7.3 Центры коммутации

Принципы построения и функции центра коммутации каналов рассмотрим на примере автоматической телефонной станции (АТС).

Основная задача центра КК – это организация по требованию физического соединения любой из n входных линий с любой другой из n выходных линий и удержание этого соединения на время передачи сообщения. Центр КК должен одновременно поддерживать до m таких соединений. Непосредственно эту задачу решает устройство коммутации (коммутационное поле).

Чтобы решить эту задачу, центр коммутации должен принимать и анализировать сообщения, поступающие из сети сигнализации, формировать подобные сообщения и направлять их в другие центры КК, контролировать состояние каналов передачи и вырабатывать соответствующие команды при изменении ситуации, вести учет и тарификацию произведенных соединений, проводить тестирование состояния оборудования, организовывать предоставление абонентам ряда дополнительных услуг и тому подобное. Все эти функции выполняет устройство управления центра коммутации.

По-видимому, можно выделить три основных этапа развития АТС.

П ервое поколение – это декадно-шаговые (электромеханические) АТС. Элементом устройства коммутации является декадно-шаговый искатель. Он содержит 10 неподвижных контактов, расположенных по окружности, и один подвижный контакт, поэтому способен производить гальваническое соединение любой из десяти входных линий с одной выходной линией либо, при обратном включении, одной входной с любой из десяти выходных (рис. 7.3). Перемещение подвижного контакта из исходного положения производится электромагнитом, на который подается серия, содержащая от 1 до 10 импульсов. При подаче очередного импульса контакт перемещается на один шаг. Генератором этой серии импульсов при наборе очередной цифры телефонного номера является дисковый номеронабиратель в телефонном аппарате вызывающего абонента. В итоге для организации соединения, задаваемого, например, шестизначным номером, и удержания его на все время телефонного разговора будут задействованы шесть декадно-шаговых искателей, находящихся даже в разных АТС, расположенных вдоль линии связи.

Оборудование декадно-шаговой АТС имеет большие массу и размеры, высокую стоимость, для него характерны значительные колебания сопротивления контактов, открытых для внешних воздействий. Последнее обстоятельство является причиной кратковременных (порядка единиц миллисекунд) замираний сигнала, что особенно пагубно влияет на передачу данных. Декадно-шаговые АТС морально устарели и сняты с производства, хотя еще кое-где находятся в эксплуатации.

В торое поколение – это координатные АТС (АТС с пространственной коммутацией). Элементом устройства коммутации является многократный координатный соединитель (МКС). Он содержит набор из n “горизонтальных” и n “вертикальных” шин, при этом в каждом узле имеется управляемый ключ (рис. 7.4). Ключ – это малоразмерный герметизированный контакт (геркон), в котором замыкание контактов происходит под воздействием внешнего магнитного поля, создаваемого миниатюрным электромагнитом. Управляющие напряжения на эти электромагниты подаются от устройства управления АТС. В итоге любой вход можно соединить с любым выходом, причем одновременно поддерживать до n соединений.

Координатные АТС обладают теми же недостатками, но в значительно меньшей степени. Благодаря тому, что все МКС работают по сигналам из устройства управления АТС, то есть из специализированного компьютера, есть возможность предоставлять абонентам ряд дополнительных услуг.

Третье поколение – это электронные (цифровые) АТС. Элементом устройства коммутации является пара мультиплексор-демультиплексор (рис. 7.5), откуда следует, что в АТС этого типа производятся такие же преобразования сигналов, как в м ногоканальной цифровой СПИ с ВРК (рис. 6.3). Имеются лишь два отличия. Во-первых, не нужен селектор синхросигналов, так как мультиплексор и демультиплексор находятся рядом и работают по командам от общего устройства управления. Второе отличие связано с порядком подключения n входов и n выходов. В СПИ с ВРК в любой момент времени номер А входной линии, подключаемой к выходу мультиплексора, совпадает с номером В той выходной линии, которая подключается к входу демультиплексора. В коммутаторе АТС эти два номера всегда различны, хотя в целом все n пар номеров повторяются в том же порядке от цикла к циклу (через 125 мкс) до тех пор, пока не закончится какой либо разговор либо не поступит требование на новое соединение. Тогда происходит переформирование пар, но оно, разумеется, не затрагивает номера слотов тех абонентов, которые еще не закончили разговор.

Например, при n=4 номера чередуются в следующем порядке

Номер A	…	1	2	3	4	1	2	3	4	1	2	3	4	…
Номер В	…	3	4	2	1	3	4	2	1	3	4	2	1	…

Это значит, что в первом слоте первый вход подключен к третьему выходу, во втором слоте второй вход подключен к четвертому выходу и так далее в каждом цикле. Такой способ носит название коммутация временных интервалов. Нет никаких препятствий для того, чтобы несколько входных линий соединить с одной выходной линией для организации совместного разговора.

За время одного подключения (в одном слоте) передается один отсчет телефонного сигнала в цифровой форме, то есть 8 бит. Поэтому все аналоговые телефонные сигналы, приходящие по абонентским линиям, на входе в АТС подвергаются аналого-цифровому преобразованию, а все сигналы, направляемые в абонентские линии – цифро-аналоговому преобразованию. Нередко (когда оба абонента обслуживаются одной АТС) оба преобразования делаются лишь для того, чтобы осуществить коммутацию в АТС.

Основная задача центра коммутации пакетов та же – это организация по требованию физического соединения любой из n входных линий с любой другой из n выходных линий, но сохраняется это соединение лишь на короткое время – на время передачи одного пакета. Непосредственно эту задачу решает устройство коммутации цифровых сигналов.

Чтобы решить эту задачу, центр коммутации должен производить демодуляцию принимаемых импульсов и декодирование комбинаций корректирующего кода (проводить обнаружение ошибок), выделять и анализировать заголовки пакетов (хотя бы для того, чтобы определить, в каком направлении его отправить дальше либо куда направить запрос на повторную передачу пакета в случае обнаружения в нем ошибок), с учетом текущей нагрузки и состояния линий выбрать направление дальнейшей передачи пакета и поставить его в очередь, провести кодирование и модуляцию перед отправкой пакета, контролировать состояние каналов передачи, вести учет величины трафика и тарификацию, проводить тестирование состояния оборудования и тому подобное.

Приведенный далеко не полный перечень показывает, что функции центра КП намного сложнее и разнообразнее, чем функции центра КК, поэтому нередко центр КК – это многопроцессорная вычислительная система.

Очевидно, что в больших сетях с коммутацией пакетов нет необходимости в том, чтобы все центры коммутации были способны выполнять все перечисленные функции в полном объеме, а в малых сетях многие из функций вообще не нужны. Поэтому существуют центры коммутации пакетов разных классов. Укажем некоторые из них, учитывая, что одна из важнейших разновидностей сетей с коммутацией пакетов – это компьютерные сети.

Мост (bridge) делит общую среду, в которой передаются пакеты, например, общую шину (рис. 7.2б), на части (подсети) и выпускает пакет за пределы данной подсети лишь в случае необходимости. Имеет один процессорный блок.

Коммутатор (switch) имеет процессор на каждом порте, то есть это – совокупность мостов. Способен обрабатывать пакеты независимо в параллельном режиме.

Маршрутизатор (router) способен выбирать наиболее рациональный маршрут, используя явную числовую адресацию подсетей с учетом их иерархии. Способен преобразовывать формат пакета для связи подсетей с разной сетевой технологией.

Шлюз (gateway) обладает полным набором функций и может объединять сети с разными типами системного и прикладного программного обеспечения.

Кроме того, для каждого вида сообщений существуют оптимальные значения параметров пакетов. Например, при передаче телевизионного или телефонного сигнала желательно использовать короткие пакеты, чтобы не увеличивать задержек, связанных с формированием, а также обработкой принимаемых пакетов. При передаче файлов допустимо использование более длинных пакетов для уменьшения избыточности. Отметим еще, что создано огромное количество вторичных сетей с коммутацией пакетов самого разнообразного назначения.

Все это выдвигает на первый план проблему унификации, стандартизации структуры и параметров пакетов, а также способов их обработки на разных этапах передачи. Особое внимание должно быть уделено стандартизации интерфейсов (стыков), то есть границам раздела двух устройств или систем.

Широко применяемый метод стандартизации – это разработка протоколов обмена информацией. Протокол – это соглашение, касающееся управления процедурами информационного обмена между взаимодействующими объектами, то есть управления форматом сообщений, формированием контрольной информации, потоком команд и действиями, которые предпринимаются в случае обнаружения ошибок. Предполагается, что эти объекты не имеют средств прямого обмена информацией, но могут пересылать данные через соответствующий локальный интерфейс протоколам нижнего уровня, пока не будет достигнут самый нижний – физический. Информация передается в удаленный пункт с использованием протокола самого низкого уровня и далее продвигается вверх через систему интерфейсов до соответствующего уровня в пункте назначения. Для каждой сети нужен набор протоколов, определяющих способ взаимодействия удаленных объектов на данном уровне, и набор интерфейсов, определяющих способ взаимодействия между соседними уровнями. Такой набор называется пакетом (стеком) протоколов. Именно он определяет способ обработки пакетов в центрах коммутации.

В настоящее время разработано большое количество протоколов разного уровня, поэтому создана концепция, согласно которой связное оборудование с различными протоколами может объединяться в систему с помощью сети передачи данных. Такой стандарт стандартов называется семиуровневой эталонной моделью взаимодействия открытых систем. Он определяет семь уровней взаимодействия, начиная с нижнего: физический, канальный, сетевой, транспортный, сеансовый, представления данных и прикладной. Первые три уровня относятся к передаче и маршрутизации данных. Последние три уровня обслуживают пользовательские приложения. Четвертый уровень обеспечивает стыковку трех нижних и трех верхних уровней. Эта модель пока не реализована в виде законченного множества протоколов для всех уровней, но уже дает возможность упорядочить имеющиеся протоколы.