Технологии коммутации. 06_Технологии коммутации. Основы технологий коммутацииколбанёв михаил олегович
 Скачать 3.22 Mb.
|
Основы технологий коммутации КОЛБАНЁВ МИХАИЛ ОЛЕГОВИЧ Доктор технических наук, профессор СЕТЕВЫЕ ТЕХНОЛОГИИ Колбанёв М.О. Технологии коммутации. 2 Как следует из принципов построения инфокоммуникационных систем и сетей, распространение данных предполагает реализацию нескольких сетевых технологий. К числу главных из них относятся: - технология информационного взаимодействия обеспечивает распространение (перемещение) данных в пространстве от отправителя к получателю (принцип 1); - технология мультиплексирования (уплотнения) позволяет повысить использование физических сетевых ресурсов, обеспечивающих процесс передачи (принцип 2); - технология коммутации предназначена для организации совместного использования пользова- телями групповых (доступных группе отправителей) канальных сетевых ресурсов, образованных в результате мультиплексирования (принцип 3); - технология множественного доступа обеспечивает использование несколькими объектами (пользователями) некоторого общего ресурса сетей доступа к глобальным инфокоммуникационным сетям и системам (принцип 6). М ул ьти пле кс иров ан ие КОММУТАЦИЯ – это телекоммуникационная технология, при помощи которой: 1) выбираются направления передачи данных и свободные каналы связи в этих направлениях и 2) строятся сетевые соединения между пользователями. Центры коммутации организу- ют доступ большой группы пользователей к ограниченно- му количеству общих ресурсов, при помощи которых может быть построено ограниченное этим количеством число соеди- нений (рисунок справа). Использование центров коммутации, реализующих технологии коммутации, позволяет получить экономически оправданные решения для сетей связи любой емкости. 2) для выполнения функций занятия ресурсов сетевые центры должны получать адресную информа- цию о направлениях передачи данных. Эта служебная (управляющая) информация циркулирует в сети и «отнимает» у полезной информации сетевые ресурсы; 3) существует вероятность отказа или задержки передачи сообщений из-за перегрузки, поскольку пропускная способность сети меньше, чем количество данных, которое может быть одновременно заявлено для передачи информационными источниками. Аб.1 Аб. 5 Аб. 4 Аб. 6 Аб.3 Аб. 2 14 15 1 1 4 6 10 7 12 2 5 9 8 В этой сети каждый пользователь соединен с каждым 3 1 15 абонентских линий 13 Аб.6 Аб.5 Аб.4 Аб.3 Аб.2 Аб.1 ЦК 1 ЦК 2 В этой сети используются центры коммутации. Они занимают линии связи и соединяют пользователей 6 абонентских линий 2 линии, соединяющие ЦК П ОСЛЕДСТВИЯ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ЦЕНТРОВ КОММУТАЦИИ ПРИ ПОСТРОЕНИИ СЕТИ : 1) сети большой емкости приобретают многоуровневую иерархическую структуру; Колбанёв М.О. Технологии коммутации. Технологии коммутации логически сложны и их логика в части занятия и освобождения ресурсов РЕАЛИЗУЕТСЯ ПРОГРАММНЫМИ СРЕДСТВАМИ , в отличие от многихэлементов технологий передачи и мультиплексирования. 3 4 СОЕДИНЕНИЯ (МАРШРУТЫ) ДЛЯ ПЕРЕДАЧИ ДАННЫХ 1. Определить состав пользователей: - если пользователей относительно не много, то соединить их линиями связи каждого с каждым. Сеть построена. - если пользователей много, то изучить их распределение в пространстве. Оно всегда неравномерно. Перейти к этапу 2. Кластер пользователей Кластер пользователей Кластер пользователей УД УД УД Каждый УД с каждым 2. Построить коммутационные центры или узлы доступа (УД), реализу- ющие технологии коммутации на первом уровне сетевой иерархии, соответственно распределению пользователей в пространстве: - если узлов доступа не много, то соединить их линиями связи каждый с каждым. Сеть построена. - если узлов доступа много, то перейти к шагу 3. Каждый пользователь с каждым УД УД УД Каждый УР1 с каждым УД УД УД УД УД УР1 УР1 УР1 2 уровня иерархии 3. Построить коммутационные центры или узлы распределения нагрузки (УР), реализующие технологии коммутации на следующем уровне сетевой иерархии соответственно расположению УД: - если узлов УР1 не много, то соединить их каждый с каждым. Сеть построена. - если узлов УР1 много, то перейти к шагу 4. И т.д. С ЕТЕВОЕ СОЕДИНЕНИЕ – это последовательность каналов связи, которые «соединяют» пользователей, т.е. обеспечивают передачу данных между отправителем и получателем данных. Для построения соединения надо, основываясь на адресах пользователей, выбрать и занять каналы соответствующих направлений связи. Количество таких последовательно соединенных каналов в одном соединении зависит от количества уровней иерархии сети связи. Каждый центр коммутации «включает/выключает» одну точку коммутации, соединяя/разъеди- няя линии связи на физическом и (или) каналы связи на логическом уровне. Процедура коммутации имеет разное название на сетях с разной технологией. К ОММУТАЦИЯ – на аналоговых сетях, МАРШРУТИЗАЦИЯ – на цифровых пакетных сетях, СОРТИРОВКА – на почтовых сетях. Как формируются иерархические уровни сетевой архитектуры? Колбанёв М.О. Технологии коммутации. Центр коммутации (ЦК) В Х О ДЯЩ И Е ЛИНИИ ( К АН АЛ Ы ) СВ ЯЗИ И С Х О ДЯЩИ Е ЛИНИИ ( К АН АЛ Ы ) СВ ЯЗИ Н ап рав лен ие св язи о т др уг ог о ЦК Н ап рав лен ие св язи о т др уг ог о ЦК Н ап рав лен ие св язи к др уг ому Ц К Н ап рав лен ие св язи к др уг ому Ц К … … … … … … Л ИНИИ И КАНАЛЫ СВЯЗИ РАЗДЕЛЕНЫ НА ГРУППЫ ПО НАПРАВЛЕНИЯМ МОДЕЛИ ЦЕНТРА КОММУТАЦИИ И СЕТЕВОГО СОЕДИНЕНИЯ Колбанёв М.О. Технологии коммутации. 5 ЦК ЦК ЦК ЦК ЦК Иер ар хиче ские ур овни сети Уровень доступа Уровень распределения С ХЕМА СОЕДИНЕНИЯ ДВУХ ПОЛЬЗОВАТЕЛЕЙ Для современных сетей имеет значение не только число линий, но и число каналов, образованных в физической линии при мультиплексировании. При этом уплотненную линию всегда можно представить эквивалентным числом каналов связи так, как это показано на рисунке, и наоборот. Эквивалентная замена уплотненных линий группой каналов позволяет оценивать пропускную способность сети и вероятностно-временные характеристики качества обслуживания пользователей при помощи формул Эрланга и их обобщений, полученных в теории телетрафика. Сетевое соединение между пользователя- ми в современных сетях электросвязи, как правило, не имеет характер соедине- ния физических цепей. Оно образуется логическими связями между каналами уплотненных физических линий. Соединения приобретают физическое воплощение только на некоторой частоте (при FDM), в некоторый интервал време- ни (при TDM) или при использовании некоторого чип-кода (при CDMA). ИЕРАРХИЧЕСКИЕ УРОВНИ КОММУТИРУЕМЫХ СЕТЕЙ СВЯЗИ Здесь терминалы – это компьютеры Колбанёв М.О. Технологии коммутации. Любой центр коммутации связан исходящими каналами связи с несколькими другими центрами коммутации. Часть исходящих каналов, соединяющих центр коммутации с другим центром коммутации, называется НАПРАВЛЕНИЕ СВЯЗИ В процессе коммутации нужное направление связи выбирается в соответствии с адресом получателя данных. Здесь терминалы – это почтовые ящики Здесь терминалы – это телефонные аппараты ИЕРАРХИЧЕСКАЯ СТРУКТУРА ТЕЛЕФОННОЙ СЕТИ ОБЩЕГО ПОЛЬЗОВАНИЯ - Зоновые сети имеют оконечные автоматические телефонные станции (АМТС), входящие в междугородную телефонную сеть. - Через АМТС междугородная сеть объединяет все зоновые сети в единую сеть. - Городская и сельская телефонные сети связаны с АМТС своей зоны. С АМТС зоны непосредст- венно соединяются районные автоматические телефонные станции (РАТС) или междугородные узлы входящего сообщения городских телефонных сетей (УВСМ). - Для объединения зоновых телефонных сетей страны в общегосударственную создается междугородная телефонная сеть, в которую входят узлы автоматической коммутации первого класса (УАК-1) и второго класса (УАК-II). Принцип нумерации отражает иерархический принцип построения сети: выход на АМТС 8 <код зоны> 813 <код города в зоне> 75 <номер телефона в городе> ***** Колбанёв М.О. Технологии коммутации. Три уровня иерархии. Чем меньше емкость центров коммутации – тем больше уровней иерархии требуется для построения сети. 7 ТРЕХУРОВНЕВАЯ ИЕРАРХИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ПАКЕТНОЙ СЕТИ КОМПАНИИ CISCO Компания Cisco определяла три иерархических уровня, на каждом из которых выполняются специфические сетевые функций. Каждый уровень отвечает за реализацию определенных функций. Уровни являются логическими, а не физическими понятиями. При построении физической реализации иерархической сети несколько устройств могут попасть на один уровень, либо одно устройство будет выполнять функции нескольких уровней. Увеличение скоростей позволяет уменьшить число уровней. Уровень распространения предназначен для маршрутизации пакетов при доступе к базовому уровню. Здесь устанавливается политика сети по пропуску трафика, анализируется структура трафика, реализуются системы безопасности. Важно иметь возможности гибкого управления сетевыми функциями. Уровень доступа реализует управление пользователями и рабочими группами при обращении к ресурсам глобальной сети. Обеспечивается доступ пользователей к локальным ресурсам и перенаправление трафика к удаленным сетевым службам. Базовый уровень формирует ядро сети и отвечает за скоростную и надежную доставку больших объемов трафика на большие расстояния. Главное – это доставка пакетов с маленькими временными задержками. Колбанёв М.О. Технологии коммутации. 8 СПОСОБЫ УРЕГУЛИРОВАНИЯ КОЛЛИЗИЙ 1) при дисциплине с потерями заявка на занятие сетевых ресурсов получает отказ в обслуживании и не сохраняется в центре коммутации, если ре- сурсы в момент попытки установления соедине- ния заняты обслуживанием других заявок. Две дисциплины обслуживания: 2) при дисциплине с ожиданием при заня- тости ресурсов заявка не покидает сетевой центр, а сохраняется в буфере и удовлетворя- ется по мере освобождения ресурсов. В этом случае появляется возможность установить приоритеты обслуживания для разных сообщений и(или) пользователей. Промежуточное положение занимают дисциплины урегулирования коллизий с ограниченным вре- менем ожидания (заявка теряется при превышении некоторого допустимого времени пребывания в буфере) и с ограниченным числом мест ожидания (потери возникают, если при поступлении заявки заняты не только требуемые ресурсы, но и все места ожидания в буфере). В результате ресурсы сети жестко закрепляются за информационным источником на все время передачи сообщения и число сообщений, которые сетевой центр принимает для передачи, не может превышать количество каналов связи. При таком подходе в интервалы времени, когда передающая система, захватившая канал, не осуществляет передачу данных, возникают паузы в использовании канального ресурса. Это снижает использование полосы пропускания линии связи в целом. Колбанёв М.О. Технологии коммутации. По те ря нн ый тр аф ик Общие ресурсы центра коммутации Входной трафик Обслуженный трафик 1 n . . . Обслуженный меньше входного на величину потерянного Пользователи N>>n Трафик не сохраняется Общие ресурсы центра коммутации Входной трафик Обслуженный трафик 1 n . . . Обслуженный равен входному Очередь на обслуживание Пользователи N>>n Трафик сохраняется 9 Канальных ресурсов всегда меньше, чем пользователей. Это приводит к коллизиям. Способность устанавливать соединения с затребованными пользователями свойствами и скоростями передачи данных – важная характеристика центра коммутации. К числу важных свойств коммутируемых соединений, которые устанавливаются центрами коммутации, относятся: скорость передачи данных; направление соединения – симплексные, дуплексные, другие; топология соединения – точка-точка, точка-многоточка, многоточка-точка, многоточка-многоточка; однородность соединения – технологические, энергетические, логические и другие характеристики отдельных участков могут или не могу отличаться друг от друга; информационная защищенность соединения – потребность в регистрации и хране-нии передаваемых управляющих и пользовательских данных и параметров соединений; способ оплаты за соединение – плата за время существования соединения, за переданные данные, другое; требования к информационной технологии – ручная, электромеханическая, электронная, аналоговая, цифровая и другие технологии построения соединения; представление передаваемой информации – есть или нет ограничения на формат передаваемых данных; качество канала – вероятности отказа канала, искажения данных и другое; чувствительность к перегрузкам – механизмы защиты от избыточного трафика. СВОЙСТВА КОММУТИРУЕМЫХ СОЕДИНЕНИЙ Колбанёв М.О. Технологии коммутации. 10 Ни аналоговая, ни цифровая телефонные сети общего пользования не удовлетворяет этому требованию. Они устанавливают дуплексные соединения точка-точка В ЧАСТОТНОМ ДИАПАЗОНЕ 0,3-3,4 К Г Ц ИЛИ НА СКОРОСТИ 64 КБИТ / С Главная характеристика соединения – скорость передачи данных. Уже сегодня скорость передачи данных по одному волокну достигает 10 Тбит/сек. Для предоставления разных инфоуслуг требуется задействовать разные скорости. Важная задача – предоставить в распоряжение пользователя канал связи с нужной ему скоростью передачи. СКОРОСТЬ КОММУТИРУЕМЫХ СОЕДИНЕНИЙ Услуги TriplePlay инфокоммуникационных мультисервисных сетей связаны с доставкой речи, видео и данных и при предоставлении разных услуг обеспечивают разную скорость передачи данных за счет статистического уплотнения. Колбанёв М.О. Технологии коммутации. 11 КАК СОЕДИНИТЬ КАНАЛЫ И ОБЪЕДИНИТЬ СЕТИ? ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОБЛЕМЫ. Сети отличаются технологиями: видом сообщений, сигналов, линий связи, способами образования каналов при мультиплексировании, методами коммутации и др. Н еп ре ры вн ы е Д ис кр ет ны е Сообщения М ет од пр ео бр аз ов ан ия М ет од м од ул яц ии М ет од к од ир ов ан ия Формирование сигнала М ед ны й ка бе ль В О Л С Э ф ир Э не рг ос ис те м ы Линия связи Р аз де ле ни е по ча ст от ны м д иа па зо на м Р аз де ле ни е по вр ем ен ны м с ло та м Р аз де ле ни е пу те м ко ди ро ва ни я си гн ал ов К ом би на ци я ра зн ы х по дх од ов Образование каналов при мультиплексировнии К ан ал ов С оо бщ ен ий П ак ет ов Технология коммутации ОРГАНИЗАЦИОННЫЕ ПРОБЛЕМЫ. Сети управляются разными администрациями. Колбанёв М.О. Технологии коммутации. ? Главные сложности возникают из-за раз- ных скоростей рабо- ты сетей и разного объема и формата сообщений. 12 Согласование технологий коммутации – это главная проблема при технологическом объединении сетей. СПОСОБЫ ОБЪЕДИНЕНИЯ СЕТЕЙ Путь 1. Построить все сети по одинаковой или очень близкой технологии. Это сделает их совместимыми. Так строятся телефонные сети. Путь 2. При объединении не менять внутреннее устройство частных сетей. Изменить сети только в том, что касается их входов и выходов на сетевом уровне. Внутренние сетевые технологии пусть выбирает местная администрация, а коммутация с внешними сетями будет стандартизированной. Совместить следующие параметры достаточно просто при помощи аппаратных средств: - формат сообщений, - физические параметры сигналов, - технологии построения линии связи, - способы мультиплексирования внутри и на выходе сети. Наиболее удобный метод коммутации для согласования скоростей работы сетей – коммутация пакетов, поскольку она «автоматически» выравнивает объемы сообщений и согласует скорости за счет статистического уплотнения. Так строится интернет. Колбанёв М.О. Технологии коммутации. 13 ТРЕБОВАНИЯ К ТЕХНОЛОГИИ ОБЪЕДИНЕНИЯ СЕТЕЙ 1) Экономия затрат при объединении сетей. При взаимодействии объединяемые сети должны использовать ТЕХНОЛОГИЮ КОММУТАЦИИ ПАКЕТОВ И ДЕЙТАГРАММНЫЙ РЕЖИМ БЕЗ УСТАНОВЛЕНИЯ СОЕДИНЕНИЯ (IP – Internet Protocol). Этот протокол стремится обеспечить качество доставки, но не несет ответственности за выбранные маршруты и порядок доставки, задержки и потерю пакетов, за информационную безопасность пользователей. 5) Совместимость внешних и внутренних данных для всех сетей. Объединяемые се- ти не должны обрабатывать IP-пакет, но должны при передаче внутренних данных обес- печивать и передачу IP-пакета. 3) Единое адресное пространство. Система адресации должна обеспечивать уникальными именами (IP-адресами) каждую из взаимодействующих сетей. Адресация внутри отдельных сетей устанавливается местной администрацией. 2) Единые стандарты взаимодействия. Передача информации между объединенными сетями должна осуществляться при помощи блока данных стандартного формата (IP-пакет). 4) Добровольность объединения. Любая сеть может быть подключена к объединенной сети только по инициативе своей администрации. |