Коммутация в телекоммуникациях

Функции, выполняемые узлом сети в процессе организации и распада соединительных трактов между абонентами, называются коммутацией. Коммутация означает временное установление пути передачи от определенного входа до определенного выхода в сети или же в группе таких входов и выходов.

Сеть, в которой соединительные тракты сначала создаются для каждого обмена сообщениями, а после его окончания распадаются на участки, называется коммутируемой. Однако на сети всегда могут быть абоненты, имеющие постоянные соединительные тракты или тракты, организуемые на определенное время по расписанию.

Коммутация осуществляется с помощью комплекса специальных устройств под общим названием «станция коммутации». Употребительны также названия более специфические названия « автоматическая телефонная станция» и « система коммутации».

Автоматическая телефонная станция (АТС) – комплекс устройств, на котором заканчивается множество абонентских линий и который может связать линии между собой или осуществить передвижение сигнала между линиями. Коммутация на АТС означает временную связь между телефонными аппаратами, компьютерами или устройствами, которая устанавливается набором номера.

Система коммутации - устройство, которое соединяет или разъединяет две линии передачи между собой.

Пункт А Пункт Б

Рис.8.1. Место станций коммутации в обобщенной схеме системы электросвязи

В рассмотренной выше схеме передатчик и приемник могут рассматриваться как станции коммутации. В качестве линий передачи выступают двухпроводные соединительные линии между станциями. Станции коммутации являются обязательным элементом простейшей телекоммуникационной сети, рассмотренной ниже.

Простейшая телекоммуникационная сеть

Лицо, пользующееся услугами связи, называется абонентом. Для выхода на связь абонент пользуется своим абонентским устройством (телефонным аппаратом, компьютером или телевизором).

Для передачи информации от одного абонентского устройства сети к другому требуется установить соединение через соответствующее устройство. Это устройство называется станцией коммутации. Абонент идентифицирует требуемое соединение с помощью набора номера, который передается через абонентскую линию в станцию коммутации. Набранный номер содержит контрольную информацию о звонке и маршруте для установления соединений.

В принципе все телефонные аппараты можно соединять кабелями по правилу: «каждый с каждым», как это было на заре телефонии. Однако когда число телефонных аппаратов растет, то оператор вскоре замечает, что приходится часто коммутировать сигналы с одной пары проводов на другую. Очевидно, что, построив станцию коммутации в центре района массового проживания абонентов, можно значительно сократить общую длину проводов. Совсем немного проводов требуется и между районными станциями, т.к. число одновременно происходящих звонков во много раз меньше числа абонентов, см. рис. 8.2. Первые станции коммутации были ручными, коммутации делались на щите переключений.

Рис. 8.2. Простейшая телекоммуникационная сеть.

Телефонные аппараты абонентов были соединены со станциями коммутации с помощью абонентских линий, каждая из которых представляет собой пару проводов. В свою очередь станции коммутации, находящиеся на территории одного города (населенного пункта), были соединены соединительными линиями (СЛ), каждая из которых представляет собой пару проводов.

Строунджер предложил первую автоматическую станцию коммутации в 1887 году. С этого времени управление коммутацией осуществляется абонентами с помощью набора номера. Много десятилетий станции коммутации были комплексами электромеханических реле, но в последние несколько десятилетий они развились в цифровые системы коммутации с программным управлением. Современные станции имеют очень большую емкость – десятки тысяч абонентов, и тысячи из них одновременно производят звонки в час пик.

Если станции коммутации находятся в разных городах, то они соединяются линиями связи, каждая из которых содержит несколько десятков каналов связи.

Совокупность линейных и станционных средств, предназначенных для соединения двух конечных абонентских устройств, называется соединительным трактом. Число коммутационных узлов и линий связи в соединительном тракте зависит от структуры сети и направления соединения.

Структура станции коммутации

Станция коммутации представляет собой устройство, предназначенное для установления, поддержания и разъединения соединений (абонентов).

Для выполнения своих функций станция коммутации должна иметь, рис. 8.3:

· коммутационное поле (КП), состоящее из коммутаторов и предназначенное для соединения входящих и исходящих линий (каналов) на время передачи информации;

· управляющее устройство (УУ), обеспечивающее установление соединения между входящими и исходящими линиями через коммутационное поле, а также прием и передачу управляющей информации.

Рис.8.3. Основные составляющие станции коммутации

Основой станции коммутации является коммутационное поле, которое состоит из элементов коммутации, точек коммутации и коммутаторов.

Элемент коммутации – простейший ключ, который может с помощью управляющего устройства замыкаться и размыкаться. Ключом может быть металлический контакт или полупроводниковый переключатель.

Точка коммутации - несколько одновременно работающих ключей.

Коммутатор – коммутационная схема с n входами и m выходами. В каждой точке пересечения входа с выходом должен быть предусмотрена точка коммутации. На схеме входы представлены горизонтальными, а выходы вертикальными линиями.

Кроме того, на станции имеются источники электропитания, устройства сигнализации и учета параметров нагрузки (количества сообщений, потерь, длительности занятия и др.).

В некоторых случаях станция коммутации может иметь устройства приема и хранения информации, если таковая передается не непосредственно потребителю информации, а предварительно накапливается на узле. Такие узлы применяются в системах коммутации сообщений.

Рис. 8.4. Элементы коммутации, точки коммутации и коммутаторы

Главная задача телефонной станции коммутации построить соединительный тракт между абонентом А, который инициирует звонок, и абонентом Б,

соответственно информации, содержащейся в набранном номере.

Построенный разговорный тракт должен сохраняться вплоть до сигнала отбоя. Этот принцип называется коммутацией каналов в отличие от коммутации пакетов, которая часто используется в компьютерных сетях.

В прошлом коммутационное поле было электромеханическим и контролировалось импульсами с телефона. Позднее, контрольные функции были интегрированы в общий блок контроля. В настоящее время общий блок контроля представляет собой эффективный и надежный компьютер или микропроцессор со значительным программным обеспечением, работающим в режиме реального времени. Станция с таким обеспечением называют станциями коммутации с программным контролем, см. рис.8.5.

Каждая станция коммутации организует соединение между абонентами А и Б в соответствии сигнальной информацией, которую получает от абонента или от предыдущей станции. Если эта станция не является учрежденческой, то она передает сигнальную информацию к ближайшей станции чтобы строить разговорный тракт далее.

Рис. 8.5 Станция коммутации с программным контролем

Иерархия коммутаций

На заре телефонии коммутаторы или станции коммутаций были локализованы в центре района обслуживания и производили соединения для абонентов этого района. Однако и по сей день станции коммутации принято рассматривать как центральные службы.

Когда телефонная плотность выросла, и появился спрос на разговорные тракты большой длины, появилась необходимость связывать соединительными линиями центральные станции. С дальнейшим ростом телефонного обмена потребовалось уже связывать новые коммутаторы с центральными станциями, появился второй уровень коммутации, включающий в себя транзитные коммутаторы. В настоящий момент сети имеют несколько уровней коммутации.

Формы, наименования и число уровней иерархии коммутаций разнятся от страны к стране. Рис. 8.6 показывает пример возможной иерархии коммутируемой сети.

Иерархическая структура сети помогает оператору управлять сетью и сделать прозрачными основные принципы маршрутизации звонков. Звонок направляется каждой станцией вверх по иерархии, если пункт назначения не локализован по уровню ниже этой станции. Структура телефонного номера поддерживает этот простой принцип маршрутизации вверх и вниз по уровням иерархии.

Рис. 8.6. Иерархия станций коммутации

Коммутация каналов и коммутация пакетов

Известны три способа коммутации: коммутация каналов, коммутация сообщений, коммутация пакетов.

На телефонных сетях наиболее распространенным способом коммутации является коммутация каналов (линий). Он характеризуется тем, что по переданному адресу представляется тракт между передатчиком и приемником на все время передачи информации в реальном масштабе времени. Недостатком этого способа является то, что тракт в большинстве случаев используется не полностью, так как информация (речевое сообщение) прерывается длительными паузами. Это приводит к неполному использованию каналов, что, в свою очередь, требует увеличения их числа на сети для поддержания требуемого качества обслуживания вызовов. В таких системах коммутации качество обслуживания вызовов оценивается вероятностью отказов в установлении соединения из-за занятости каналов (линий) и приборов коммутации (системы с потерями) или временем ожидания обслуживания вызова (в системах с ожиданием). Перечисленные показатели нормируются.

Способ коммутации сообщений характеризуется тем, что тракт между приемником и передатчиком заранее не устанавливается, а канал в нужном направлении предоставляется по адресу, приписываемому в начале сообщения, только для передачи сообщения, а в паузах этот канал используется для передачи других сообщений. Пришедшее на коммутационную станцию (узел) сообщение (или его часть - сегмент) поступает в запоминающее устройство. После приема и анализа адреса сообщение устанавливается в очередь для передачи его в нужном направлении. Системы коммутации сообщений являются системами с ожиданием. Качество обслуживания вызовов оценивается по среднему времени задержки. Способ коммутации сообщений используется, когда не требуется работа в реальном масштабе времени. По сравнению с коммутацией каналов коммутация сообщений имеет следующие преимущества: повышается использование каналов; возможно использование разных типов каналов на разных участках; регистрируются и хранятся проходящие через узел сообщения.

При коммутации пакетов сообщение разбивается на части одинакового объема, называемые пакетами. Каждому пакету присваивается номер пакета и адрес получателя. Передача пакетов одного сообщения происходит аналогично передаче в системе с коммутацией сообщений и может осуществляться по одному или разным путям. В оконечном пункте пакеты собираются и выдаются адресату. Ведутся работы по использованию способа коммутации пакетов для передачи информации, требующей доставки в реальном масштабе времени (технологии ATM, Frame Relay и пр.).

Каждый из способов коммутации имеет свои преимущества и недостатки и может быть эффективно использован в определенных условиях и для определенных видов информации.

Передача данных по телекоммуникационным сетям

Мы можем классифицировать категории каналов, которые используются в телекоммуникационных сетях для передачи данных. В основе классификации лежит принцип построения телекоммуникационных каналов между станциями коммутации. Передача данных через телекоммуникационную сеть может проходить по трем различным типам сетей:

1. Арендованные или выделенные линии. Стоимость арендованной линии определяется помесячной платой и зависит от длины и емкости линии.

2. Сеть с коммутацией линий или каналов, связанная с набором номера адресата: Стоимость коммутационной услуги зависит от времени поддержания соединения, скорости передачи данных и от расстояния.

3. Сеть с коммутацией пакетов. Стоимость часто фиксирована и зависит от скорости передачи данных через интерфейс между компьютером и сетью. Соглашения со службой провайдера могут определять и другие параметры, такие как объем переданных данных, максимальная скорость передачи и т.д..

Внутри категории сетей с коммутацией можно выделить две подкатегории: сети с коммутацией пакетов и сети с коммутацией каналов. Обе категории используются для передачи данных, Рис 8.7 показывает простейшие сети и принципы коммутации, которые они используют.

Коммутация каналов. Сети с коммутацией каналов обладают фиксированной полосой пропускания и очень малым временем задержки сигналов. Исходная технология передачи для них была связана с голосовой телефонией, видеотелефонией и видеоконференциями. Эта технология оказалась недостаточно гибкой для передачи данных, где требования к скорости передачи сильно варьируются в коротких интервалах времени. Однако некоторые старые поколения сети передачи данных до сих пор используют принцип коммутации каналов.

В основу коммутаций каналов залажен набор номера источником данных. Маршрутизация сообщения базируется на указании номера адресата, когда канал установлен. Соединение разрывают, когда сообщение состоялось, см. рис. 8.7. Во время обмена сообщениями объем данных, прошедших через коммутатор фиксируется не взирая на то, что данные могли быть и не использованы. В конце сообщения соединение разрывают. Телефонные сети, как и цифровые системы интегрального обслуживания (ЦСИО) используют в работе принцип коммутации каналов.

Коммутация пакетов. Сети с коммутацией пакетов специально предназначены для передачи данных. Источник данных разбивает сообщение на пакеты, содержащих указания для идентификации маршрута или пункта назначения. Пакеты маршрутизируются к пункту назначения узлами сети с коммутацией пакетов.

Главный недостаток технологии коммутации пакетов состоит в том, что она не позволяет достигать низких и постоянных времён задержки сигналов. Существуют два основных типа сетей с коммутацией пакетов: сеть виртуальных каналов и сеть передачи пакетов с постановкой на очередь в случае их накопления.

Рис. 8.7 Выделенные линии и сети с коммутацией каналов и пакетов

В случае виртуальных каналов виртуальное соединение устанавливается либо в начале передачи пакета, либо оно устанавливается постоянным для всего сообщения и пакеты сообщения передаются по тому же самому установленному маршруту.

Главное различие между использованием физических и виртуальных каналов состоит в том, что, если используются виртуальные каналы вместо физических, то много пользователей делят между собой всю емкость линии передачи и каналы между узлами сети. В определенный момент активные пользователи могут использовать всю доступную ёмкость, если другие пользователи не передают ничего. Полная адресная информация не нужна в пакетах, если соединение установлено. Тогда только короткий идентификатор включается в каждый пакет, чтобы определить виртуальный канал, к которому этот пакет предназначен.

Рис. 8.8. Передача данных в сетях с коммутацией каналов и пакетов

В случае передачи в сети с коммутацией пакетов по реальным каналам имеет место безкоммутаторная передача данных (дейтаграмм), в которой специальные устройства – маршрутизаторы выполняют операции изменения маршрутов дейтаграмм в соответствии с имеющимися в них адресами пункта назначения.

Контрольные вопросы:

Чума, осложненная сальмонеллезом - лекция, которая пользуется популярностью у тех, кто читал эту лекцию.

1. Что называется коммутацией

2. Укажите элементы простейшей телекоммуникационной сети

3. Что включает в себя структура станции коммутации?

4. Перечислите уровни иерархия коммутаций.

5. Сформулируйте определение коммутации каналов и коммутации пакетов

6. Опишите три варианта передачи данных по телекоммуникационным сетям

Поделитесь ссылкой:

Популярные услуги

Коммутация в телекоммуникациях

Рекомендуемые материалы

Рекомендуемые лекции