Коммутация каналов, коммутация пакетов

Мультиплексирование сигналов.

Плезиохронная и синхронная цифровая иерархии.

Основной вид услуг связи – это телефонные услуги, аналоговый телефонный канал занимает полосу частот от 300 до 3400 Гц. Канал называется основным цифровым (ОЦК или DSO), в нем скорость цифрового потока = 64 кбит/с. Формирование групповых цифровых сигналов, для передачи по линиям связи, осуществляется методом линейного кодирования, например кодом HDB3. В соединительных линиях связи между АТС часто используется код HDB3, на этих линиях передается 30 телефонных (то есть основных) каналов DSO и еще два канала для сигнализации и управления. Фактически передается 32 канала. Перемножив 32 канала на скорость основного канала (64 кбит/c) получим скорость передачи группового цифрового потока 2048 кбит/c (2,048 Мбит/c), который называется первичным цифровым каналом (ПЦК или DSI). Операция образования группового цифрового потока из ряда основных каналов называется мультиплексированием с временным разделением каналов. Скорость передачи ПЦК может быть увеличена с помощью мультиплексирования с коэффициентом кратным 4, тогда скорости образуют иерархический ряд или цифровые иерархии:

Первичная цифровая иерархия ПЦИ (2048 кбит/с) – E1,

Вторичная цифровая иерархия ВЦИ (8448 кбит/с) – E2,

Третичная цифровая иерархия ТЦИ (34368 кбит/с) - Е3;

Четвертичная цифровая иерархия ЧЦИ (139264 кбит/с) - Е4 и т.д.

У них тактовые частоты необязательно синхронизированы. Такие системы получили название плезиохронных (плезио – почти). В соответствии с рекомендациями ITU-T G.703 для иерархии ПЦИ Е1, Е2 и Е3 следует применять трехуровневый код HDB3, а также код АМI. Эти коды не содержат постоянной составляющей в своем спектре, а проблемы, возникающие при использовании кода HDB3, устраняются при использовании волнового кодирования. В 1988 г. был принят стандарт Синхронной цифровой иерархии (СЦИ-SDH), предусматривающий совместимость с системами PDH(ПЦИ). Волоконно-оптическая сеть (ВОС) - это информационная сеть, связующими элементами между узлами которой служат волоконно-оптические линии связи.

В сетях передачи данных широко используются различные методы мультиплексирования передаваемых сигналов. Мультиплексирование - это передача одновременно сразу не­скольких сигналов от разных источников информации по одному носи­телю. Оно применяется с целью повышения эффективности передающей среды (носителя). Различают два основных вида мультиплексирования:

- Частотное мультиплексирование (ЧМ), используют также термин - мультиплексирование с частотным уплотнением: каждому источнику сигналов отводится определённая доля всей частотной полосы носителя, так что на одном носителе существует одновременно сразу несколько сигналов.

- Временное мультиплексирование (ВМ), используется также термин - мультиплексирование с разделением времени: каждому источнику сигналов выделяется вся полоса носителя, но на короткий промежуток времени - тайм-слот, так что мультиплексный сигнал представ­ляется в виде последовательности сменяющих друг друга тайм-слотов, соответствующих разным источникам сигналов. В рамках ВМ различают синхронное мультиплексирование при ко­тором каждому источнику соответствует тайм-слот (или несколько тайм-слотов) с определённым порядковым номером в периодической последо­вательности слотов, и асинхронное или статистическое мультиплек­сирование, при котором приписывание тайм-слотов различным источникам осуществляется более свободным образом, например, по требованию.

- Устройство, принимающее сигналы от нескольких источников по разным каналам (например, голос, видео, данные) и передающее их в виде мультиплексного сигнала по одному носителю, называется мультиплек­сором (MUX), а устройство, выполняющее обратную функцию на другом конце линии - демультиплексором (DEMUX). Обычно в системах двуна­правленной связи функции мультиплексирования и демультиплексирова­ния совмещаются в одном устройстве, которое также называется муль­типлексором.

Частотное мультиплексирование распространено в системах бес­проводной радиосвязи, в мобильных телефонных системах, включая ка­бельное телевидение и телефонию. Каналы, представленные в мультип­лексном сигнале, могут быть как аналоговыми, так и цифровыми. Например, в сетях широковещательного телевидения сначала ис­ходные низкочастотные телевизионные сигналы от передающих устройств смещаются посредством модуляции соответствующих несущих частот в определённые, отведённые специально для них области спектра - каждой области отводится полоса 6,5 МГц. Затем такой мультиплексный широко­полосный сигнал (до 860 МГц) распространяется по эфиру или в коакси­альной кабельной системе от локальных студий кабельного телевидения к абонентам.

В волоконно-оптических сетях применяется волновое мультип­лексирование, которое является разновидностью ЧМ и преимущественно используется в области спектра от 1300 нм (230 ТГц) до 1600 нм (188 ТГц). Для плотного волнового мультиплексирования используется область спек­тра 15

Сети с коммутацией сигналов и пакетов

Передача данных между двумя удалёнными оконечными сетевыми устройствами обычно осуществляется через промежуточные сетевые узлы - узлы коммутации. В качестве оконечных устройств могут выступать рабочая станция, компьютер, терминал, телефон или другое коммуникаци­онное устройство. Соответственно, разные по функциональному назначе­нию оконечные устройства могут иметь одинаковые связанные между со­бой физическими каналами узлы коммутации. Совокупность оконечных устройств и узлов коммутации образуют сеть передачи данных, рис. 8.7. Соединение с коммутацией каналов состоит в том, что на время пе­редачи в сеги создаётся канал, обеспечивающий вполне определённую, как правило, фиксированную скорость передачи данных, на которой при­ёмное и передающее устройства поддерживают связь в течение длитель­ного времени. Характерным примером сетей с коммутацией каналов явля­ются телефонные сети с множеством АТС, включая традиционные анало­говые и более современные цифровые сети ISDN. Особенностью таких сетей является довольно большое время уста­новления соединения (в аналоговых сетях до нескольких секунд и более). Сетевые устройства в локальной сети обеспечивают очень быстрое их взаимодействие с сетью (десятки миллисекунд и меньше). Поэтому в локальных вычислительных сетях (ЛВС) разные технологии передачи цифровых данных преимущественно используют контролируемую со сто­роны рабочих станций пакетную коммутацию.

Рис. 14.1. Сеть передачи данных

Технология коммутации каналов подразумевает наличие выде­ленного коммутационного канала между взаимодействующими устройст­вами. Канал (путь) передачи данных образуется последовательностью сегментов между определёнными узлами сети.

Связь посредством коммутации каналов включает три фазы:

1, Установление канала. Для простоты будем рассматривать пе­редачу данных в одном направлении. Пусть устройство А хочет переда­вать данные на устройство Е. Прежде чем данные начнут передаваться должен установиться канал, соединяющий оконечные станции через цепь узлов.

По завершении соединения проводится тестирование, определяющее, свободно ли устройство Е, гото­во ли оно принимать данные.

2.Передача данных. Если устройство Е свободно, данные могут передаваться через сеть. Данные могут быть цифровыми (например, взаимодействие терминала с компьютером) или аналоговыми (например, передача голоса). Сигнальная и информационная передачи могут осуще­ствляться как цифровыми, так и аналоговыми сигналами.

Одновре­менно, осуществляется установление и обратного канала, так что соеди­нение является полнодуплексным, и данные могут передаваться в обоих направлениях.

3.Отсоединение канала. После определённого времени передачи данных соединение может быть разрушено, обычно после соответствующей команды от одной из станций.

Коммутация каналов может быть довольно неэффективной, ёмкость установившегося канала выделяется оконечным устройствам на всё время соединения и не доступна другим источникам, даже если данные по каналу не передаются. Например, для телефонных сетей эффективность голосо­вого канала весьма далека от 100 %. Ещё хуже обстоит дело при подклю­чении удалённого терминала к компьютеру, когда данные могут вовсе не идти по каналу в течение длительного времени, и он будет простаивать.

С точки зрения производительности канала, необходимо отметить на существование задержки передачи данных на этапе установления со­единений. Однако когда соединение установлено, то сеть прозрачна по отношению к конечным устройствам, и данные идут с минимальными за­держками.

Коммутация пакетов

При использовании в телекоммуникационных сетях для передачи цифровых данных между компьютерами выделенных каналов связи, по­являются два очевидных недостатка:

- При типовом соединении (например, терминал-компьютер) значительную часть времени канал связи может быть свободен, но выделенную этому каналу полосу пропускания не может использовать ника­кой другой передатчик данной телекоммуникационной сети.

- В сетях с коммутацией каналов соединение обеспечивает пе­редачу на постоянной скорости. Поэтому любой паре устройств терми­нал-компьютер будет предоставлена одна и та же фиксированная скорость, что ограничивает возможности сети при подключении разнообразных компьютеров и терминалов.

Сеть с коммутацией пакетов способна устранить эти не­достатки. Данные в такой сети передаются в виде блоков, называемых пакетами (или кадрами). Обычно верхний предел длины пакета в зависи­мости от стандарта может быть от тысячи до нескольких тысяч байт. Если устройство - источник передачи желает передавать данные размером больше максимальной длины пакета, то данные разделяются на несколько пакетов.

Каждый пакет имеет поле данных, заголовок, другие служебные по­ля, расположенные в начале или в конце пакета. Поле заголовка, как ми­нимум включает информацию, необходимую узлу сети для перенаправле­ния (маршрутизации) пакетов в нужный канал. Возможна буферизация па­кетов на узле.

Коммутация пакетов имеет несколько преимуществ над коммутаци­ей каналов:

1. Эффективность использования линии при пакетной коммутации выше, поскольку один и тот же сегмент может динамически распределять свои ресурсы между многими пакетами от разных приложений. Если на передающем узле собралось пакетов, предназначенных для отправки по определённому каналу, больше чем ёмкость этого канала, то пакеты помещаются в буфер, и устанавливается очерёдность передачи пакетов. Напротив, в сетях с коммутацией каналов на основе синхронного временного мультиплексирования, время для каждого источника выделяется в виде определённого тайм-слота. Максимальная скорость передачи определяется полосой этого тайм-слота, а не всей полосой канала.

2. Сеть с пакетной коммутацией может осуществлять преобразование скорости передачи данных. Так способны обмениваться между собою пакетами станции, подключённые к соответствующим узлам сети каналами с разной полосой пропускания.

3. В сетях с пакетной коммутацией при большой загруженности сети передача пакетов сохраняется, хотя и могут возни­кать задержки с доставкой пакетов, или может уменьшаться скорость их передачи. В сетях с коммутацией каналов, при возрастании по
тока данных, сеть может оказаться перегруженной, и в установлении каналов связи между новыми станциями может быть отказано. Поэтому в таких сетях, при перегруженности, например, телефонной сети, попытка дозвона может быть блокирована.

4. В сетях с пакетной коммутацией можно использовать систему приоритетов. Если узел хочет передавать несколько пакетов,tq он может в первую очередь передать пакеты, имеющие наивысший приоритет. При этом пакеты с высоким приоритетом будут доставляться с
меньшей задержкой, чем пакеты с низким приоритетом.

Пусть одна станция хочет послать сообщение другой в виде файла, размер которого превосходит максимальный размер пакета. Станция рас­пределяет содержимое файла между несколькими пакетами и последова­тельно направляет пакеты в сеть. И здесь возникает вопрос, каким обра­зом сеть должна обрабатывать эту последовательность пакетов, чтобы доставить их нужному адресату. В современных сетях с коммутацией пакетов используются два различных подхода, получившие название: дейтаграммные сети и се­ти с виртуальными каналами.

В дейтаграммной сети каждый пакет передаётся без ссылки на пакеты, которые идут до или после него. Каждый узел на основании кон­трольной информации заголовка пакета и собственных данных об окру­жающих узлах сети выбирает следующий узел, на который перенаправля­ется пакет. Пакеты с одним и тем же адресом назначения могут следовать от станции отправителя к станции назначения разными маршрутами.

В сети с виртуальными каналами перед тем, как пакеты начи­нают идти, на время их передачи создаётся определённый маршрут следования в виде временного логического соединения сегментов сети. Таким образом, если маршрут установлен, то все пакеты между взаимо­действующими станциями будут идти строго по этому маршруту. Поскольку на время логического соединения маршрут строго фиксирован, то такое логическое соединение, в некоторой степени, аналогично образованию вы­деленного канала в сетях с коммутацией каналов и называется виртуаль­ным каналом.

Преимущества сети с виртуальными каналами особенно чётко проявляются, если две станции желают обмениваться данными на протяжении длительного времени:

1. Сеть может поддерживать ряд служб, общих для всех пе­редаваемых пакетов, включая:

♦ порядок следования - легко поддерживается, так как пакеты двигаются одним и тем же маршрутом и прибывают на конеч­ный пункт в первоначально установленной последовательно-
сти;

♦ контроль ошибок - гарантирует корректность пакетов, так как в случае ошибок или потери пакета посылается запрос на передающую станцию о повторе передачи;

♦ контроль потока - гарантирует, что отправитель не мо­жет «завалить» получателя данными - при переполнении бу­фера подаётся сигнал уменьшения или временного прекращения передачи.

Пакеты в сети передаются через узел быстрее, так как узел не принимает решения о маршрутизации каждого входящего паке­та - вопрос маршрутизации решается на этапе создания виртуального канала. Отметим также основные преимущества дейтаграммных сетей:

Отсутствует фаза установления логического виртуального канала.

Более примитивна и допускает большую гибкость - при перегрузке одного из узлов другие узлы могут перенаправить приходящие пакеты в обход перегруженного узла.

Доставка более надёжна - при повреждении какого-либо узла повреждаются только пакеты идущие через этот узел, а ос­тальные пакеты, идущие через другие узлы, остаются кор­ректными.

Коммутация каналов на разных скоростях обеспечивает комму­тацию мультиплексированных информационных каналов. Станция под­ключается к сети при помощи единственного физического канала связи. По этому каналу могут передаваться данные на разных предварительно уста­новленных скоростях с определённой дискретизацией. Информационные потоки, имеющие разные скорости, могут передаваться по сети независи­мо в различных направлениях.

Для такой техники можно построить схему сети, при которой все возможные каналы сети работают на одной и той же фиксированной ско­рости, или схему, которая использует различные скорости передачи данных.

ISDN — это цифровые сети, которые широко распространены сего­дня, как альтернатива традиционным аналоговым абонентским сетям.

В таких сетях как установление, так разъединение связи между або­нентами осуществляется цифровым способом через сигнальный канал D и происходит почти мгновенно.

Преимущества сетей ISDN:

- Дают выигрыш в 8-26 раз по пропускной способности (при учёте компрессии передаваемых данных).

- Имеют большую надёжность, так как с технологической точ­ки зрения цифровая коммутация более надёжна, чем аналоговая.

- Имеют большую защищённость, так как цифровая коммута­ция позволяет защитить данные, используя разнообразные алгоритмы шифрования.

При значительно большей гибкости по сравнению с простой анало­говой коммутацией каналов, в технологии ISDN сохраняется фундамен­тальное ограничение - хотя пользователь имеет возможность выбора ско­рости передачи, сам набор скоростей остаётся вполне определённым и это не позволяет в конечном итоге полностью использовать все ресурсы сети.

Основная литература: 4осн[7-34].

Дополнительная литература:7доп[19-24]; 10доп[151-157;169-174];

Контрольные вопросы

1. Какую полосу частот занимает аналоговый телефонный канал?
2. Чему равна скорость основного цифрового канала?
3. Чему равна скорость первичного цифрового канала?
4. Как называется операция образования группового цифрового потока из ряда основных каналов?

5. Как называется устройство, принимающее сигналы от нескольких источников по разным каналам (например, голос, видео, данные) и передающее их в виде мультиплексного сигнала по одному носителю?

Лекция 20. Топологические структуры локальных вычислительных сетей, организация регенерационных и приемо-передающих устройств на магистральных трассах.

План:

Дата добавления: 2014-11-08