Основные сведения о телекоммуникационных системах

Основная функция телекоммуникационных систем (ТКС), или систем передачи данных (СПД), в условиях функционирования ТВС заключается в организации оперативного и надежного обмена информацией между абонентами, а также сокращении затрат на передачу данных. Главный показатель эффективности ТКС - время доставки информации - зависит от ряда факторов: структуры сети связи, пропускной способности линий связи, способов соединения каналов связи между взаимодействующими абонентами, протоколов информационного обмена, методов доступа абонентов к передающей среде, методов маршрутизации пакетов.

Типы сетей, линий и каналов связи. В ТВС используются сети связи - телефонные, телеграфные, телевизионные, спутниковые. В качестве линий связи применяются: кабельные (обычные телефонные линии связи, витая пара, коаксиальный кабель, волоконнооптические линии связи (ВОЛО), или световоды), радиорелейные, радиолинии.

Среди кабельных линий связи наилучшие показатели имеют световоды. Основные их преимущества: высокая пропускная способность (сотни мегабит в секунду), обусловленная использованием электромагнитных волн оптического диапазона; нечувствительность к внешним электромагнитным полям и отсутствие собственных электромагнитных излучений, низкая трудоемкость прокладки оптического кабеля; искро-, взрыво- и пожаробезопасность; повышенная устойчивость к агрессивным средам; небольшая уцельная масса (отношение погонной массы к полосе пропускания); широкие области применения (создание магистралей коллективного доступа, систем связи ЭВМ с периферийными устройствами локальных сетей, в микропроцессорной технике и т.д.).

Недостатки ВОЛС: передача сигналов осуществляется только в одном направлении; подключение к световоду дополнительных ЭВМ значительно ослабляет сигнал; необходимые для световодов высокоскоростные модемы пока еще дороги; световоды, соединяющие ЭВМ, должны снабжаться преобразователями электрических сигналов в световые и обратно.

В ТВС нашли применение следующие типы каналов связи:

• симплексные, когда передатчик и приемник связываются одной линией связи, по которой информация передается только в одном направлений (это характерно для телевизионных сетей связи);

• полудуплексные, когда два узла связи соединены также одной линией, по которой информация передается попеременно то в одном направлении, то в противоположном (это характерно для информационно-справочных, запрос-ответных систем);

• дуплексные, когда два узла связи соединены двумя линиями (прямой линией связи и обратной), по которым информация одновременно передается в противоположных направлениях. Дуплексные каналы применяются в системах с решающей и информационной обратной связью.

Коммутируемые и выделенные каналы связи. В ТКС различают выделенные (некоммутируемые) каналы связи и с коммутацией на время передачи информации по этим каналам.

При использовании выделенных каналов связи приемопередающая аппаратура узлов связи постоянно соединена между собой. Этим обеспечиваются высокая степень готовности системы к передаче информации, более высокое качество связи, поддержка большого объема графика. Из-за сравнительно больших расходов на эксплуатацию сетей с выделенными каналами связи их рентабельность достигается только при условии достаточно полной загрузки каналов.

Для коммутируемых каналов связи, создаваемых только на время передачи фиксированного объема информации, характерны высокая гибкость и сравнительно небольшая стоимость (при малом объеме трафика). Недостатки таких каналов: потери времени на коммутацию (установление связи между абонентами), возможность блокировки из-за занятости отдельных участков линии связи, более низкое качество связи, большая стоимость при значительном объеме трафика.

Аналоговое и цифровое кодирование цифровых данных. Пересылка данных от одного узла ТКС к другому осуществляется последовательной передачей всех битов сообщения от источника к пункту назначения. Физически информационные биты передаются в виде аналоговых или цифровых электрических сигналов. Аналоговыми называются сигналы, которые могут представлять бесчисленное количество значений некоторой величины в пределах ограниченного диапазона. Цифровые (дискретные) сигналы могут иметь одно или конечный набор значений. При работе с аналоговыми сигналами для передачи закодированных данных используется аналоговый несущий сигнал синусоидальной формы, а при работе с цифровыми сигналами - двухуровневый дискретный сигнал. Аналоговые сигналы менее чувствительны к искажению, обусловленному затуханием в передающей среде, зато кодирование и декодирование данных проще осуществляются для цифровых сигналов.

Аналоговое кодирование применяется при передаче цифровых данных по телефонным (аналоговым) линиям связи, доминирующим в региональных и глобальных ТВС и изначально ориентированным на передачу акустических сигналов (речи). Перед передачей цифровые данные, поступающие обычно из ЭВМ, преобразуются в аналоговую форму с помощью модулятора-демодулятора (модема), обеспечивающего цифро-аналоговый интерфейс.

Возможны три способа преобразования цифровых данных в аналоговую форму или три метода модуляции:

• амплитудная модуляция, когда меняется только амплитуда несущей синусоидальных колебаний в соответствии с последовательностью передаваемых информационных битов: например, при передаче единицы амплитуда колебаний устанавливается большой, а при передаче нуля -малой или сигнал несущей вообще отсутствует;

• частотная модуляция, когда под действием модулирующих сигналов (передаваемых информационных битов) меняется только частота несущей синусоидальных колебаний: например, при передаче нуля - низкая;

• фазовая модуляция, когда в соответствии с последовательностью передаваемых информационных битов изменяется только фаза несущей синусоидальных колебаний: при переходе от сигнала 1 к сигналу 0 или наоборот фаза меняется на 180°.

Передающий модем преобразует (модулирует) сигнал несущей синусоидальных колебаний (амплитуду, частоту или фазу) таким образом, чтобы он мог нести модулирующий сигнал, т.е. цифровые данные от ЭВМ или терминала. Обратное преобразование (демодуляция) осуществляется принимающим модемом. В соответствии с реализуемым методом модуляции различают модемы с амплитудной, частотной и фазовой модуляцией. Наибольшее распространение получили частотная и амплитудная модуляции.

Цифровое кодирование цифровых данных выполняется напрямую, путем изменения уровней сигналов, несущих информацию.

Например, если в ЭВМ цифровые данные представляются сигналами уровней 5В для кода 1 и 0,2В для кода 0, то при передаче этих данных в линию связи уровни сигналов преобразуются соответственно в +12В и -12В. Такое кодирование осуществляется, в частности, с помощью асинхронных последовательных адаптеров RS-232-C при передаче цифровых данных от одного компьютера к другому на небольшие (десятки и сотни метров) расстояния.

Синхронизация элементов ТКС. Синхронизация - это часть протокола связи. В процессе синхронизации связи обеспечивается синхронная работа аппаратуры приемника и передатчика, при которой приемник осуществляет выборку поступающих информационных битов (т.е. замер уровня сигнал в линии связи) строго в моменты их прихода. Синхросигналы настраивают приемник на передаваемое сообщение еще до его прихода поддерживают синхронизацию приемника с приходящими битами данных.

В зависимости от способов решения проблемы синхронизации различают синхронную передачу, асинхронную передачу и передачу с автоподстройкой.

Синхронная передача отличается наличием дополнительной линии связи (кроме основной, по которой передаются данные) для передачи синхронизирующих импульсов (СИ) стабильной частоты. Каждый СИ подстраивает приемник. Выдача битов данных в линию связи передатчиком и выборка информационных сигналов приемником производятся в моменты появления СИ. В синхронной передаче синхронизация осуществляется весьма надежно, однако этой достигается дорогой ценой - необходимостью дополнительной линии связи.

Асинхронная передача не требует дополнительной линии связи. Передача данных осуществляется небольшими блоками фиксированной длины (обычно байтами). Синхронизация приемника достигается тем, что перед каждым передаваемым байтом посылается дополнительный бит - стартбит, а после переданного байта - еще один дополнительный бит -стопбит. Для синхронизации используется стартбит. Такой способ синхронизации может использоваться только в системах с низкими скоростями передачи данных.

Передача с автоподстройкой, также не требующая дополнительной линии связи, применяется в современных высокоскоростных системах передачи данных. Синхронизация достигается за счет использования самосинхронизирующих кодов (СК). Кодирование передаваемых данных с помощью СК заключается в том, чтобы обеспечить регулярные и частые изменения (переходы) уровней сигнала в канале. Каждый переход уровня сигнала от высокого к низкому или наоборот используется для подстройки приемника. Лучшими считаются такие СК, которые обеспечивают переход уровня сигнала не менее одного раза в течение интервала времени, необходимого на прием одного информационного бита. Чем чаще переходы уровня сигнала, тем надежнее осуществляется синхронизация приемника и увереннее производится идентификация принимаемых битов данных.

Наиболее распространенными являются следующие самосинхронизирующие коды [1]:

• NRZ-код (код без возвращения к нулю);

• RZ-код (код с возвращением к нулю);

• манчестерский код;

• биполярный код с поочередной инверсией уровня (например, код AMI).

Рис. 12.1. Схемы кодирования сообщения с помощью самосинхронизирующих кодов

На рис. 12.1 представлены схемы кодирования сообщения 0101100 с помощью этих СК.

Для характеристики и сравнительной оценки СК используются следующие показатели:

• уровень (качество) синхронизации;

• надежность (уверенность) распознавания и выделения принимаемых информационных битов;

• требуемая скорость изменения уровня сигнала в линии связи при использовании СК, если пропускная способность линии задана;

• сложность (и, следовательно, стоимость) оборудования, реализующего СК.

NRZ-код отличается простотой кодирования и низкой стоимостью при его реализации. Однако при передаче серий одноименных битов (единиц или нулей) уровень сигнала остается неизменным для каждой серии, что существенно снижает качество синхронизации и надежность распознавания принимаемых битов (могут произойти рассогласование таймера приемника по отношению к поступающему сигналу и несвоевременный опрос линии). Для этого кода имеют место соотношения:

V₁<=V₂; V_1,max=V₂

где V1 - скорость изменения уровня сигналов в линии; V2 - пропускная способность линии связи, бит /с.

RZ-код отличается тем, что за время передачи одного информационного бита уровень сигнала меняется дважды независимо от того, передаются ли серии одноименных битов или поочередно изменяющихся битов. Этот код обладает хорошими свойствами синхронизации, но стоимость его реализации довольно высокая, так как необходимо обеспечить соотношение V₁ =2V₂.

Манчестерский код обеспечивает изменение уровня сигнала при представлении каждого бита, а при передаче серий одноименных битов - двойное изменение. Обладает хорошими синхронизирующими свойствами. Применяется в технике записи информации на магнитных лентах, при передаче информации по коаксиальным и оптоволоконным линиям. Соотношение скоростей для этого кода такое:

V₁<=V2; V_1,max=2V₂.

Биполярный код обладает хорошими синхронизирующими свойствами при передаче серий единиц. При передаче нулей синхронизация отсутствует. Сравнительно прост в реализации. Для этого кода V₁<=V2; V_1,max=2V₂.

Пример 12.1. Оценить время на передачу фиксированного объема информации в ТКС с применением различных самосинхронизирующихся кодов, если известно:

Е = 4 Мбит - объем передаваемой информации (принимается одинаковым для всех ТКС), причем количество чередующихся битов равно количеству битов, составляющих серии одноименных битов, и каждая серия состоит только из двух битов (такая конкретизация необходима для оценки фактической пропускной способности линий связи с использованием различных СК);

V₁ = 9600 бод - скорость изменения уровня сигналов в линии связи (в данном примере принимается одинаковой для всех ТКС).

Определим сначала фактическую пропускную способность ТКС с применением различных CК.

Для ТКС с кодом NRZ:

V₂₁ = 1,5 V₁ (здесь коэффициент 1,5 учитывает заданное соотношение чередующихся битов и серий одноименных битов с длиной серии в два бита):

V₂₁=1,5*9600=14400 бит/c

Для ТКС с RZ-кодом:

V₂₁= 0,5 V₁;

V₂₂ = 0,5*9600 = 4800 бит/с.

Для ТКС с манчестерским кодом:

V₂₃= 0,75 V₁;

V₂₃ = 0,75*9600 = 7200 бит/с.

Для ТКС с биполярным кодом:

V₂₄ = V₁ (для определенности серии одноименных битов, состоящие из нулей, игнорируем):

V₂₄= 9600 бит/с.

Тогда время на передачу заданного объема информации в ТКС с указанными кодами будет:

T₁=E/V₂₁; T₁ =4000000/14400 =277,8 с;

T₂ = E/V₂₂; T₂ = 4000000/4800 =833,3 с;

Тз=Е/V₂₃; Tз= 4000000/7200 =555,6 с;

T₄=E/V₂₄; T₄= 4000000/9600 = 416,7 с.

Как видно, по этому показателю наиболее предпочтительным является NRZ-код и наименее предпочтительным - RZ-код. Зато по качеству синхронизации, надежности распознавания и выделения принимаемых информационных битов оценка этих кодов будет противоположной.

Цифровые сети связи (ЦСС). В последние годы в ТВС все большее распространение получают цифровые сети связи , в которых используется цифровая технология.

Причины распространения цифровой технологии в сетях:

• цифровые устройства, используемые в ЦСС, производятся на основе интегральных схем высокой интеграции; по сравнению с аналоговыми устройствами они отличаются большой надежностью и устойчивостью в работе и, кроме того, в производстве и эксплуатации, как правило, дешевле;

• цифровую технологию можно использовать для передачи любой информации по одному каналу (акустических сигналов, телевизионных видеоданных, факсимильных данных);

• цифровые методы преодолевают многие из ограничений передачи и хранения, которые присущи аналоговым технологиям.

В ЦСС при передаче информации осуществляется преобразование аналогового сигнала в последовательность цифровых значений, а при приеме - обратное преобразование.

Аналоговый сигнал проявляется как постоянное изменение амплитуды во времени. Например, при разговоре по телефону, который действует как преобразователь акустических сигналов в электрические, механические колебания воздуха (чередование высокого и низкого давления) преобразуются в электрический сигнал с такой же характеристикой огибающей амплитуды. Однако непосредственная передача аналогового электрического сигнала по телефонной линии связи сопряжена с рядом недостатков: искажением сигнала вследствие его нелинейности, которая увеличивается усилителями, затуханием сигнала при передаче через среду, подверженностью влиянию шумов в канале и др.

В ЦСС эти недостатки преодолимы. Здесь форма аналогового сигнала представляется в виде цифровых (двоичных) образов, цифровых значений, представляющих соответствующие значения огибающей амплитуды синусоидальных колебаний в точках на дискретных уровнях. Цифровые сигналы также подвержены ослаблению и шумам при их прохождении через канал, однако на приемном пункте необходимо отмечать лишь наличие или отсутствие двоичного цифрового импульса, а не его абсолютное значение, которое важно в случае аналогового сигнала. Следовательно, цифровые сигналы принимаются надежнее, их можно полностью восстановить, прежде чем они из-за затухания станут ниже порогового значения.

Преобразование аналоговых сигналов в цифровые осуществляется различными методами. Один из них - импульсно-кодовая модуляция (ИКМ), предложенная в 1938 г. А.Х. Ривсом (США). При использовании ИКМ процесс преобразования включает три этапа: отображение, квантование и кодирование (рис. 12.2).

Рис. 12.2. Преобразование аналогового сигнала в 8-элементный цифровой код

Первый этап (отображение) основан на теории отображения Найквиста. Основное положение этой теорий гласит: “Если аналоговый сигнал отображается на регулярном интервале с частотой не менее чем в два раза выше максимальной частоты исходного игнала в канале, то отображение будет содержать информацию, достаточную для восстановления исходного сигнала”. При передаче акустических сигналов (речи) представляющие их электрические сигналы в телефонном канале занимают полосу частот от 300 до 3300 Гц. Поэтому в ЦСС принята частота отображений, равная 8000 раз в секунду. Отображения, каждое из которых называется сигналом импульсно-амплитудной модуляции (ИАМ), запоминаются, а затем трансформируются в двоичные образы.

На этапе квантования каждому сигналу ИАМ придается квантованное значение, соответствующее ближайшему уровню квантования. И ЦСС весь диапазон изменения амплитуды сигналов ИАМ разбивается на 128 или 256 уровней квантования. Чем больше уровней квантования, тем точнее амплитуда ИАМ-сигнала представляется квантованным уровнем.

На этапе кодирования каждому квантованному отображению ставится в соответствие 7-разрядный (если число уровней квантования равно 128) или 8-разрядный (при 256-шаговом квантовании) двоичный код. На рис. 12.2 показаны сигналы 8-элементного двоичного кода 00101011, соответствующего квантовому сигналу с уровнем 43. При кодировании 7-элементнымй кодами скорость передачи данных по каналу должна составлять 56 Кбит/с (это произведение частоты отображения на разрядность двоичного кода), а при кодировании 8-элементными кодами - 64 Кбит/с.

В современных ЦСС используется и другая концепция преобразования аналоговых сигналов в цифровые, при которой квантуются и затем кодируются не сами сигналы ИАМ, а лишь их изменения, причем число уровней квантования принимается таким же. Очевидно, что такая концепция позволяет производить преобразование сигналов с большей точностью.

Пример 12.2. Сколько одновременных разговоров Np можно обеспечить по многоканальной линии связи в цифровой сети связи, если заданы:

• V_ЛС. =1,53б Мбит/с - суммарная пропускная способность линии связи;

• V_ОТ= 8000 отобр/с - скорость отображения аналоговых сигналов при преобразовании их в цифровые;

• n_Э = 8 - разрядность двоичного кода, представляющего в линии связи одно

отображение.

Суммарная пропускная способность линии связи в ЦСС определяется по формуле

V_ЛС=N_КС*V_ОТ *n_Э

где N_КС- число каналов в многоканальной линии связи. Так как по всем каналам можно вести разговор одновременно и независимо, то N_P=N_КС.

Следовательно,

V_ЛС=N_Р*V_ОТ>n_Э.

Отсюда:

N_Р= V_ЛС/V_ОТ *n_Э,

N_Р= 1536000/80008=24.

Спутниковые сети связи. Появление спутниковых сетей связи вызвало такую же революцию в передаче информации, как изобретение телефона.

Первый спутник связи был запущен в 1958 г., а в 1965 г. запущен первый коммерческий спутник связи (оба - в США). Эти спутники были пассивными, позже на спутниках стали устанавливать усилители и приемопередающую аппаратуру.

В настоящее время спутники связи запускаются на высоту 22300 миль и находятся на геосинхронной (геостационарной) орбите, плоскость которой параллельна плоскости экватора. Линейная скорость вращения спутника вокруг Земли равна 6879 миль/ч, что обеспечивает уравновешивание гравитационного притяжения Земли и стационарность вращения спутника по отношению к вращению Земли. Спутник как бы “зависает” над неподвижной точкой поверхности Земли. При таком положении спутника антенна наземной станции слежения может находиться в относительно неподвижном состоянии. Геосинхронные спутники часто запускаются группами по три спутника. Разнесенные друг от друга на 120⁰, они обеспечивают охват почти всей поверхности Земли. Темпы распространения спутниковой связи очень высокие. К 2001 г. планируется создать общемировую интерактивную сеть передачи мультимедиа-информации.

В спутниковых системах связи используются антенны СВЧ-диапазона частот для приема радиосигналов от передающих наземных станций и для ретрансляции этих сигналов обратно на наземные станции. Большинство спутников используют гигагерцовый диапазон 6/4 ГГц, некоторые работают в диапазоне 14/12 ГГц (первая цифра - частота работы по звену Земля - спутник, а вторая - частота работы по звену спутник - Земля). Способность спутника принимать и передавать сигналы обеспечивается специальным устройством - транспондером. Взаимодействие между абонентами осуществляется по цепи: абонентская станция (отправитель информации) - передающая наземная радиотелеметрическая станция (РТС) - спутник - приемная наземная радиотелеметрическая станция - абонентская станция (получатель информации). Одна наземная РТС обслуживает группу близлежащих АС.

Для управления передачей данных между спутником и наземными РТС используются следующие способы [1].

1. Обычное мультиплексирование - с частотным разделением и временным разделением. В первом случае весь частотный спектррадиоканала разделяется на подканалы, которые распределяются между пользователями для передачи любого графика.

Издержки такого способа: при нерегулярном ведении передач подканалы используются нерационально; значительная часть исходной полосы пропускания канала используется в качестве разделительной полосы для предотвращения нежелательного влияния подканалов друг на друга. Во втором случае весь временной спектр делится между пользователями, которые по своему усмотрению распоряжаются предоставленными временными квантами (слотами). Здесь также возможно простаивание канала из-за нерегулярного его использования.

2. Обычная дисциплина “первичный / вторичный” с использованием методов и средств опроса/выбора. В качестве первичного органа, реализующего такую дисциплину управления спутниковой связью, чаще выступает одна из наземных РТС, а реже - спутник. Цикл опроса и выбора занимает значительное время, особенно при наличии в сети большого количества АС. Поэтому время реакции на запрос пользователя может оказаться для него неприемлемым.

3. Дисциплина управления типа “первичный / вторичный” без опроса, с реализацией метода множественного доступа с квантованием времени (ТДМА). Здесь слоты назначаются первичной РТС, называемой эталонной. Принимая запросы от других РТС, эталонная станция в зависимости от характера графика и занятости канала удовлетворяет эти запросы путем назначения станциям конкретных слотов для передачи кадров. Такой метод широко используется в коммерческих спутниковых сетях.

4. Равноранговые дисциплины управления. Для них характерно, что все пользователи имеют равное право доступа к каналу и между ними происходит соперничество за канал. В начале 70-х годов Н.Абрамсон из Гавайского университета предложил метод эффективного соперничества за канал между некоординируемыми пользователями, названный системой ALOHA. Существует несколько вариантов этой системы: система, реализующая метод случайного доступа (случайная ALOHA); равноранговая приоритетная слотовая система (слотовая ALOHA) и др.

К основным преимуществам спутниковых сетей связи относятся следующие:

• большая пропускная способность, обусловленная работой спутников в широком диапазоне гигагерцовых частот. Спутник может поддерживать несколько тысяч речевых каналов связи. Например, один из используемых в настоящее время коммерческих спутников имеет 10 транспондеров, каждый из которых может передавать 48 Мбит/с;

• обеспечение связи между станциями, расположенными на очень больших расстояниях, и возможность обслуживания абонентов в самых труднодоступных точках;

• независимость стоимости передачи информации от расстояния между взаимодействующими абонентами (стоимость зависит от продолжительности передачи или объема передаваемого графика);

• возможность построения сети без физически реализованных коммутационных устройств, обусловленная широковещательностью работы спутниковой связи. Эта возможность связана со значительным экономическим эффектом, который может быть получен по сравнению с использованием обычной неспутниковой сети, основанной на многочисленных физических линиях связи и коммуникационных устройствах.

Недостатки спутниковых сетей связи:

• необходимость затрат средств и времени на обеспечение конфиденциальности передачи данных, на предотвращение возможности перехвата данных “чужими” станциями;

• наличие задержки приема радиосигнала наземной станцией из-за больших расстояний между спутником и РТС. Это может вызвать проблемы, связанные с реализацией канальных протоколов, а также временем ответа;

• возможность взаимного искажения радиосигналов от наземных станций, работающих на соседних частотах;

• подверженность сигналов на участках Земля — спутник и спутник -Земля влиянию различных атмосферных явлений.

Для решения проблем с распределением частот в диапазонах 6/4 и 14/12 ГГц и размещением спутников на орбите необходимо активное сотрудничество многих стран, использующих технику спутниковой связи.

Пример 12.3. Определить время полного цикла опроса / выбора в спутниковой сети при следующих исходных данных:

• реализуется дисциплина управления сетью типа первичный / вторичный с циклическим опросом;

• управление сетью осуществляется спутниковой ЭВМ;

• спутник удален от поверхности Земли на H_СП= 22 300 миль;

• сигналы на участках спутник - Земля и Земля - спутник распространяются со скоростью V_C = 186 000 миль/с;

• количество опрашиваемых наземных станций N_НС = 100.

Время полного цикла, в течение которого опрашиваются все наземные станции

Т_ПЦ= Т_Ц* N_ПC,

где Т_Ц - время одного цикла, в течение которого опрашивается одна наземная станция; за это время сигнал опроса/выбора от спутника достигает станции, и сигнал ответа на опрос от станции достигает спутника.

Следовательно,

Т_Ц =2*Н_СП/V_C;

Т_Ц = 2*22300/186000 = 240 мс;

Т_ПЦ =240*100= 24с.

Коммутация в сетях

Телефонная коммутация является жизненно важным элементом связи абонентских систем между собой и с центрами управления, обработки и хранения информации в сетях. Узлы сети подключаются к некоторому коммутирующему оборудованию, избегая таким образом необходимости создания специальных линий связи.

Далее рассматриваются различные методы коммутации, когда используются коммутируемые телефонные линии связи. Однако два и более конечных пункта сети могут соединяться выделенной линией, если между ними все время осуществляется связь с постоянной скоростью передачи. Выделенная линия соединяет два конечных пункта по двухточечной схеме. В случае же многоточечного подключения абонентов к выделенной линии ее ресурсы используются в режиме разделения. Организация связи в многоточечном режиме, обеспечивающем экономию на транспортных расходах, популярна в компьютерных сетях (особенно в ЛВС) из-за снижения затрат по сравнению с затратами при большом количестве монопольно используемых связных ресурсов в двухточечном режиме.

Коммутируемой транспортной сетью называется сеть, в которой между двумя (или более) конечными пунктами устанавливается связь по запросу. Примером такой сети является коммутируемая телефонная сеть.

Существуют следующие методы коммутации:

• коммутация цепей (каналов);

• коммутация с промежуточным хранением, в свою очередь, разделяемая на коммутацию сообщений и коммутацию пакетов.

Коммутация цепей. При коммутации цепей (каналов) между связываемыми конечными пунктами на протяжении всего временного интервала соединения обеспечивается обмен в реальном масштабе времени, причем биты передаются с неизменной скоростью по каналу с постоянной полосой пропускания. Между абонентами устанавливается сквозной канал связи до начала передачи информации. Этот канал формируется из отдельных участков с одинаковой пропускной способностью. Прохождение отдельного сигнала вызова обеспечивается с помощью последовательного включения нескольких коммутационных устройств, размещаемых в центрах коммутации каналов (ЦКК). Каждое устройство резервирует за собой физическое соединение между одним входящим и одним исходящим каналами. Если при установлении сквозного канала связи заняты вызываемая сторона или хотя бы одно из коммутационных устройств в цепочке прохождения сигнала вызова, последний будет блокироваться, и абонент, инициировавший вызов, должен спустя некоторое время его повторить.

Время установления сквозного канала связи обычно бывает большим из-за необходимости организации взаимодействия значительного числа устройств коммутации. После установления такого канала ЦКК выполняют минимальное число функций, хотя при этом может передаваться большой объем информации. Следовательно, при использовании метода коммутации цепей передача информации обеспечивается двумя основными составляющими в расходной части ресурсов: ресурсами для организации вызова и ресурсами для поддержания в ЦКК коммутационных устройств или для организации распределения временных каналов. Первая составляющая не зависит от объема передаваемой информации, а вторая - прямо пропорциональна интервалу времени, в течение которого происходит соединение.

В качестве недостатков метода коммутации цепей можно указать следующие:

• большое время установления сквозного канала связи из-за возможного ожидания освобождения отдельных его участков;

• необходимость повторной передачи сигнала вызова из-за занятости вызываемой стороны или какого-либо коммутационного устройства в цепочке прохождения этого сигнала (в связи с этим система, в которой реализуется метод коммутации цепей, относится к классу систем с потерей запросов на обслуживание);

• отсутствие возможности выбора скоростей передачи информации;

• возможность монополизации канала одним источником информации;

• наращивание функций и возможностей сети ограничено;

• не обеспечивается равномерность загрузки каналов связи (возможности по сглаживанию загрузки весьма ограниченны). Преимущества метода коммутации цепей:

• отработанность технологии коммутации цепей (первое коммутационное устройство появилось еще в конце ХГХ в.);

• возможность работы в диалоговом режиме ив реальном масштабе времени;

• обеспечение как битовой прозрачности, так и прозрачности по времени независимо от числа ЦКК между абонентами;

• довольно широкая область применения (главным образом передача акустических сигналов).

Коммутация с промежуточным хранением. Отметим особенности всех методов коммутации с промежуточным хранением. Для них характерно, что заранее, до начала передачи информации, сквозной канал между отправителем и получателем не устанавливается. Вызывающий объект посредством набора номера или через выделенную линию связывается только с ближайшим узлом сети и передает ему информационные биты. В каждом узле имеется коммутатор, построенный на базе коммуникационной ЭВМ с запоминающим устройством (ЗУ). Передаваемая информация должна храниться в каждом узле по пути к пункту назначения, причем задержка в хранении, как правило, будет различной для узлов. Наличие ЗУ в промежуточных узлах связи предотвращает потерю передаваемой информации, вследствие чего системы, реализующие рассматриваемые методы коммутации, относятся к классу систем без потерь запросов на обслуживание. Одним из показателей этих методов является возможность согласования скоростей передачи данных между пунктами отправления и назначения, которое обеспечивается наличием в сети эффективных развязок, реализуемых созданием буферных ЗУ в узлах связи. Наконец, для сетей с промежуточным хранением обязательным требованием является битовая прозрачность. Требование же временной прозрачности, как правило, ими не гарантируется.

Коммутация сообщений была преобладающим методом передачи данных в 1960-1970 гг. и до сих пор широко используется в некоторых областях (в электронной почте, электронных новостях, телеконференциях, телесеминарах). Как и все методы коммутации с промежуточным хранением, технология коммутации сообщений относится к технологии типа “запомнить и послать”. Кроме того, технология коммутации сообщений обычно предусматривает отношение “главный - подчиненный”. Коммутатор (коммуникационная ЭВМ) в цент ре коммутации сообщений (ЦКС) выполняет регистрацию и выбор при управлении входящими и выходящими потоками. Здесь не рассматриваются интерактивный режим и работа в реальном масштабе времени, однако данные через коммутатор могут передаваться на очень высокой скорости с соответствующим определением уровней приоритетов для различных типов потоков данных. Высокоприоритетные потоки задерживаются в очереди на обслуживаниенаболее короткое время по сравнению с низкоприоритетными потоками, что позволяет обеспечить интерактивные прикладные задачи.

Важно отметить, что при коммутации сообщений сообщение, независимо от его длины (разброс в длине сообщений может быть достаточно велик), целиком сохраняет свою целостность как единичный объект в процессе его прохождения от одного узла к другому вплоть до пункта назначения. Более того, транзитный узел не может начинать дальнейшую передачу части сообщения, если оно еще принимается. По своему влиянию на задержки это равноценно низкому уровню использования ресурсов сети.

Недостатки метода коммутации сообщений:

• необходимость реализации достаточно серьезных требований к емкости буферных ЗУ в узлах связи для приема больших сообщений, что обусловливается сохранением их целостности;

• недостаточные возможности по реализации диалогового режима и работы в реальном масштабе времени при передаче данных;

• выход из строя всей сети при отказе коммутатора, так как через него проходят все потоки данных (это характерно для структуры “главный-подчиненный”);

• коммутатор сообщений является потенциально “узким” местом по пропускной способности;

• каналы передачи данных используются менее эффективно по сравнению с другими методами коммутации с промежуточным хранением. Преимущества метода:

• отсутствие необходимости в заблаговременном (до начала передачи данных) установлении сквозного канала связи между абонентами;

• возможность формирования маршрута из отдельных участков с различной пропускной способностью;

• реализация различных систем обслуживания запросов с учетом их приоритетов;

• возможность сглаживания пиковых нагрузок путем запоминания низкоприоритетных потоков в периоды этих нагрузок;

• отсутствие потерь запросов на обслуживание.