Структура сетей связи

Любая СПРИ имеет сетевую структуру и объединяет с помощью каналов связи большую совокупность пространственно распределенных объектов – источников и потребителей информации (пользователей, абонентов). Основу сети составляют физические линии связи, из которых строятся транспортные системы (первичные сети). Типичными представителями первичных сетей являются сети радиорелейной и тропосферной связи, сети спутниковой связи, кабельные и во­локонно-оптические сети, а также их совокупность.

На базе каналов передачи первичных сетей создаются инфор­мационные (вторичные) сети, предоставляющие услуги поль­зователям по обмену различного рода информацией, в зависимо­сти от вида которой различают телефонные, телеграфные, теле­визионные, передачи данных и др. сети.

Информационная сеть включает совокупность оконечных пунк­тов (ОП), узлов сети (УС) и соединяющих их линий.

ОП, содержащие аппаратуру ввода, вывода, а иногда и обработки информации, обеспечивают взаимодействие пользователей с сетью по вводу и обработке сообщений, но не осуществляют функции транзита. ОП, расположенный непос­редственно у определенного пользователя – абонента, назы­вается абонентским пунктом (АП). Основное оборудование ОП составляют терминальные (оконечные) устройства различного вида (телефонные аппараты, переговорные устройства командно-диспетчерских пультов, аппараты громкоговорящей связи, теле­тайпы, различные видеотерминальные устройства и т. п.).

Узлы сети осуществляют распределение информации по сети. Узел содержит каналообразующую аппаратуру, коммутационное оборудование и устройства управления, обеспечивающие распре­деление сообщений, в нём могут быть также ЭВМ и другие устройства для хранения и обработки информации.

Отдельные пункты сети (ОП, УС) соединяются между собой линиями связи, имеющими каналы для передачи сообщений.

Пункты, непосредственно связанные линиями связи или пучками (совокупностью) прямых каналов, называются смежными. Канал может соединять либо смежные узлы, либо через несколько УС с помощью устройств кроссировки – несмежные пункты сети.

Линии, связывающие абонентов (ОП) с ближайшими к ним УС, называются абонентскими линиями (АЛ). АЛ могут быть индивидуальными, как это преимущественно сделано в телефонной сети, или коллективными, общими для совокупности абонентов. Последние часто применяются на абонентских участ­ках сетей передачи данных, когда с помощью концентраторов объединяются сигналы близко расположенных абонентов с неин­тенсивной нагрузкой.

Одной из важнейших ха­рактеристик сети является её структура (конфигурация). Основными типовыми структурами сетей являются:

– полносвязная сеть, построенная по принципу «каж­дый с каждым», в которой любые 2 пункта соединены непосред­ственно (рис. 5.10, а);

– сеть, имеющая вид шины со многими отво­дами (обеспечивает широковещательный режим) (рис. 5.10, б);

– «звезда» (рис. 5.10, в);

– петлевая сеть (рис. 5.10, г);

– сеть типа «сет­ка» (рис. 5.10, д...ж), в которой каждый узел является смежным только с небольшим числом других узлов, обычно ближайших по рас­стоянию.

Реальная сеть, как правило, содержит области с различ­ными структурами.

Рис. 5.10. Основные типовые структуры сетей

Сети связи можно классифицировать по следую­щим признакам:

– виду передаваемых сообщений (телефонная, телеграфная, пе­редачи данных, звукового или телевизионного вещания и т. д.);

– обслуживаемой территории (глобальная, международная, ре­гиональ­ная, междугородная и т. д.);

– ведомственной принадлежности (коммерческие, военные, МИД и т. д.);

– сфере применения (общего пользования, частного (специаль­ного) пользования);

– степени автоматизации (неавтоматизированные, автоматизиро­ванные, автоматические);

– степени подвижности элементов сети (мобильные, стационар­ные);

– способу распределения и доставки сообщений (по прямым ка­налам или с коммутацией).

5.4.2. Методы коммутации, управления и сигнализации

Наиболее простым способом доставки сообщений является до­ставка по прямым (скроссированным) каналам, осуществляемая непосредственно между аппаратурой ввода одного ОП и аппаратурой вывода другого ОП. Такие каналы предоставляются пользователям (например, сдаются в аренду) на продолжительное время (круглосуточно) или определенное время (например, по расписанию). Сети, обеспечивающие лишь долговременную (крос­совую) коммутацию, называются некоммутируемыми. Обмен сообщениями в них между связанными терминалами начинается с уведомления, какой терминал передаёт первым.

Сообщение может быть доставлено и по коммутируемой сети, т. е. по сети с возможностью оперативной коммутации. Данный вид коммутации предполагает осуществление текущих соединений для передачи сообщений. Различают следующие виды коммута­ции: каналов (КК), сообщений (КС) и пакетов (КП). В коммутируемых сетях к процедуре уведомления добавляются процедуры установления и разъединения соединений.

В сети с КК пользовате­лям на все время передачи сообщения предоставляется сквозной канал для полудуплексной или дуплексной работы, составленный в соответствии с адресом из свободных в данный момент кана­лов на отдельных участках (рис. 5.11).

Рис. 5.11. Сеть связи с КК

В сеансе связи различают 3 фазы: установления соединения, передачи сообщения и разъединения соединения. Процессом уста­новления соединения управляет вызывающий ОП, который посы­лает в свой коммутационный узел (КУ) сигнал вызова, получает от узла ответный сигнал (приглашение к набору номера) и вслед за этим передает в узел адресную информацию (знаки набора но­мера). КУ обрабатывает эту информацию, за­нимает один из каналов в пучке, ведущем к следующему УС, и передаёт последнему знаки набора, необходимые для дальней­шего установления соединения. Здесь канал образуется последо­вательно соединенными участками вплоть до вызываемого АП. Затем от сети на вызывающий и вызываемый оконечные АП поступают сигналы, извещающие о том, что соединение установлено и канал готов к передаче. С этого момента ход пере­дачи определяется оконечными АП. Разъединение может быть начато любым из двух связанных между собой оконечных АП с помощью сигнала отбоя, по которому все КУ, участвующие в образовании составного канала, разъединяют его.

Коммутация каналов применяется, прежде всего, в тех сетях, где требуется передача информации в реаль­ном масштабе времени и проведение диалога (сети телефонные, абонентского телеграфа и некоторые сети передачи данных).

Сетью с накоплением сообщений, или сетью с КС, называется сеть, внутри которой сообщение (или от­дельные части его) перемещается по маршруту поэтапно с на­коплением и запоминанием в каждом промежуточном УС и воз­можным ожиданием доступа к каналу, необходимому для даль­нейшей передачи, т. е. без образования сквозного тракта по всему маршруту (рис. 5.12). В таких сетях оконечные АП имеют постоянную прямую связь лишь с ближайшим узлом (узлами), а каждый узел(иногда называемый центром коммутации сообщений – ЦКС) соединен прямыми каналами с несколькими соседними УС. В ЦКС осуществляется промежуточное накопление сообщений. Несколько сообщений, одновременно ожидающих доступа к одно­му и тому же каналу (в одном направлении), образуют очередь. Коммутация сообщения в УС включает его переприём (приём, запоминание и хранение с последующей передачей) и выбор на­правления для передачи в соответствии с адресом, приписанным этому сообщению.

Рис. 5.12. Сеть связи с КС

Для прохождения по сети с КС сообщение вводится в опреде­лённом формате, регламентирующем предельный объём самого сообщения. Обязательными элементами формата сообщения яв­ляются: признак начала сообщения, заголовок, признак начала текста, текст, признаки конца текста и сообщения и в случае не­обходимости – информация для повышения верности. В состав заголовка входят: адрес получателя сообщения, категория сроч­ности, категория верности и другие характеристики, отражающие требования к качеству доставки данного сообщения. Основная особенность сети с КС заключается в перемещении отдельного сообщения по сети как неделимого блока с переприёмом в каж­дом промежуточном узле.

При КП передача сооб­щения между отдельными УС производится частями – короткими пакетами фиксированного формата. Эти пакеты обрабатываются в УС и направляются от одного узла к другому с применением методов КС. Каждый пакет перемещается по сети как единое це­лое, перед выдачей получателю сообщение собирается из пакетов и выдается в первоначальном виде (рис. 5.13).

Рис. 5.13. Сеть связи с КП

Рекомендации Х.25 МСЭ-Т (МККТТ) определяют 2 основных вида об­служивания в сети КП: постоянный виртуальный канал и комму­тируемое виртуальное соединение. Кроме того, применяется датаграммный режим обслуживания. Датаграмма – это пакет, пере­даваемый не в составе последовательности, а самостоятельно, что расширяет возможности сети по доставке пакетов, которые в этом случае могут передаваться к месту назначения различными пу­тями (рис. 5.13). Каждый пакет теперь снабжается собствен­ным заголовком, полностью или частично повторяющим информа­цию заголовка сообщения, с добавлением идентификатора места пакета в сообщении.

Виртуальный канал представляет собой такую форму обслу­живания, при которой у взаимодействующих через сеть АП возникает иллюзия наличия между ними выделен­ного канала. На самом деле концепция пакетной передачи позво­ляет разделять выделенный ресурс с другими пользователями. Постоянный виртуальный канал (виртуальная цепь) устанавли­вается между парой взаимодействующих АП на продолжительное время. На сеанс связи может выделяться временный виртуальный канал – виртуальное соединение, при осуществлении которого к функциям, выполняемым виртуальной цепью, добавляются процедуры установления и разъединения со­единения. Таким образом, виртуальный канал есть постоянное логическое соединение, которое позволяет АП обмени­ваться данными в любой момент времени без предварительного установления соединения. В определенном смысле такой канал подобен выделенному каналу в двухточечной схеме взаимодей­ствия между абонентами. Временное виртуальное соединение уста­навливается между АП на время информа­ционного контакта и по его завершении ликвидируется. В сущест­вующих сетях КП общего назначения режим виртуального соеди­нения – самый распространенный, так как обеспечивает наиболее эффективное использование номинальной пропускной способности сети.

Все процедуры и процессы в информационных сетях являются управляемыми. Управление обеспечивает, с одной стороны, раз­витие и поддержание в рабочем (исправном) состоянии как сети в целом, так и отдельных её элементов, а с другой – распределе­ние и доставку отдельных сообщений по адресу с соблюдением различных требований к доставке. Эти задачи могут решаться в автоматическом либо в автоматизированном режиме, когда часть функций возложена на человека, или в неавтоматизирован­ном, когда все функции возложены на человека.

Для доставки к устройствам управления необходимой инфор­мации, а от них – соответствующих команд могут применяться как те же средства связи, которые выполняют основную функцию сети по доставке сообщений пользователям, так и специально вы­деленные сигнальные или управляющие (служебные) каналы. В некоторых случаях создаются даже сети управления. При всех способах доставки, кроме использования прямых каналов, осу­ществляется оперативное управление на основании адреса, пред­шествующего каждому сообщению или их группе.

Важное значение имеют процедуры маршрутизации и управ­ления интенсивностью потока. Маршрутизация передаваемой ин­формации применяется при всех видах коммутации. На сетях с КК процедура маршрутизации сводится к осуществлению сквоз­ного соединения ОП через промежуточные узлы. Управляющий сигнал в данном случае несёт адресную информацию, полученную набором абонентского номера и передаваемую поэтапно от одного узла к другому.

Принципы маршрутизации с КС и КП близки по своему со­держанию. Информация о типовых маршрутах хранится в табли­цах типовых направлений. В них по адресу получателя и другим различным характеристикам сообщения может быть найдено ис­ходящее направление из любого ЦКС. Обычно в сети имеется несколько возможных путей соединения взаимодействующих ОП.

В зарубежных телефонных сетях различают пути (направ­ления) первого и второго выборов, а также вспомогатель­ные. Путь первого выбора (прямой путь) – каналы кротчайшей связи между УС, пути второго выбора (альтернативные) – используемые при пере­грузке или неудовлетворительном качестве на каналах первого выбора. Вспомогательные пути – это каналы, которые задействуются при полном прерывании связи или значительном по­вреждении на каналах первого или второго выбора.

Для установления и разъединения соединений между ОП и УК, а также между сосед­ними УК предусмотрены специальные сигналы и процедуры, которые образуют систему сигнализации.

Существует два основных способа сигнализации, различаю­щихся степенью централизации сигнальной информации:

– децентрализованный, при котором для каждого рабочего ка­нала (канала передачи основной информации) имеется свой канал сигнализации;

– централизованный, или сигнализация по общему каналу сиг­нализации для некоторой группы рабочих каналов – ОКС.

Первый способ имеет следующие разновидности:

– децентрализованная сигнализация по рабочему каналу, при которой управляющая информация передаётся по тому же каналу, что и полезная;

– децентрализованная сигнализация по выделенному каналу, когда информация сигнализации передается по отдельному кана­лу сигнализации, закрепленному за рабочим каналом. Примером может служить цифровой сигнальный канал со скоростью 2 Кбит/с, который для каждого телефонного канала (64 кбит/с) предусмат­ривается в 16-м временном канале системы ИКМ-30/32 согласно Рекомендации G.732 МСЭ-Т.

Централизованная сигнализация характеризуется тем, что ка­нал сигнализации находится в групповом пользовании. Обычно один ОКС организуется для всех рабочих каналов. Управляющая информация в этом случае должна иметь адресное поле, привя­зывающее её к рабочему каналу.

Оба способа сигнализации рекомендованы МСЭ-Т для между­народных участков: в Рекомендации Х.71 описан децентрализо­ванный способ, а в Рекомендациях Х.60 и Х.61 – ОКС для служ­бы передачи данных. Для международных телефонных сетей раз­работаны и рекомендованы МСЭ-Т системы телефонной сигнали­зации №№ 1...5, 5 bis, R1, R2, № 6 и № 7.

5.5. Эталонная модель взаимодействия открытых систем.

Любая СПРИ вместе с подключенными к ней распределённы­ми информационно-вычислительными ресурсами представляет собой сложную систему, элементами которой являются разнообраз­ные аппаратные и программные средства. В связи с этим воз­никла потребность в разработке идеологической концепции, кото­рая позволяла бы установить универсальные правила взаимодей­ствия элементов СПРИ. В рамках этой концепции должны быть предусмотрены различные уровни взаимодействия – от самых простейших до самых сложных (высоких).

МСЭ-Т и МОС совместно разработали (Рекоменда­ция Х.200) эталонную модель архитектуры вза­имодействия открытых систем (ЭМВОС, OSI – Open Systems Interconnection). Модель представляет собой эквивалентную фор­му описания информационно-вычислительной сети (ИВС), её структуры, входящих в неё компонентов, функций информацион­ных ресурсов, а также правил и процедур взаимодействия элемен­тов ИВС в процессе функционирования. Значение ЭМВОС за­ключается в том, что она вводит единый перечень понятий и об­щепринятый способ разделения различных функций сети на уров­ни. Именно эта модель используется в качестве базовой при раз­работке и определении правил функционирования различных си­стем, служб, сетей связи.

ЭМВОС состоит из семи уровней (рис. 5.14). Три нижних уровня предоставляют сетевые услуги; четыре верхних уровня – услуги самим оконечным пользователям.

Уровень канала передачи данных и находящийся под ним физический уровень обеспечивают канал безошибочной передачи между двумя узлами в сети. Функция сетевого уровня состоит в том, чтобы установить адрес и маршрут для передачи пакета данных по сети от узла передачи до узла назначения. Пакет может содержать все сообщения или только часть.

Нижний из верхних уровней ЭМВОС, транспортный уровень, обеспечивает сквозную передачу данных между абонентами сети с заданным качеством обслуживания, которое является составным параметром, определяющим характеристики взаимодействия абонентов: максимальное время установления соединения, пропускную способность, время задержки, вероятность ошибки при передаче сообщений и т.п.

Рис. 5.14. Эталонная модель взаимодействия открытых систем

Уровень сеанса обеспечивает организацию диалога между абонентами сети, т.е. управление очередностью передачи данных, их приоритетом, процедурой восстановления и т.д.

Уровень представления управляет и преобразует синтаксис блоков данных, которыми обмениваются оконечные пользователи (коды, форматы данных, сжатие данных, машинные языки и т.п.).

Прикладной уровень служит для выполнения всех информационно-вычислительных процессов, предоставляемых пользователям через транспортную сеть: электронная почта, телетекст, факс, электронный перевод денежных средств, пакетная передача речевых сообщений и др.

Свод правил (процедур) взаимодействия одинаковых уровней различных систем получил название протокола. Функции уровня, в зависимости от его номера, могут выполняться программными, аппаратными, либо программно-аппаратными средствами. Как правило, реализация функций высших уровней носит программ­ный характер, функции канального и сетевого уровней могут быть реализованы как программными, так и аппаратными средствами. Физический уровень обычно выполняется в аппаратном виде.

Реальные практические системы не обязательно соответствуют полной 7-уровневой ЭМВОС. В действительности в разных ИВС используется различное число уровней (в общем случае оно мо­жет изменяться от 3 до 7). Когда невозможно установить прямое соединение между объектами определенного уровня, связь между ними осуществляется через промежуточные объекты (ретрансляторы).

Информация в иерархической структуре передаётся в виде отдельных частей, имеющих различные названия в зависимости от уровня прохождения. На транспортный уровень сообщение по­ступает в виде блоков, снабжённых заголовком процесса. Здесь блок получает второй заголовок (заголовок передачи) и название фрагмента. На сетевом уровне добавлением к фрагменту заго­ловка, содержащего управляющую информацию для маршрутиза­ции, формируются пакеты. Сетевые уровни систем обмениваются друг с другом пакетами. В результате до­бавления к пакету заголовка и концевика образуется кадр, кото­рым обмениваются друг с другом канальные уровни систем. По физическим каналам передачи направляются последовательности бит, которые на канальном уровне формируются в кадры и т. д.

Процесс создания кадра можно проиллюстри­ровать процедурой последовательной упаковки инфор­мации пользователя в 4 «конверта» (рис. 5.15).

На каждом из четырех рас­смотренных уровней осуществляется упаковка информации поль­зователя либо «конверта», полученного от предыдущего уровня структуры сети, в новый «конверт» с указанием на нём нового адреса (заголовка). Каждый уро­вень оперирует лишь со своим заголовком, не используя осталь­ную часть массива информации.

Рекомендации МСЭ-Т определяют наименование основных элементов физической структуры сетей. Любой источник либо по­требитель информации называется оконечным оборудованием данных (ООД) и обозначается буквами DTE (Data Terminal Equipment).

Рис. 5.15. Процедура упаковки информации в ЭМВОС

Особо выделяется аппаратура канала данных – АКД (DCE – Data Communications Equipment), функция которой со­стоит в обеспечении возможности передачи информации между двумя или большим числом ООД по каналу определенного типа, например по телефонному. Для этого АКД должна обеспечить соединение с ООД с одной стороны и с каналом передачи – с дру­гой. В её состав входят модемы, а также устройства преобразо­вания сигналов, защиты от ошибок, автоматического вызова або­нента телефонной сети и т. д.

Рекомендации X. МСЭ-Т описывают стандарты «Обществен­ных информационных сетей». Для сетей КК основной является Рекомендация Х.21, описывающая универсальный физический ин­терфейс ООД/АКД для синхронной работы двух си­стем, соединенных дискретным каналом (каналом передачи дан­ных). МСЭ-Т разработал также Реко­мендацию Х.21 bis с комбинированным физическим интерфейсом, пригодным как для дискретных каналов, определяемых Рекомен­дацией Х.21, так и для аналоговых телефонных каналов, определяющую характеристики сопряжения с дискретным каналом передачи данных. Главные характеристики сетей КП устанавливаются Рекомендациями Х.25 и Х.75, в кото­рых представлены протоколы физического, канального и сетевого уровней.

5.6. Основные положения теории массового обслуживания

Системы передачи и распределения информации – сложные стохастические системы, одной из основных функций которых является обслуживания поступающих на них потоков заявок. Исследованием таких систем занимается теория телетрафика, одна из ветвей теории массового обслуживания.

Заявки поступают в систему одна за другой в некоторые случайные моменты времени. Обслуживание поступившей заявки продолжается некоторое время, после чего система освобождается и готова к принятию следующей заявки. Каждая такая система может быть совокупностью коммутационных приборов, частью или всем коммутационным узлом, либо сетью связи, обеспечивающих по определённому алгоритму передачу различных сообщений, и является системой массового обслуживания (СМО).

Предметом теории телетрафика является количественная сторона процессов обслуживания потоков сообщений в СПРИ. Эта теория позволяет установить требования к устройствам (системам) коммутации и числу линий, при которых гарантируется требуемое качество связи при заданном проценте отказов или времени ожидания.

При увеличении числа ОП и большой территории, охваченной ими, возникает задача выбора структуры сети, размещения УК, определения числа соединительных линий (каналов). Оптимизация затрат за счёт выбора предпочтительного соотношения между средствами передачи и коммутации является одной из главных задач проектирования сетей связи.

Классификация систем массового обслуживания

Системы массового обслуживания могут быть двух типов:

а) с отказами – заявка, поступившая в систему с отказом, когда все каналы заняты, получает отказ, покидает СМО и в дальнейшем процессе обслуживания не участвует;

б) СМО с ожиданием – заявка, поступившая в такую систему, когда все каналы заняты, становится в очередь и ожидает пока не освободится один из каналов:

1) СМО с неограниченным ожиданием – каждая заявка, поступившая в момент, когда нет свободных каналов, может неограниченно ожидать начало обслуживания, причём любая получившая заявка рано или поздно будет обслужена;

2) СМО с ограниченным ожиданием – на пребывание заявки в очереди накладываются те или иные ограничения. Чаще всего ограничение накладываются на продолжительность ожидания в очереди или на длину очереди.

Характеристики СМО:

а) СМО с отказами:

– абсолютная пропускная способность А – среднее число заявок, которое может обслужить система в единицу времени;

– относительная пропускная способность q – средняя доля поступивших заявок, обслуживаемых системой в единицу времени, т.е. отношение среднего числа заявок, обслуживаемое системой в единицу времени к среднему числу поступающих за это время заявок;

– вероятность обслуживания поступившей заявки;

Дата добавления: 2014-01-07