Существуют три принципиально разные схемы коммутации абонентов в сетях: коммутация каналов (circuit switching), коммутация пакета» (packet switching) и коммутация сообщений (message switching). Как сети с коммутацией пакетов, так и сети с коммутацией каналов можно разделить на два класса по другому признаку ? на сети с динамической коммутацией и сети с постоянной коммутацией.
В первом случае сеть разрешает устанавливать соединение по инициативе пользователя сети. Коммутация выполняется на время сеанса связи, а затем связь разрывается. Любой пользователь сети может соединиться с любым другим пользователем сети. Обычно период соединения между парой пользователей при такой коммутации составляет от нескольких секунд до нескольких часов и завершается при выполнении определенной работы ? передачи файла, просмотра страницы текста или изображения и т. п.
Во втором случае сеть разрешает паре пользователей заказать соединение на длительный период времени. Соединение устанавливается не пользователями, а персоналом, обслуживающим сеть. Время, на которое устанавливается постоянная коммутация, измеряется несколькими месяцами. Режим постоянной коммутации в сетях с коммутацией каналов называется сервисом выделенных или арендуемых каналов. Примерами таких сетей являются телефонные сети, локальные сети, сети TCP/IP. Сетями, работающими в режиме постоянной коммутации, являются сети технологии SDH, на основе которых строятся выделенные каналы связи с пропускной способностью в несколько гигабит в секунду.
Коммутация каналов подразумевает образование непрерывного составного физического канала из последовательно соединенных отдельных участков для прямой передачи данных между узлами. Отдельные каналы соединяются между собой коммутаторами, которые могут устанавливать связи между любыми конечными узлами сети. В сети с коммутацией каналов перед передачей данных всегда необходимо выполнить процедуру установления соединения, в процессе которой и создается составной канал.
Коммутаторы, а также соединяющие их каналы должны обеспечивать одновременную передачу данных нескольких абонентских каналов. Для этого они должны быть высокоскоростными и поддерживать одну из двух техник мультиплексирования абонентских каналов:
• техника частотного мультиплексирования (Frequency Division Multiplexing, FDM);
• техника мультиплексирования с разделением времени (Time Division Multiplexing, TDM).
Техника частотного мультиплексирования каналов (FDM) была разработана для телефонных сетей, но применяется она и для других видов сетей, например сетей кабельного телевидения. Полоса пропускания кабельных систем с промежуточными усилителями, соединяющих телефонные коммутаторы между собой, обычно составляет сотни килогерц или сотни мегагерц. Однако непосредственно передавать сигналы нескольких абонентских каналов по широкополосному каналу невозможно, т.к. все они работают в одном диапазоне частот и сигналы разных абонентов смешаются между собой так, что разделить их невозможно.
Для разделения абонентских каналов характерна техника модуляции высокочастотного несущего синусоидального сигнала низкочастотным речевым сигналом. Она подобна технике аналоговой модуляции, только вместо дискретного исходного сигнала используются непрерывные сигналы, порождаемые звуковыми колебаниями. В результате спектр модулированного сигнала переносится в другой диапазон, который симметрично располагается относительно несущей частоты и имеет ширину, совпадающую с шириной модулирующего сигнала. Если, сигналы каждого абонентского канала перенести в свой собственный диапазон частот, то в одном широкополосном канале можно одновременно передавать сигналы нескольких абонентских каналов.
На входы FDM-коммутатора поступают исходные сигналы от абонентов телефонной сети. Коммутатор выполняет перенос частоты каждого канала в свой диапазон частот. Обычно высокочастотный диапазон делится на полосы, которые отводятся для передачи данных абонентских каналов (рис.16). Чтобы низкочастотные составляющие сигналов разных каналов не смешивались между собой, полосы делают шириной в 4 кГц, а не в 3,1 кГц, оставляя между ними страховой промежуток в 900 Гц. В канале между двумя FDM-коммутаторами одновременно передаются сигналы всех абонентских каналов, но каждый из них занимает свою полосу частот. Такой канал называют уплотненным.
В сетях с FDM-коммутацией принято несколько уровней иерархии уплотненных каналов. Первый уровень уплотнения образуют 12 абонентских каналов, которые составляют базовую группу каналов, занимающую полосу частот шириной в 48 кГц в пределах от 60 до 108 кГц. Второй уровень уплотнения образуют 5 базовых групп, которые составляют супергруппу, с полосой частот шириной в 240 кГц в пределах от 312 до 552 кГц. Супергруппа передает данные 60 абонентских каналов тональной частоты. Десять супергрупп образуют главную группу, которая используется для связи между коммутаторами на больших расстояниях. Главная группа передает данные 600 абонентов одновременно и требует от канала связи полосу пропускания шириной не менее 2520 кГц в пределах от 564 до 3084 кГц.
Коммутаторы FDM могут выполнять как динамическую, так и постоянную коммутацию. При динамической коммутации один абонент инициирует соединение с другим абонентом, посылая в сеть номер вызываемого абонента. Коммутатор динамически выделяет данному абоненту одну из свободных полос своего уплотненного канала. При постоянной коммутации за абонентом полоса в 4 кГц закрепляется на длительный срок путем настройки коммутатора по отдельному входу, недоступному пользователям.
Коммутация на основе техники разделения частот разрабатывалась в расчете на передачу непрерывных сигналов, представляющих голос. При переходе к цифровой форме представления голоса была разработана новая техника мультиплексирования, ориентирующаяся на дискретный характер передаваемых данных.
Эта техника носит название мультиплексирования с разделением времени (Пте Division Multiplexing, TDM). Реже используется и другое ее название ? техника синхронного режима передачи (Synchronous Transfer Mode, STM). Рис.17 поясняет принцип коммутации каналов на основе техники TDM.
Аппаратура TDM-сетей ? мультиплексоры, коммутаторы, демультиплексоры ? работает в режиме разделения времени, поочередно обслуживая в течение цикла своей работы все абонентские каналы. Цикл работы оборудования TDM равен 125 мкс, что соответствует периоду следования замеров голоса в цифровом канале. Это значит, что мультиплексор или коммутатор успевает вовремя обслужить любой абонентский канал и передать его очередной замер далее по сети. Каждому соединению выделяется один квант времени цикла работы аппаратуры, называемый также тайм-слотом. Длительность тайм-слота зависит от числа абонентских каналов, обслуживаемых мультиплексором TDM или коммутатором.
Мультиплексор принимает информацию по N входным каналам от конечных абонентов, каждый из которых передает данные по абонентскому каналу со скоростью 64 Кбит/с ? 1 байт каждые 125 мкс. В каждом цикле мультиплексор выполняет следующие действия:
• прием от каждого канала очередного байта данных;
• составление из принятых байтов уплотненного кадра (обоймы);
• передача уплотненного кадра на выходной канал с битовой скоростью, равной Nx64 Кбит/с.
Порядок байт в обойме соответствует номеру входного канала, от которого этот байт получен. Количество обслуживаемых мультиплексором абонентских каналов зависит от его быстродействия. Например, мультиплексор Т1, представляющий собой первый промышленный мультиплексор, работавший по технологии TDM, поддерживает 24 входных абонентских канала, создавая на выходе обоймы стандарта Т1, передаваемые с битовой скоростью 1,544 Мбит/с.
Коммутатор принимает уплотненный кадр по скоростному каналу от мультиплексора и записывает каждый байт из него в отдельную ячейку своей буферной памяти, причем в том порядке, в котором эти байты были упакованы в уплотненный кадр. Для выполнения операции коммутации байты извлекаются из буферной памяти не в порядке поступления, а в таком порядке, который соответствует поддерживаемым в сети соединениям абонентов.
Номер тайм-слота остается в распоряжении соединения «входной канал ? выходной слот» в течение всего времени существования этого соединения, даже если передаваемый трафик является пульсирующим и не всегда требует захваченного количества тайм-слотов. Соединение в сети TDM всегда обладает известной и фиксированной пропускной способностью, кратной 64 Кбит/с.
Работа оборудования TDM напоминает работу сетей с коммутацией пакетов, т.к. каждый байт данных можно считать элементарным пакетом. Однако, «пакет» сети TDM не имеет индивидуального адреса. Его адресом является порядковый номер в обойме или номер выделенного тайм-слота в мультиплексоре или коммутаторе. Сети, использующие технику TDM, требуют синхронной работы всего оборудования, что и определило второе название этой техники ? синхронный режим передач (STM). Нарушение синхронности разрушает требуемую коммутацию абонентов, т.к. при этом теряется адресная информация. Поэтому перераспределение тайм-слотов между различными каналами в оборудовании TDM невозможно, т.к. на входе канала в этот момент нет данных для передачи.
Сети с коммутацией каналов хорошо приспособлены для коммутации потоков данных постоянной скорости, когда единицей коммутации является не отдельный байт или пакет данных, а долговременный синхронный поток данных между двумя абонентами. Для таких потоков сети с коммутацией каналов добавляют минимум служебной информации для маршрутизации данных через сеть, используя временную позицию каждого бита потока в качестве его адреса назначения в коммутаторах сети.
В зависимости от направления возможной передачи данных способы передачи данных по линии связи делятся на следующие типы:
• симплексный ? передача осуществляется по линии связи только в одном направлении;
• полудуплексный ? передача ведется в обоих направлениях, но попеременно во времени. Примером такой передачи служит технология Ethernet;
• дуплексный ? передача ведется одновременно в двух направлениях.
Дуплексный режим ? наиболее универсальный и производительный способ работы канала. Самым простым вариантом организации дуплексного режима является использование двух независимых физических каналов в кабеле, каждый из которых работает в симплексном режиме, то есть передает данные в одном направлении. Эта идея лежит в основе реализации дуплексного режима работы во многих сетевых технологиях, например Fast Ethernet или ATM.
