МЕТОДИ КОМУТАЦІЇ

Методи комутації Будь-які мережі зв'язку підтримують деякий спосіб комутації своїх абонентів між собою. Цими абонентами можуть бути віддалені комп'ютери, локальні мережі, факс-апарати або просто співрозмовники, що спілкуються за допомогою телефонних апаратів. Практично неможливо надати кожній парі взаємодіючих абонентів свою власну фізичну лінію зв'язку, яка не комутується, по якою вони могли б монопольно "володіти" протягом тривалого часу. Тому в будь-якій мережі завжди застосовується який-небудь спосіб комутації абонентів, що забезпечує приступність наявних фізичних каналів одночасно для декількох сеансів зв'язку між абонентами мережі. На мал. 1 показана типова структура мережі з комутацією абонентів.

Мал.1. Загальна структура мережі з комутацією абонентів.

Абоненти з'єднуються з комутаторами індивідуальними лініями зв'язку, кожна з який використовується в будь-який момент часу тільки одним, закріпленим за цією лінією абонентом. Між комутаторами лінії зв'язку розділяються декількома абонентами, тобто використовуються спільно.

Існують три принципово різні схеми комутації абонентів у мережах: комутація каналів (circuit switching), комутація пакетів (packet switching) і комутація повідомлень (message switching). Зовні всі ці схеми відповідають приведеній на мал. 1 структурі мережі, однак можливості і властивості їх різні. Мережі з комутацією каналів мають більш багату історію, вони ведуть своє походження від перших телефонних мереж. Мережі з комутацією пакетів порівняно молоді, вони з'явилися наприкінці 60-х років як результат експериментів з першими глобальними комп'ютерними мережами. Мережі з комутацією повідомлень послужили прототипом сучасних мереж з комутацією пакетів і сьогодні вони в чистому виді практично не існують.

Кожна з цих схем має свої переваги і недоліки, але за прогнозами багатьох фахівців майбутнє належить технології комутації пакетів, як більш гнучкої й універсальний.

Як мережі з комутацією пакетів, так і мережі з комутацією каналів можна поділити на два класи по іншій ознаці — на мережі з динамічною комутацією і мережі з постійною комутацією.

В першому випадку мережа дозволяє встановлювати з'єднання з ініціативи користувача мережі. Комутація виконується на час сеансу зв'язку, а потім (знову ж з ініціативи одного з взаємодіючих користувачів) зв'язок розривається. У загальному випадку будь-який користувач мережі може з'єднатися з будь-яким іншим користувачем мережі. Звичайно період з'єднання між парою користувачів при динамічній комутації складає від декількох секунд до декількох годин і завершується при виконанні визначеної роботи — передачі файлу, перегляду сторінки чи тексту зображення і т.п.

В другому випадку мережа не надає користувачу можливість виконати динамічну комутацію з іншим довільним користувачем мережі. Замість цього мережа дозволяє парі користувачів замовити з'єднання на тривалий період часу. З'єднання встановлюється не користувачами, а персоналом, що обслуговує мережу. Час, на яке встановлюється постійна комутація, виміряється звичайно декількома місяцями (роками). Режим постійної комутації в мережах з комутацією каналів часто називається сервісом виділених (dedicated) чи орендованих (leased) каналів.

Прикладами мереж, що підтримують режим динамічної комутації, є телефонні мережі загального користування, локальні мережі, мережі TCP/IP.

Найбільш популярними мережами, що працюють у режимі постійної комутації, сьогодні є мережі технології SDH, на основі яких будуються виділені канали зв'язку з пропускною здатністю в декілька гігабіт у секунду. Деякі типи мереж підтримують обидва режими роботи. Наприклад, мережі Х.25 і ATM можуть надавати користувачу можливість динамічно зв'язатися з будь-яким іншим користувачем мережі й у той же час відправляти дані по постійному з'єднанню одному цілком визначеному абоненту.

Методи комутацiї i розподiл каналiв.

Комутацiя каналiв

Комутацiя каналiв (circuit (line) switching) - це спосiб органiзацiї прямого зв'язку мiж двома чи декiлькома абонентами для обмiну iнформацiєю в реальному часi. Установлення з'єднання при комутацiї каналiв здiйснюється шляхом набору номера абонентом, що викликає.

Мережа з комутацією каналів — вид телекомунікаційної мережі, у якій між двома вузлами мережі повинне бути встановлене з'єднання (канал), перш ніж вони почнуть будь-який обмін інформацією. Це з'єднання протягом усього сеансу обміну інформацією може використовуватися тільки вказаними двома вузлами. Після завершення обміну з'єднання має бути відповідним чином розірване. Приклади Типовим прикладом є ранні телефонні мережі. Абонент мав попросити оператора з'єднати його з іншим абонентом, під'єднаним до того ж комутатора або іншого комутатора через лінію зв'язку (і іншого оператора). В будь-якому разі кінцевим результатом було фізичне електричне з'єднання між телефонними апаратами абонентів протягом усієї розмови. Провідник, задіяний для з'єднання, не міг бути використаний для передачі інших розмов у цей час, навіть якщо абоненти насправді не розмовляли і в лінії була тиша. Пізніше стало можливим ущільнення однієї фізичної лінії для утворення в ній декількох каналів. Незважаючи на це, один канал ущільненої лінії так само міг використовуватися лише однією парою абонентів. Переваги • Висока стабільність параметрів каналу у часі. • Відсутність необхідності у передачі службової інформації після встановлення з'єднання. • Комутація каналів може використовуватися як у аналогових, так і у цифрових мережах зв'язку, на відміну від комутації пакетів, яка можлива тільки у цифрових мережах. Недоліки • Комутація каналів вважається недостатньо ефективним способом комутації, тому що канальна ємність частково витрачається на підтримання з'єднань, що встановлені, але (в даний момент) не використовуються. Альтернатива Комутація каналів принципово відрізняється від комутації пакетів, при якій дані, що передаються (нарпиклад, оцифрований звук або дані з комп'ютерної мережі) розділяються на окремі пакети, які окремо передаються через мережу загального користування.

Комутацiя пакетiв

Комутацiя пакетiв (packet switching) - це спосiб органiзацiї зв'язку мiж двома кiнцевими пунктами за допомогою логiчних (вiртуальних) каналiв без установлення прямого зв'язку, передача даних здiйснюється за допомогою пакетiв. Вiртуальнi канали можуть бути двох видiв: що некомутуються i що комутуються. Вiртуальнi канали, що некомутуються, органiзуються вручну (кросуванням) на заданий перiод часу. Вiртуальнi канали, що комутуються, органiзуються на кожен виклик. У вiртуальному каналi на кожен виклик установлюється визначений маршрут, i всi пакети даного виклику проходять по ньому через мережу.

Першими з'явилися мережі комутації каналів, коли користувачі безпосередньо з'єднувалися між собою. Через вузли мережі за допомогою кабелю створюється транзитний канал, по якому передається інформація. Цей канал утворюється на початку сеансу, є фіксованим протягом усієї передачі і роз'єднується після її закінчення, тобто пряме сполучення каналів однієї з груп мережі залишається незмінним протягом усього сеансу. Така технологія реалізації передачі інформації є досить зручною, але має низький коефіцієнт використання каналів, високу вартість передачі даних, значні витрати часу на очікування інших клієнтів.

При комутації повідомлень інформація передається порціями (повідомленнями). Пряме сполучення не встановлюється, а передача повідомлення починається після звільнення першого каналу і так далі, доки повідомлення не дійде до адресата. Кожний сервер здійснює приймання інформації, її складання, перевірку, маршрутизацію та передачу повідомлення. Недоліками комутації повідомлень є низька швидкість передачі даних і неможливість діалогу між клієнтами, хоча вартість передачі зменшується. Зі створенням модемів електронно-обчислювальна машина (ЕОМ) і термінали можуть здійснювати обмін інформацією через телефонні лінії. Проте, телефонні системи не пристосовані для передачі великих обсягів даних. У цьому середовищі через перебої зв'язку втрата інформації може мати серйозні наслідки для ЕОМ. Крім того, телефонні мережі не задовольняють вимоги щодо надійності, цілісності та швидкодії. Однак, вони дешеві й дуже поширені. Тому зараз найпоширенішим способом підключення до мережі є передача інформації по телефонних лініях за допомогою модемів. При цьому модем може сам набрати потрібний телефонний номер і з'єднатися з модемом іншої ЕОМ.

У результаті розвитку мережевої технології з'явилася концепція комутації пакетів. У вузлах мережі розміщують сервери, здатні забезпечити можливість багатьом терміналам й ЕОМ спільно використовувати загальну комутаційну лінію, що має велику пропускну здатність. Кожне повідомлення поділяється на короткі пакети однакового розміру і фіксованої структури. Пакет — частина повідомлення, що задовольняє певний стандарт. У мережі Інтернет — це стандарти TCP та IP. Протокол TCP розбиває повідомлення на пакети і нумерує їх, щоб при одержанні інформації можна було правильно скласти повідомлення. Мережа передає пакети по черзі за допомогою протоколу IP. Оскільки окремі пакети можуть мандрувати мережею Інтернет різними шляхами, порядок надходження частин (пакетів) може бути порушений. Після одержання всіх пакетів TCP розміщує їх у певному порядку і складає в єдине ціле. Крім того, після пересилання пакету кожний вузол (комутаційний сервер) очікує підтвердження того, що пакет отриманий належним чином; інакше відбувається повторна передача. Це дає змогу запобігти ситуації, коли повідомлення доводиться передавати повністю знову і знову через єдину помилку. Унаслідок цього, значно зросла пропускна здатність мереж. Мала довжина пакетів запобігає блокуванню ліній зв'язку, не дає зростати черзі у вузлах комутації. Це забезпечує швидке з'єднання, низький рівень помилок, надійність та ефективність використання мережі. Модеми прискорюють передачу даних завдяки паралельному виконанню процедур поділу даних на пакети, перевірці помилок і повторній передачі, процедури стиснення даних.

Концепція комутації пакетів ґрунтується на адресації. До кожної одержаної порції інформації протокол IPдодає службову інформацію, яка містить адреси відправника й одержувача інформації. Термінал визначає мережеву адресу, звертаючись до вузла з вимогою встановити зв'язок з ЕОМ за цією адресою. Зв'язок термінала з вузлом мережі здійснюється викликом через місцеву телефонну мережу. Мережевому вузлу відомо, які зв'язки доступні завдяки каталогу в пам'яті. Завдяки цьому, мережеві вузли створюють можливість передачі даних із проміжним накопиченням. Ця технологія дала змогу мережі функціонувати при повних і «м'яких» відмовах (шуми, зайнятість) на окремих ділянках. Проблема маршрутизації, при передачі пакета, вирішується програмно-апаратними засобами. Найпоширенішими методами є фіксована маршрутизація і маршрутизація методом найкоротшої черги. Фіксована маршрутизація припускає наявність таблиці маршрутів, у якій закріплюється маршрут від одного клієнта до іншого, що забезпечує простоту реалізації, але, водночас, і нерівномірне завантаження мережі. У методі найкоротшої черги використовуються кілька таблиць, у яких канали розставлено за пріоритетами. Пріоритет є функція оберненою відстані до адресата. Передача починається з першого вільного каналу з вищим пріоритетом. За використання цього методу мінімальною є затримка передачі пакета.

Комутація пакетів реалізувала принципи адаптивності та динамічності. Мережа вибирає оптимальний маршрут щоразу, коли потрібно переслати інформацію. Маршрути інформації можуть змінюватися від пакета до пакета, від вузла до вузла, навіть посеред повідомлення, адаптуючись до відмов, шумів і зайнятості каналів. Коли умови нормалізуються, лінії відновлюються, мережа без втручання людини адаптується до нових умов. Отже, у мережі з комутацією пакетів показники тривалості та доступності практично є абсолютними.

Віртуальні канали у мережах з комутацією пакетів

Комутацiя повiдомлень

Комутацiя повiдомлень (message switching) побудована за принципом повного переприйому повiдомлень у вузлi комутацiї й обов'язкового дотримання форматiв повiдомлень. Процес маршрутизацiї повiдомлення, пошуку i з'єднання ланцюгiв, власне, i є комутацiєю повiдомлень. Особливiстю комутацiї повiдомлень є те, що нi вiдправник, нi одержувач повiдомлення особистої участi в процесi передачi не приймають. Передача повiдомлень вiдбувається за етапами. Вони передаються з кiнцевого вузла вiдправника в сумiжний переприйомний вузол, де обробляються i передаються далi на iнший такий же вузол зв'язку. Цей цикл переприйому повторюється доти, поки передане повiдомлення не досягне кiнцевого пункту.

Комутацiя вiртуальних каналiв

Комутацiя вiртуальних каналiв (virtual switching) являє собою вид комутацiї, що сполучить достоїнства комутацiї пакетiв i комутацiї каналiв. З'єднання в основному здiйснюються на транспортному рiвнi моделi взаємодiї вiдкритих систем (OSI), а користувач звiльняється вiд необхiдностi контролювати послiдовнiсть проходження iнформацiї з мережi.

Тимчасова комутацiя

Метод тимчасової комутацiї (time-division switching) - це комутацiя каналiв з тимчасовим мультиплексуванням, заснована на розподiлу даних рiзних каналiв, що комутируються, по тимчасових iнтервалах усерединi кадру. Тимчасовий комутатор побудований на основi буферної пам'ятi, запис виробляється в її елементи послiдовним опитуванням входiв, а комутацiя здiйснюється завдяки зчитуванню даних на виходi з потрiбних елементiв пам'ятi.

Тимчасовий подiл каналiв (ТПК)

В основу ТПК покладений принцип почергової передачi в груповому трактi кодованих дискретних вiдлiкiв кожного каналу за допомогою комутатора, що називається мультиплексором. Спочатку передається кодова послiдовнiсть першого каналу, потiм iншого каналу i т.д., до останнього каналу, пiсля чого процес перiодично повторюється. Короткий промiжок часу, вiдведений для передачi кодової послiдовностi iндивiдуального каналу, називається тимчасовим слотом (Time Slot - TS), так що мультиплексний сигнал представляється у виглядi послiдовностей TS, що чергуються. ТПК вимагає синхронiзацiї передавального i приймального устаткування.

Частотний подiл каналiв (ЧПК)

При ЧПК увесь спектр частотного дiапазону, який використовує система передачi, розбивається на деяке число частотних смуг, у яких здiйснюється передача вихiдних iнформацiйних сигналiв. Окремi смуги частот називаються каналами; апаратура, що здiйснює розбивку на смуги частот окремих каналiв, - апаратурою каналоутворення (ущiльнення), чи мультиплексором. Перенос спектрiв сигналiв в область частот, вiдведену для передачi групового сигналу, здiйснюється за допомогою модуляцiї гармонiйної несущої. При цьому може використовуватися будь-який вид модуляцiї аналогових сигналiв. На приймальнiй сторонi груповий сигнал роздiляється за допомогою частотних смугових фiльтрiв на окремi спектри, що вiдповiдають iндивiдуальним каналам, i демодулюється. Канальнi демодулятори перетворять спектри сигналiв у спектри повiдомлень, призначенi для одержувачiв.

Спектральний подiл каналiв (СПК)

СПК (WDW - Wavelength Division Multiplexing) як рiзновид ЧПК використовується для передачi безлiчi незалежних iнформацiйних потокiв одним волоконо-оптичним трактом. Допускаються передачi аналогових i цифрових сигналiв незалежно вiд протоколiв i швидкостей передачi. Кожен потiк передається на своїй довжинi хвилi в межах вiкна прозоростi волоконного свiтоводу. Звичайно це вiкно 1550 нм. Передача забезпечується шляхом мультиплексування окремих несущих частот з iнформацiйними сигналами i наступним демультиплексуванням переданого сигналу на окремi потоки. Принцип СПК застосовується в апаратурi волоконно-оптичних систем передач.

Частотно-тимчасовий подiл каналiв (ЧТПК)

ЧТПК полягає в тому, що спочатку смуга частот, призначена для передачi аналогових сигналiв (наприклад, смуга каналу ТЧ) розбивається на декiлька пiдполос, а потiм у кожнiй з них виробляється подiл каналiв по тимчасовому принципу (ТПК). В iндивiдуальних цифрових каналах, сформованих таким чином, може використовуватися будь-який вид модуляцiї дискретних сигналiв (IКМ, ДIКМ), а для модуляцiї групових сигналiв у кожнiй з пiдполос - будь-який вид модуляцiї аналогових сигналiв (AM, ЧМ, ФМ i iн.). Принцип ЧТПК використовується в телеграфній каналоутворюючий апаратурi.

Кодовий подiл каналiв (КПК)

При КПК кожному iндивiдуальному каналу призначається своя характерна ключова ознака (код). Такою ознакою може бути номер приймача одержувача iнформацiї. Потiм iндивiдуальнi канали поєднуються в передавачi в груповий сигнал, що передається по каналу зв'язку. Кожному iндивiдуальному каналу видiляється одна і та ж сама широка смуга частот, так що пiд час передачi канали накладаються один на одного, але оскiльки їх коди вiдрiзняються, вони можуть бути легко видiленi на прийомнiй сторонi. Принцип КПК реалiзований у системах сотового радiозв'язку, що використовують технологiю багатостанцiонного доступу CDMA.

Комутація каналів на основі частотного мультиплексування

Техніка частотного мультиплексування каналів (FDM) була розроблена для телефонних мереж, але застосовується вона і для інших видів мереж, наприклад мереж кабельного телебачення. Розглянемо особливості цього виду мультиплексування на прикладі телефонної мережі.

Мовні сигнали мають спектр шириною приблизно в 10 000 Гц, однак основні гармоніки укладаються в діапазон від 300 до 3400 Гц. Тому для якісної передачі мови досить утворити між двома співрозмовниками канал зі смугою пропущення в 3100 Гц, що і використовується в телефонних мережах для з'єднання двох абонентів. У той же час смуга пропущення кабельних систем з проміжними підсилювачами, що з'єднують телефонні комутатори, між собою, звичайно складає сотні кілогерців, а іноді і сотні мегагерц. Однак безпосередньо передавати сигнали декількох абонентських каналів по широкополосному каналу неможливо, тому що усі вони працюють у тому самому діапазоні частот і сигнали різних абонентів змішаються між собою так, що розділити їх буде неможливо.

Для поділу абонентських каналів характерна техніка модуляції високочастотного несучого синусоїдального сигналу низькочастотним мовним сигналом (мал. 2.26). Ця техніка подібна техніці аналогової модуляції при передачі дискретних сигналів модемами, тільки замість дискретного вихідного сигналу використовуються безупинні сигнали, що породжуються звуковими коливаннями. У результаті спектр модульованого сигналу переноситься в інший діапазон, що симетрично розташовується відносно несучої частоти і має ширину, що приблизно збігається із шириною сигналу, що модулює.

мал. 2.26.Техніка модуляції високочастотного несучого синусоїдального сигналу низькочастотним мовним сигналом.