Виды коммутации и их сравнительный анализ

Все автоматические телефонные станции (АТС), используемые на сетях связи, представляют собой узлы коммутации каналов. Однако принцип коммутации каналов используется не только в области телефонии, он нашел широкое применение и в станциях абонентского телеграфа, а также многих других системах распределения информации. Это самый традицион­ный вид коммутации и он до сих пор сохранил первоначально принятый алгоритм обслуживания вызовов. Процесс обслуживания вызовов в системах распределения информации, использующих этот вид коммутации, можно разделить на три стадии: сигнализация для установления соединения, обмен информацией по установленному соединению и сигнализация для разъединения. Только на второй стадии происходит обмен пользовательской информацией, что и составляет полезное время использования каналов. Обозначим через t_yc, t_o6 и t_oc соответственно время установления соединения, время обмена информацией и время освобождения. Из теории распределения информации мы знаем, что использование канала зависит от емкости пучка каналов и требуемого качества обслуживания (допустимой вероятности явных потерь). Обозначим эту величину через . Тогда, казалось бы, что реальное использование канала определяется как

1. 
   реальное использование канала очень мало
   
2. 
   скорость передачи от терминала до терминала через все узлы коммутации долж­на быть строго определенной (64 Кбит/с)
   
3. 
   предъяв­ляются высокие требования к синхронизации. Принципиально не допускается ощутимое расхождение тактовых частот на раз­личных участках тракта. Особенно это важно для передачи данных.
   

1. 
   при коммутации каналов абоненты на определенное время получают двухсторонний канал связи, по которому можно вести натуральный живой обмен информацией
   
2. 
   информация доставляется фактически без задержки
   
3. 
   во время обмена ин­формацией между пользователями в узлах коммутации соеди­нительного тракта не требуется обработки этой информации
   
4. 
   Управляющие устройства узлов коммутации каналов участву­ют в обслуживании вызова только на стадии сигнализации, т. е. при установлении и разрушении соединения. Это обуслов­ливает высокую пропускную способность систем управления узлов коммутации каналов.
   

При коммутации сообщений само передаваемое сообщение содержит две части: заголовок и собственно сообщение (поль­зовательская информация). В заголовке указывается адрес по­лучателя, дата и время отправления сообщения. Сообщение полностью формируется в абонентской терминальной установ­ке. Узел коммутации сообщений принимает сообщение и запи­сывает его в запоминающее устройство (ЗУ) системы управле­ния, анализирует заголовок и проверяет достоверность приня­той информации, а затем передает это сообщение в другой транзитный узел коммутации сообщений либо по абонентской линии в терминальную установку получателя информации. В общем, процесс обслуживания вызовов в узлах коммутации со­общений состоит из следующих стадий: прием, контроль на до­стоверность и хранение сообщения; анализ заголовка и переда­ча сообщения. В общем случае узел коммутации сообщений можно представить как систему массового обслуживания с ожиданием. В каждом узле коммутации сообщений происхо­дит задержка информации на время ее обработки, поэтому для сети КС важным показателем является время доставки сооб­щения. По сети КС нельзя вести телефонный обмен информа­цией. Однако сеть коммутации сообщений не предъявляет жест­ких требований по синхронизации на различных участках трак­та передачи, и допускается использование в довольно широком диапазоне различных скоростей передачи информации.

Действительное использование канала при коммутации со­общений определяется как

где d_с — средняя длина информационной части сообщения, a d_з — длина заголовка, а — загрузка канала связи. При этом, как правило, при использовании дисциплины обслуживания с ожиданием можно добиться более высокого использования каналов в час наибольшей нагрузки.

В каждом узле коммутации сообщений обрабатывается не только заголовок сообщения (сигнальная часть сообщения), но и контролируется достоверность принятой информации, а также производятся запись и чтение сообщения из ЗУ системы управления. При этом число элементарных операций, затрачиваемых системой управления на обработку сообщения, зависит от длины передаваемого сообщения. Удельные затраты систе­мы управления на единицу передаваемой информации можно приблизительно оценить, используя выражение

Пусть ЗУ системы управления узла коммутации каналов 16-разрядное и на запись и чтение одного слова из ЗУ необхо­димо 5 элементарных операций, тогда в этом случае величина = 300 опер/Кбит. Таким образом, независимо от длины со­общения, затраты системы управления узла коммутации при коммутации сообщений всегда больше, чем при коммутации каналов.

1. 
   по сети КС нельзя вести телефонный обмен информа­цией (задержки)
   
2. 
   во время обмена ин­формацией между пользователями в узлах коммутации соеди­нительного тракта требуется дополнительная обработки этой информации (обрабатывается заголовок сообщения (сигнальная часть сообщения), контролируется достоверность принятой информации, а также производятся запись и чтение сообщения из ЗУ системы управления)
   

1. 
   реальное использование канала по сравнению с КК увеличилось
   
2. 
   скорость передачи от терминала до терминала через все узлы коммутации не долж­на быть строго определенной
   
3. 
   не предъяв­ляются высокие требования к синхронизации
   

Существенным недостатком коммутации сообщений является невозможность живого диалога между пользователями сети связи. Стремление к устранению этого недостатка привело к разработке нового способа коммутации — коммутации пакетов. При коммутации пакетов сообщение раз­бивается на пакеты небольшой длины. Для простоты в начале предположим, что каждый пакет снабжен заголовком (рис. 2.1). Все пакеты пронумерованы так, что на приемном конце из этих пакетов без труда можно снова составить исходное сообщение.

Если предположим, что мы разбиваем сообщение на пакеты таким образом, что сохраняется условие d_з d_c , то можно считать, что оста­ется неизменным как для КП, так и для КС. Однако при КП пакет имеет постоянную длину и = 0, а при КС в общем слу­чае > 0. При экспоненциальном законе распределения длин сообщений =1. Следовательно, пакетирование сообщений снижает среднюю длительность задержки информации. Но са­мым главным является то, что выражается через среднее вре­мя передачи сообщения или пакета, т. е. за единицу времени при КС взята длительность передачи сообщения средней дли­ны, а при КП — длительность передачи одного пакета. Это оз­начает, что КП дает значительный выигрыш при передаче со­общений малой длины (малое число пакетов), а при передаче сообщений очень большой длины выигрыш будет незначитель­ный, либо может быть и проигрыш. Действительно, в диалого­вом режиме сообщения, как правило, имеют небольшую длину. При передаче сообщений очень большой длины, например мас­сивов данных, время ожидания не имеет решающего значения.

Выигрыш во времени доставки информации достигается за счет больших затрат ресурсов систем управления узлов комму­тации пакетов. При коммутации пакетов эти затраты опреде­ляются как

где n — число пакетов в одном сообщении.

Сравним удельные затраты систем управления узлов комму­тации при КП и КС.

Пусть Q = 5000; С = 300 опер/Кбит; n = 10; d_c = 10000 бит. В этом случае С_кс =800 опер/Кбит, а С_кп = 5300 опер/Кбит.

При КП, как и при КС, в системе передачи нет необходимо­сти производить деление общего ресурса на каналы. Вся систе­ма представляет собой моноканал с определенной скоростью передачи информации. Аналогично КС при КП на различных коммутируемых участках тракта передачи возможно использо­вание различных скоростей передачи информации, и не нужно обеспечивать синхронизацию тракта от терминала передачи до терминала приема. Однако, на каждом из участков необходи­ма битовая синхронизация. Коммутация пакетов требует не только высокой производительности систем управления узлов коммутации пакетов, но и наличия систем передачи, обеспечи­вающих высокую скорость передачи информации.

Описанный выше принцип КП, когда исходное сообщение разбивается на пакеты, и каждый пакет снабжается заголов­ком, при этом в сети связи он рассматривается как отдельное сообщение, получил название дейтаграммного. По сравнению с КС, и особенно с КК, дейтаграммный режим требует очень вы­сокой производительности систем управления узлов коммута­ции пакетов при обработке пакетов. В сложной сети связи с обходными направлениями пакеты, относящиеся к одному и то­му же сообщению, могут следовать в сети по различным марш­рутам. Это дает возможность параллельной передачи пакетов одного сообщения, что снижает время доставки. При этом не исключается возможность, что в терминал получателя инфор­мации пакет со старшим номером придет раньше, чем с младшим номером. Однако, при наличии нумерации пакетов всегда можно собрать исходное сообщение, а также в случае утери пакета по его номеру можно запросить недостающий пакет.

Другой режим КП называется виртуальным. Этот режим основан на использовании принципов КК для коммутации па­кетов. При этом режиме каждый пакет не имеет полного заго­ловка. После формирования пакетов сообщения в сеть посыла­ется специальный пакет сигнализации. Этот пакет содержит полный заголовок и специальное поле, в котором указываются характер данного пакета (сигнализация) и число пакетов сооб­щения. По эстафете этот сигнальный пакет обрабатывается во всех узлах коммутации пакетов, через которые будет переда­ваться сообщение. В результате обработки сигнального пакета всем пакетам данного сообщения присваивается идентификатор; во всех узлах коммутации резервируется массив памяти (обычно в объеме двух пакетов) для приема пакетов этого сообщения по идентификатору, причем в отдельном поле этого массива указывается номер исходящего канала, по которому необходи­мо передавать принятые пакеты. После прохождения сигналь­ного пакета через все необходимые узлы коммутации в обрат­ном направлении передается пакет подтверждения. После это­го считается, что между отправителем и получателем инфор­мации установлено соединение. Это соединение является вир­туальным, так как отсутствует сквозной синхронный тракт. На каждом транзитном узле коммутации пакетов происходит пе­ретрансляция принятых пакетов через зарезервированный мас­сив памяти. Виртуальный режим КП значительно экономичнее чем дейтаграммный с точки зрения затрат ресурсов систем уп­равления узлов коммутации. Все пакеты одного сообщения при виртуальном режиме КП передаются только по одному маршруту, определенному при маршрутизации. Следовательно, в этом режиме невозможна параллельная передача пакетов, что сказывается на времени доставки информации и использо­вании каналов связи.