2.4.1. Комутація каналів

Під комутацією каналів розуміється утворення складного 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'язку між будь-якими кінцевими вузлами мережі. У мережі з комутацією каналів перед передачею даних завжди необхідно виконати процедуру встановлення з'єднання, у процесі якої і створюється складений канал.

Наприклад, якщо мережа, зображена на мал. 2.25, працює за технологією комутації каналів, то вузол 1, щоб передати дані вузлу 7, насамперед повинний передати спеціальний запит на встановлення з'єднання комутатору А, вказавши адресу призначення 7. Комутатор А повинний вибрати маршрут утворення складеного каналу, а потім передати запит наступному комутатору, у даному випадку Е. Потім комутатор Е передає запит комутатору F, а той, у свою чергу, передає запит вузлу 7. Якщо вузол 7 приймає запит на встановлення з'єднання, він направляє по уже встановленому каналу відповідь вихідному вузлу, після чого складений канал вважається зкомутованим і вузли 1 і 7 можуть обмінюватися по ньому даними, наприклад вести телефонну розмову.

Комутатори, а також з'єднуючі їхні канали повинні забезпечувати одночасну передачу даних декількох абонентських каналів. Для цього вони повинні бути високошвидкісними і підтримувати яку-небудь техніку мультиплексування абонентських каналів.

В даний час для мультиплексування абонентських каналів використовуються дві техніки:

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. Модуляція мовним сигналом

Якщо сигнали кожного абонентського каналу перенести у свій 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 виділяються для передачі даних абонентських каналів (мал. 2.27). 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.

Мал.2.27. Комутація на основі частотного ущільнення

Вихідний FDM-комутатор виділяє модульовані сигнали кожної несучої частоти і передає їх на відповідний вихідний канал, до якого безпосередньо підключений абонентський телефон.

У мережах на основі FDM-комутації прийнято кілька рівнів ієрархії ущільнених каналів. Перший рівень ущільнення утворять 12 абонентських каналів, що складають базову групу каналів, яка займає смугу частот шириною в 48 кГц із границями від 60 до 108 кГц. Другий рівень ущільнення утворять 5 базових груп, що складають супергрупу, зі смугою частот шириною в 240 кГц і з границями від 312 до 552 кГц. Супергрупа передає дані 60 абонентських каналів тональної частоти. Десять супергруп утворять головну групу, що використовується для зв'язку між комутаторами на великих відстанях. Головна група передає дані 600 абонентів одночасно і вимагають від каналу зв'язку смугу пропущення шириною не менш 2520 кГц із границями від 564 до 3084 кГц.

Комутатори FDM можуть виконувати як динамічну, так і постійну комутацію. При динамічній комутації один абонент ініціює з'єднання з інші абонентом, посилаючи в мережу номер абонента, якого він викликає. Комутатор динамічно виділяє даному абоненту одну з вільних смуг свого ущільненого каналу. При постійній комутації за абонентом  закріплюється смуга в 4 кГц на тривалий термін шляхом настроювання комутатора по окремому входу, недоступному користувачам.

Принцип комутації на основі поділу частот залишається незмінним і в мережах іншого виду, міняються тільки границі смуг, які виділяються окремому абонентському каналу, а також кількість низько швидкісних каналів в ущільненому високошвидкісному.

Комутація каналів на основі поділу часу

Комутація на основі техніки поділу частот створювалася в розрахунку на передачу безупинних сигналів, що представляють голос. При переході до цифрової форми представлення голосу була розроблена нова техніка мультиплексування, яка орієнтується на дискретний характер даних, що передаються .

Ця техніка зветься мультиплексуванням з поділом часу (Time Division Multiplexing, TDM). Іноді використовується й інша її назва — техніка синхронного режиму передачі (Synchronous Transfer Mode, STM). Малюнок 2.28 пояснює принцип комутації каналів на основі техніки TDM.

Мал. 2.28 Комутація на основі розподілу каналу за часом

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 по мережі. Кожному з'єднанню виділяється один квант часу циклу роботи апаратури, який називається також тайм-слотом. Тривалість тайм-слота залежить від числа абонентських каналів, що обслуговуються мультиплексором TDM чи комутатором.

Мультиплексор приймає інформацію з N вхідних каналів від кінцевих абонентів, кожний з яких передає дані по абонентському каналу зі швидкістю 64 Кбіт/с — 1 байт кожні 125 мкс. В кожному циклі мультиплексор виконує наступні дії:

Порядок байт в обоймі відповідає номеру вхідного каналу, від якого цей байт отриманий. Кількість що обслуговуються мультиплексором абонентських каналів залежить від його швидкодії. Наприклад, мультиплексор Т1, що представляє собою перший промисловий мультиплексор, що працює за технологією TDM, підтримує 24 вхідних абонентських каналів, створюючи на виході обойми стандарту Т1, передані з бітовою швидкістю 1,544 Мбіт/с.

Демультиплексор виконує зворотною задачу — розбирає байти ущільненого кадру і розподіляє їх по своїм декільком вихідним каналам, 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 з нього в окрему комірку своєї буферної пам'яті, причому в тому порядку, у якому ці байти були упаковані в ущільнений кадр. Для виконання операції комутації байти витягаються з буферної пам'яті не в порядку надходження, а в такому порядку, що відповідає підтримуваним у мережі з'єднанням абонентів.

Так, наприклад, якщо перший абонент лівої частини мережі мал. 2.28 повинний з'єднатися з другим абонентом у правій частині мережі, то байт, записаний у першу комірку буферної пам'яті, буде витягатися з її другим. "Перемішуючи" потрібним образом байти в обоймі, комутатор забезпечує з'єднання кінцевих абонентів у мережі.

Один раз виділений номер тайм-слота залишається в розпорядженні з'єднання "вхідний канал-вихідний слот" протягом всього часу існування цього з'єднання, навіть якщо переданий трафік є пульсуючим і не завжди вимагає захопленої кількості тайм-слотов. Це означає, що з'єднання в мережі TDM завжди володіє відомою і фіксованою пропускною здатністю, кратної 64 Кбіт/с.

Робота устаткування TDM нагадує роботу мереж з комутацією пакетів, тому що кожен байт даних можна вважати деяким елементарним пакетом. Однак, на відміну від пакета комп'ютерної мережі, "пакет" мережі TDM не має індивідуальної адреси. Його адресою є порядковий номер у обоймі чи номер виділеного тайм-слота в мультиплексорі чи комутаторі мережі, яка використовують техніку TDM, вимагають синхронної роботи всього устаткування, що і визначило другу назву цієї техніки — синхронний режим передач (STM). Порушення синхронності руйнує необхідну комутацію абонентів, тому що при цьому губиться адресна інформація. Тому перерозподіл тайм-слотов між різними каналами в устаткуванні TDM неможливо, навіть якщо в якомусь циклі роботи мультиплексора тайм-слот одного з каналів виявляється надлишковим, тому що на вході цього каналу в цей момент немає даних для передачі (наприклад, абонент телефонної мережі мовчить).

Існує модифікація техніки TDM, яка  називається статистичним поділом каналу в часі (Statistical TDM, STDM). Ця техніка розроблена спеціально для того, щоб за допомогою тимчасово вільних тайм-слотов одного каналу можна було збільшити пропускну здібність інших. Для розв'язання цієї задачі кожен байт даних доповнюється полем адреси невеликої довжини, наприклад у 4 чи 5 біт, що дозволяє мультиплексувати 16 чи 32 каналу. Однак техніка STDM не знайшла широкого застосування і використовується в основному в нестандартному устаткуванні підключення терміналів до мэйнфреймаму. Розвитком ідей статистичного мультиплексування стала технологія асинхронного режиму передачі - ATM, яка увібрала в себе кращі риси техніки комутації каналів і пакетів.

Мережі ТDМ можуть підтримати 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.

Існує апаратура, яка підтримує тільки режим постійної комутації До неї відноситься устаткування типу Т1/Е1, а також високошвидкісне устаткування SDH. Таке устаткування використовується для побудови первинних мереж основною функцією яких є створення виділених каналів між комутаторами, що підтримують динамічну комутацію.

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 комутацією каналів володіють декількома важливими загальними властивостями незалежно від того, який тип мультиплексування в них використовується.

Мережі з динамічною комутацією вимагають попередньої процедури встановлення з'єднання між абонентами. Для цього в мережу передається адреса абонента(який викликається), що проходить через комутатори і налагоджує їх на наступну передачу даних. Запит на встановлення з'єднання маршрутизується від одного комутатора до іншого і зрештою досягає абонента (який викликається). Мережа може відмовити у встановленні з'єднання, якщо ємність необхідного вихідного каналу вже 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 запитуваний абонент вже встановив з'єднання з кимсь іншим. У першому випадку говорять, що зайнято комутатор, другому — абонент. Можливість відмовлення в з'єднанні є недоліком методу комутації каналів.

Якщо з'єднання може бути встановлено, то йому виділяється фіксована смуга частот у FDM-мережах або ж фіксована пропускна здатність у TDM-мережах. Ці величини залишаються незмінними протягом всього періоду з'єднання. Гарантована пропускна здатність мережі після встановлення з'єднання є важливою властивістю, необхідним 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 можливо, що робить їх неефективними в умовах  пульсуючого трафіка.

Недоліком мереж з комутацією каналів є неможливість, застосування апаратури користувачів, яка працює з різною швидкістю. Окремі  частини складового 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.

Забезпечення дуплексного режиму роботи на основі технологій FDM, TDM і WDM

В залежності від напрямку можливої передачі даних способи передачі даних по лінії зв'язку поділяються на наступні типи:

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 світоводів) у кабелі, кожний 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 виявляється недоступним чи неефективним. Найчастіше це відбувається в тих випадках, коли для дуплексного обміну даними мається всього один фізичний канал, а організація його зв'язана з великими витратами. Наприклад, при обміні даними за допомогою модемів через телефонну мережу у користувача мається тільки один фізичний канал зв'язку з АТС — двухпровідна лінія, і здобути другу навряд чи доцільно. У таких випадках дуплексний режим роботи організується на основі поділу каналу на два логічних підканала за допомогою техніки FDM чи TDM.

Модеми для організації дуплексного режиму роботи на двухпровідній лінії застосовують техніку FDM. Модеми, що використовують частотну модуляцію, працюють на чотирьох частотах: дві частоти — для кодування одиниць і нулів в одному напрямку, а інші дві частоти - для передачі даних у зворотному напрямку.

При цифровому кодуванні дуплексний режим на двухпровідній лінії організується за допомогою техніки TDM. Частина тайм-слотів використовується для передачі даних в одному напрямку, а інша частина — для передачі в іншому напрямку. 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 двухпровідних закінченнях.

У волоконно-оптичних 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 по довжині хвилі (Wave Division Multiplexing, WDM). WDM застосовується і для підвищення швидкості передачі даних в одному напрямку, звичайно використовуючи від 2 до 16 каналів.


Попередня Перша Наступна