== Комутацiя каналiв ==

Комутація каналів має на меті створення неперервного складеного фізичного каналу з послідовно з'єднаних окремих канальних ділянок для прямої передачі даних між вузлами. Окремі канали з'єднуються між собою спеціальною апаратурою – комутаторами, що можуть встановлювати зв'язок між будь-якими кінцевими вузлами мережі. У мережі з комутацією каналів перед передачею даних завжди необхідно виконати процедуру встановлення з'єднання, в процесі якої і створюється складений канал. Комутатори, а також канали, що їх з’єднують повинні забезпечувати одночасну передачу даних декількох абонентських каналів. Для цього вони мають бути високошвидкісними і підтримувати деяку техніку мультиплексування абонентських каналів. В даний час для мультиплексування абонентських каналів використовуються дві техніки: • техніка частотного мультиплексування (Frequency Division Multiplexing, FDM); • техніка мультиплексування з поділом часу (Time Division Multiplexing, TDM). Комутація каналів на основі частотного мультиплексування. Техніка частотного мультиплексування каналів (FDM) була розроблена для телефонних мереж, але застосовується вона і в інших видах 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 вкладаються в діапазон від 300 до 3400 Гц. Тому, для якісної передачі мови, досить створити між двома співрозмовниками канал зі смугою пропускання в 3100 Гц, який і використовується в телефонних мережах для з'єднання двох абонентів. Водночас смуга пропускання кабельних систем із проміжними підсилювачами, що з'єднують телефонні комутатори між собою, звичайно складає сотні кілогерц, а іноді і сотні мегагерц. Для поділу абонентських каналів характерна техніка модуляції високочастотної несучої синусоїдального сигналу низькочастотним мовним сигналом (Мал. 24). Ця техніка подібна техніці аналогової модуляції при передачі дискретних сигналів модемами, тільки замість дискретного вихідного сигналу використовуються неперервні сигнали, породжені звуковими коливаннями. У результаті, спектр модульованого сигналу переноситься в інший діапазон, що симетрично розташовується щодо несучої частоти і має ширину, яка приблизно збігається із шириною модулюючого сигналу.

[файл:komut_pak.jpg]

Мал. 24 Модуляція мовним сигналом. Якщо сигнали кожного абонентського каналу перенести у власний діапазон частот, то в одному широкополосному каналі можна одночасно передавати сигнали декількох абонентських каналів. На входи FDM-комутатора надходять вихідні сигнали від абонентів телефонної мережі. Комутатор виконує перенос частоти кожного каналу у свій діапазон частот. Звичайно високочастотний діапазон поділяється на смуги, що призначаються для передачі даних абонентських каналів. Щоб низькочастотні складові сигналів різних каналів не змішувалися між собою, смуги роблять шириною в 4 Кгц, а не в 3,1 Кгц, залишаючи між ними страховий проміжок у 900 Гц. У каналі між двома FDM-комутаторами одночасно передаються сигнали всіх абонентських каналів, але кожний з них займає свою смугу частот. Такий канал називають ущільненим. Вихідний FDM-комутатор виділяє модульовані сигнали кожної несучої частоти і передає їх на відповідний вихідний канал, до якого безпосередньо підключений абонентський телефон. Комутатори FDM можуть виконувати і динамічну, і постійну комутацію. При динамічній комутації один абонент ініціює з'єднання з іншим абонентом, посилаючи в мережу номер викликуваного абонента. Комутатор динамічно виділяє даному абоненту одну з вільних смуг свого ущільненого каналу. При постійній комутації за абонентом смуга в 4 Кгц закріплюється на тривалий термін шляхом надання комутатором окремого входу, недоступного іншим користувачам. Принцип комутації на основі поділу частот залишається незмінним і в мережах іншого виду, змінюються тільки границі смуг, що виділяються окремому абонентському каналу, а також кількість низькошвидкісних каналів в ущільненому високошвидкісному. Комутація каналів на основі поділу часу. Комутація на основі техніки поділу частот розроблялася в розрахунку на передачу неперервних сигналів, що представляють голос. При переході до цифрової форми представлення голосу була розроблена нова техніка мультиплексування, що орієнтується на дискретний характер переданих даних. Ця техніка зветься мультиплексування з поділом часу (Time Division Multiplexing, TDM). Рідше використовується й інша її назва – техніка синхронного режиму передачі (Synchronous Transfer Mode, STM). Апаратура TDM-мереж – мультиплексори, комутатори, демультиплексори – працює в режимі поділу часу, по черзі обслуговуючи протягом циклу своєї роботи всі абонентські канали. Цикл роботи устаткування TDM дорівнює 125 мкс, що відповідає періоду проходження вимірів голосу в цифровому абонентському каналі. Це значить, що мультиплексор чи комутатор встигає вчасно обслужити будь-який абонентський канал і передати його черговий вимір далі мережею. Кожному з'єднанню виділяється один квант часу циклу роботи апаратури, іменований також тайм-слотом. Тривалість тайм-слоту залежить від числа абонентських каналів, що обслуговуються мультиплексором TDM чи комутатором. Мультиплексор приймає інформацію з N вхідних каналів від кінцевих абонентів, кожен з який передає дані абонентським каналом зі швидкістю 64 Кбіт/с – 1 байт кожні 125 мкс. У кожному циклі мультиплексор виконує наступні дії: • прийом від кожного каналу чергового байта даних; • складання з прийнятих байтів ущільненого кадру, який також називають обоймою; • передача ущільненого кадру на вихідний канал з бітовою швидкістю, рівної Nx64 Кбіт/с. Порядок байт в обоймі відповідає номеру вхідного каналу, від якого цей байт отриманий. Кількість абонентських каналів, що обслуговуються мультиплексором залежить від його швидкодії. Наприклад, мультиплексор Т1, що представляє собою перший промисловий мультиплексор, який працював за технологією TDM, підтримує 24 вхідних абонентських каналів, створюючи на виході обойми стандарту Т1, передаючи дані з бітовою швидкістю 1,544 Мбіт/с. Демультиплексор виконує зворотну задачу – він розбирає байти ущільненого кадру і розподіляє їх по декількох своїх вихідних каналах, при цьому він вважає, що порядковий номер байта в обоймі відповідає номеру вихідного каналу. Комутатор приймає ущільнений кадр по швидкісному каналі від мультиплексора і записує кожен байт із нього в окремий осередок своєї буферної пам'яті, причому в тому порядку, у якому ці байти були упаковані в ущільнений кадр. Для виконання операції комутації байти вибираються з буферної пам'яті не в порядку надходження, а в такому порядку, який відповідає підтримуваним у мережі з'єднанням абонентів. Один раз виділений номер тайм-слоту залишається в розпорядженні з'єднання «вхідний канал – вихідний слот» протягом усього часу існування цього з'єднання, навіть якщо переданий трафік є пульсуючим і не завжди вимагає захопленої кількості тайм-слотів. Це означає, що з'єднання в мережі TDM завжди має відому і фіксовану пропускну здатність, кратну 64 Кбіт/с. Мережі, що використовують техніку TDM, вимагають синхронної роботи всього устаткування, що і визначило іншу назву цієї техніки – синхронний режим передач (STM). Порушення синхронності руйнує необхідну комутацію абонентів, тому що при цьому губиться адресна інформація. Тому перерозподіл тайм-слотів між різними каналами в устаткуванні TDM неможливий, навіть якщо в якомусь циклі роботи мультиплексора тайм-слот одного з каналів є надлишковим, тому що на вході такого каналу в цей момент немає даних для передачі (наприклад, абонент телефонної мережі мовчить). Існує модифікація техніки TDM, названа статистичним поділом каналу в часі (Statistical TDM, STDM). Ця техніка розроблена спеціально для того, щоб за допомогою тимчасово вільних тайм-слотів одного каналу можна було збільшити пропускну здатність інших. Для вирішення цієї задачі кожен байт даних доповнюється полем адреси невеликої довжини, наприклад у 4 чи 5 біт, що дозволяє мультиплексувати 16 чи 32 канали. Однак техніка STDM не знайшла широкого застосування і використовується в основному для підключення терміналів до мейнфреймів. Розвитком ідей статистичного мультиплексування стала технологія асинхронного режиму передачі – ATM, що увібрала в себе кращі риси техніки комутації каналів і пакетів. Мережі TDM можуть підтримувати або режим динамічної комутації, або режим постійної комутації, а іноді й обидва ці режими. Так, наприклад, основним режимом цифрових телефонних мереж, що працюють на основі технології TDM, є динамічна комутація, але вони підтримують також і постійну комутацію, надаючи своїм абонентам службу виділених каналів. Сьогодні практично всі дані – голос, зображення, комп'ютерні дані – передаються в цифровій формі. Тому виділені канали TDM-технології, що забезпечують нижній рівень для передачі цифрових даних, є універсальними каналами для побудови мереж будь-якого типу: телефонних, телевізійних і комп'ютерних. Загальні властивості мереж з комутацією каналів. Мережі з динамічною комутацією вимагають попередньої процедури встановлення з'єднання між абонентами. Для цього в мережу передається адреса абонента, що викликається, яка проходить через комутатори і налаштовує їх на наступну передачу даних. Запит на встановлення з'єднання передається від одного комутатора до іншого і зрештою досягає абонента, якого викликають. Мережа може відмовити у встановленні з'єднання, якщо ємність необхідного вихідного каналу уже вичерпана. Для FDM-комутатора ємність вихідного каналу дорівнює кількості частотних смуг цього каналу, а для TDM-комутатора – кількості тайм-слотів, на які поділяється цикл роботи каналу. Мережа відмовляє в з'єднанні також у тому випадку, якщо абонент вже встановив з'єднання з іншим абонентом. У першому випадку говорять, що зайнятий комутатор, а в другому – абонент. Можливість відмови в з'єднанні є недоліком методу комутації каналів. Якщо з'єднання може бути встановлено, то йому виділяється фіксована смуга частот у FDM-мережах чи фіксована пропускна здатність у TDM-мережах. Ці величини залишаються незмінними протягом усього періоду з'єднання. Гарантована пропускна здатність мережі після встановлення з'єднання є важливою властивістю, необхідною для таких додатків, як передача голосу, зображення чи керування об'єктами в реальному масштабі часу. Однак динамічно змінювати пропускну здатність каналу за вимогою абонента, мережі з комутацією каналів не можуть, що робить їх неефективними в умовах пульсуючого трафіка. Недоліком мереж з комутацією каналів є неможливість застосування користувацької апаратури, що працює з різною швидкістю. Окремі частини складеного каналу працюють з однаковою швидкістю, тому що мережі з комутацією каналів не буферизують дані користувачів. Мережі з комутацією каналів добре пристосовані для комутації потоків даних постійної швидкості, коли одиницею комутації є не окремий байт чи пакет даних, а довгостроковий синхронний потік даних між двома абонентами. Для таких потоків мережі з комутацією каналів додають мінімум службової інформації для маршрутизації даних через мережу, використовуючи тимчасову позицію кожного біта потоку в якості його адреси призначення в комутаторах мережі. У залежності від напрямку можливої передачі дані способи передачі даних по лінії зв'язку поділяються на наступні типи: • симплексний – передача здійснюється лінією зв'язку тільки в одному напрямку; • напівдуплексний – передача ведеться в обох напрямках, але поперемінно в часі. Прикладом такої передачі служить технологія Ethernet; • дуплексний – передача ведеться одночасно в двох напрямках. Дуплексний режим – найбільш універсальний і продуктивний спосіб роботи каналу. Найпростішим варіантом організації дуплексного режиму є використання двох незалежних фізичних каналів (двох пар провідників чи двох світловодів) у кабелі, кожен з яких працює в симплексному режимі, тобто передає дані в одному напрямку. Саме така ідея лежить в основі реалізації дуплексного режиму роботи в багатьох мережевих технологіях, наприклад Fast Ethernet чи ATM. Іноді таке просте рішення є недоступним чи неефективним. Найчастіше це відбувається в тих випадках, коли для дуплексного обміну даними є всього один фізичний канал, а організація другого зв'язана з великими витратами. Наприклад, при обміні даними за допомогою модемів через телефонну мережу в користувача є тільки один фізичний канал зв'язку з АТС – двопровідникова лінія. У таких випадках дуплексний режим роботи організується на основі поділу каналу на два логічних підканали за допомогою техніки FDM чи TDM. Модеми для організації дуплексного режиму роботи на двопровідниковій лінії застосовують техніку FDM. Модеми, що використовують частотну модуляцію, працюють на чотирьох частотах: дві частоти – для кодування даних в одному напрямку, а інші дві частоти – для передачі даних у зворотному напрямку. При цифровому кодуванні дуплексний режим на двопровідниковій лінії організовується за допомогою техніки TDM. Частина тайм-слотів використовується для передачі даних в одному напрямку, а частина – для передачі в іншому. Звичайно тайм-слоти протилежних напрямків чергуються, через що такий спосіб іноді називають «пінг-понговою» передачею. TDM-поділ лінії характерний наприклад, для цифрових мереж з інтеграцією послуг (ISDN) на абонентських двопровідникових лініях. У оптоволоконних кабелях при використанні одного оптичного волокна для організації дуплексного режиму роботи застосовується передача даних в одному напрямку за допомогою світлового пучка однієї довжини хвилі, а в зворотному – іншої довжини хвилі. Така техніка відноситься до методу FDM, однак для оптичних кабелів вона одержала назву поділу за довжиною хвилі (Wave Division Multiplexing, WDM). WDM застосовується і для підвищення швидкості передачі даних в одному напрямку, звичайно використовуючи від 2 до 16 каналів.