центрального источника большому количеству пользователей. Тем не менее информация передается как последовательность информационных элементов - фреймов с периодическим повторением. Таким образом, пользователь имеет возможность индивидуального доступа к периодически передаваемой информации и контроля начала и порядка предоставления информации. Благодаря периодическому повторению, информация, выбранная пользователем, будет всегда передаваться с начала. Широковещательная видеография - пример такой службы.

Каким же образом перечисленные разнообразные службы могут быть доступны абоненту Ш-ЦСИС? Безусловно, для этого прежде всего необходимо иметь специальное оборудование, выпускаемое различными производителями и для стандартизации которого МСЭ ввело понятие функционального устройства. Стандарты Ш-ЦСИС определяют несколько таких устройств, каждое из которых выполняет свои собственные, присущие только ему функции. Тем не менее совсем не обязательно, чтобы такое функциональное устройство физически было изготовлено в виде отдельного модуля. По этой причине, собственно, и принято такое название. Стандартом определены следующие типы функциональных устройств (рис. 2):

• широкополосный сетевой выход типа 1 - Ш-СВ1 (Network termination type 1 - B-NT1) Ш-СВ1 представляет собой физическое подключение линии пользователя к Ш-ЦСИС;
• широкополосный сетевой выход типа 2 - Ш-СВ2 (Network termination type 2 - B-NT2). Такое оборудование необходимо не каждому абоненту. Ш-СВ2 обладает возможностями коммутации и мультиплексирования и, следовательно, необходимо для абонентов, имеющих, например, собственную телефонную сеть или локальную сеть;
• терминальное оборудование - ТО (Terminal equipment - TE), относится к устройствам абонента, например к цифровым или аналоговым телефонам. Широкополосное терминальное оборудование типа 1 - Ш-ТО1 (Terminal equipment type 1 - B-TE1) - это устройства, использующие протоколы Ш-ЦСИС и поддерживающие услуги Ш-ЦСИС. Терминальное оборудование типа 2 - ТО2 - устройства, несовместимые с Ш-ЦСИС, например аналоговые телефоны, используемые в существующей телефонной сети;
• широкополосный терминальный адаптер Ш-ТА (Terminal adapter (B-TA) позволяет устройствам типа ТО2 взаимодействовать с Ш-ЦСИС.

Наличие нескольких типов функциональных устройств требует для осуществления взаимодействия между ними соответствующих интерфейсов, каждый из которых имеет свой собственный протокол. Такие интерфейсы носят название эталонных точек (reference point). Определены четыре эталонные точки: R, SB, TB, и UB. Эталонная точка разделяет ТО2 и Ш-ТА и предоставляет несовместимым с Ш-ЦСИС устройствам тип Ш-ТО1. Именно таким образом модем дает возможность персональным компьютерам взаимодействовать через телефонную сеть. Взаимодействие между ТО2 и Ш-ТА определяется производителями оборудования.

Эталонная точка SB располагается между совместимым с Ш-ЦСИС оборудованием пользователя (Ш-ТО1 или Ш-ТА) и выходами сети (Ш-СВ1 или Ш-СВ2). Эталонная точка TB располагается между Ш-СВ1 и Ш-СВ2. В случае отсутствия Ш-СВ2 интерфейс носит название SB/TB.

Асинхронный режим передачи

Как уже было отмечено, АРП - это метод передачи информации, выбранный для использования в Ш-ЦСИС. Каковы же его основные особенности и отличительные черты? При АРП информация передается потоком пакетов, называемых ячейками (cells), имеющими фиксированный размер в 53 байта. Каждая ячейка содержит заголовок из 5 байт и информационное поле в 48 байт. Слово "асинхронный" означает тот простой факт, что не существует какой-либо связи между временем прихода ячейки и каналом, выделенным пользователю, как это имеет место при схеме с временным разделением, которую еще называют синхронным методом передачи (рис.3).

АРП ориентирован на передачу с установлением соединения (connection-oriented), когда две системы в сети, желающие сообщаться между собой, должны информировать все промежуточные узлы о своих требованиях к предоставляемым услугам и параметрам трафика. Это процедура осуществляется аналогично соответствующей процедуре телефонной сети, в которой устанавливается фиксированный маршрут от вызывающей стороны к вызываемой. В сети с АРП каждое соединение называется виртуальным каналом, поскольку в отличие от телефонной сети пропускная способность звена сети, входящего в соединение, не обязательно закрепляется за ним, а может быть использована и другими соединениями или, в случае необходимости, может изменяться пока соединение существует.

Вернемся к нашим ячейкам. В чем преимущество такого подхода? Во-первых, значительно легче предсказать возможные задержки в сети и коммутаторах при использовании пакетов фиксированной длины. В результате упрощается процесс проектирования сети и обеспечения механизмов предоставления требуемого качества оказываемых сетью услуг. Второе преимущество предсказуемости - сравнительная легкость построения коммутационного оборудования и другого технического обеспечения. Все протоколы и интерфейсы низкого уровня обычно реализуются аппаратным способом в микропроцессорах. Высокопредсказуемые протоколы намного эффективнее могут быть реализованы в сверхбольших интегральных схемах, поскольку структура контроля, число и емкость буферной памяти, а также алгоритмы управления буферами могут быть спроектированы так, чтобы удовлетворять необходимым (предсказанным) критериям. Наконец, такой подход обеспечивает построение коммутаторов, возможности которых далеко выходят за пределы сегодняшних нужд. Коммутаторы ячеек должны быть параллельными, позволяя одновременно коммутировать две и более ячейки. Например, в коммутаторе баньянного типа переключение основано на проверке адресных бит, содержащихся в заголовке каждой ячейки. При таком подходе переключение является двоичным - нулевой бит указывает на необходимость передачи ячейки на верхний выход соответствующей фазы коммутатора, а единичный бит - на нижний выход.

На рис. 4 показано, как две ячейки, поступающие на коммутатор по различным входным каналам, но имеющие один и тот же адрес (8 или 100 в двоичном представлении) будут проходить через него.

Когда ячейка поступает на коммутатор, его первая фаза проверяет первый адресный бит (1) и посылает ее на нижний выход. Вторая фаза проверяет второй адресный бит (0) и посылает ячейку на верхний выход и т.д. В результате ячейка попадает на нужный выход коммутатора независимо от того, по какому входному каналу она поступила.

Этот пример показывает, что потенциальные возможности такого типа коммутаторов используются не в полную силу при коммутации единственной ячейки. В период, когда три внутренних звена используются для установления маршрута для ячейки, другие звенья простаивают. При внимательном исследовании процессов сортировки и буферизации ячеек можно разработать алгоритмы одновременной коммутации нескольких ячеек. Фиксированный размер ячеек позволяет сделать такой параллелизм реальным, а так как время прохождения всех ячеек через коммутатор одинаково, то контроллер коммутатора знает, какие маршруты свободны. Это было бы невозможно при коммутации пакетов различной длины из-за неодинакового времени их прохождения через коммутатор. Баньянный подход - один из множества возможных архитектур коммутационного поля коммутатора, но все они имеют общую черту - параллелизм.

Реализация Ш-ЦСИС

Чтобы сделать концепцию Ш-ЦСИС реальной, необходима инфраструктура, удовлетворяющая следующим требованиям:

• поддержка широкого диапазона скоростей передачи и разнообразных параметров трафика; при условии поддержки существующих услуг по каналам в 64 Кбит/с, необходимы также скорости передачи в 100 Мбит/с и более для передачи видеоинформации; следует также помнить о скученном характере трафика (то густо, то пусто) в Ш-ЦСИС;
• возможность передачи большого объема внутрисетевой информации;
• службы Интеллектуальной сети позволяют пользователям сообщаться между собой по любой передающей среде независимо от местоположения, а также подстраивать такие услуги и их параметры по своему усмотрению. Как следствие, службы Интеллектуальной сети требуют больших объемов сигнальной информации между коммутаторами и службами контроля или между службами контроля и базами данных;
• удовлетворение непредсказуемых запросов пользователей; предсказание требований пользователей станет значительно более трудной задачей по сравнению с существующим положением; услуги с большими пиковыми нагрузками и низкими средними нагрузками станут, как ожидается, наиболее распространенными. Для поддержания трафика с такими характеристиками без технологии АРП не обойтись.

Первая коммерческая ЦСИС стала доступной в Японии в 1988 году, а сегодня ежегодный прирост числа пользователей этой сети принял экспоненциальный характер. Nippon Telegraph and Telephone (NTT) планирует обеспечить абонентов видеослужбами, услугами Интеллектуальной сети к началу 21-го столетия. Эти службы потребуют создания телекоммуникационной инфраструктуры, включающей ЦСИС, Ш-ЦСИС, АРП. В качестве первого шага реализации АРП NTT выбрала передачу данных между локальными сетями. На этом этапе будет проверена технология АРП по передаче данных, которые по своей природе отличаются крайней неоднородностью. Кроме того, в это же время будут установлены АРП-коммутаторы в нескольких крупнейших городах Японии. В дальнейшем АРП-коммутаторы будут добавляться в сеть по мере необходимости. При этом будет завершена интеграция всех пользователей в единую сеть, поддерживающую службы ЦСИС и Ш-ЦСИС.

Операторы Ш-ЦСИС

Сегодня службы ЦСИС на коммерческой основе обеспечиваются телефонными компаниями по всей Японии и в большинстве городов США. Абонентская плата услуг ЦСИС различна в разных штатах США зависит от величины налогов. В некоторых штатах стоимость основных услуг ЦСИС сравнима со стоимостью дополнительной телефонной линии. При довольно большом потенциале по передаче цифровой информации на короткое расстояние сегодняшние телефонные линии не имеют пропускной способности, достаточной для предоставления ряда услуг Ш-ЦСИС. В дальнейшем будет осуществлен переход на оптоволоконный кабель.

Широкополосные ЦСИС всегда считались областью интересов в первую очередь телефонных компаний. Однако индустрия кабельного телевидения обратила внимание на большие потенциальные возможности своей кабельной сети, по которой удается передавать не только программы цифрового телевидения, но и данные, речевую информацию, телеметрию и т.д. Более того, с целью уменьшения издержек эксплуатации, уменьшения стоимости и увеличения качества операторами кабельного телевидения быстро внедряются оптоволоконные носители, что может служить готовой базой для реализации разнообразных служб Ш-ЦСИС. Как телефонные компании, так и индустрия кабельного телевидения имеют все основания стать в будущем операторами Ш-ЦСИС. Кто из них будет доминировать в этой области покажет будущее.

Литература

[1] ITU-T Recommendation I.211, B-ISDN Service Aspects, 1993.

[2] ETR 089, Broadband Integrated Services Digital Network (B-ISDN); Principles and requirements for signalling and management information transfer, 1993.

[3] Kessler G. "ISDN: concepts, facilities, and services", 2nd ed., McGraw-Hill, Inc. 1993.

[4] Stalings W. "ISDN and Broadband ISDN with Frame relay and ATM", Prentice Hall, 1995.