Особенности гибридной коммутации – Способ и устройство гибридной коммутации распределенной многоуровневой телекоммуникационной системы, блок коммутации и генератор искусственного трафика

способ гибридной коммутации и адаптивной маршрутизации и устройство для его осуществления — патент РФ 2305374

Изобретение относится к области информационно-вычислительных сетей. Технический результат заключается в увеличении эффективности использования ресурсов сети и улучшении вероятностно-временных характеристик информационного обмена. В фазе установленного соединения сообщение записывают в общую память, измеряют длину сообщения и сравнивают с пороговым значением. Если длина сообщения превышает пороговое значение, то сообщение передают в режиме коммутации каналов, в противном случае сообщение разбивают на пакеты, переписывают в буферную память и передают в режиме коммутации пакетов по каналам с максимальной пропускной способностью согласно маршрутной таблице. Способ осуществлен на элементах вычислительной техники, схеме сравнения, управляющем триггере и электронных ключах, информационные входы которых соединены с общей памятью, а управляющие входы — с выходами триггера. В исходном состоянии используется режим коммутации пакетов, а смена режима осуществляется переводом триггера во второе устойчивое состояние с выхода схемы сравнения. 2 н.п. ф-лы, 2 ил.

Рисунки к патенту РФ 2305374

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к области информационно-вычислительных сетей, в частности к способу гибридной коммутации и адаптивной маршрутизации, и может быть использовано при проектировании цифровых сетей интегрального обслуживания.

Уровень техники

Известен способ гибридной коммутации, основанный на интеграции коммутационного оборудования, необходимого для реализации каждого метода коммутации: каналов и пакетов. Особенностью данного способа является то, что перераспределение ресурсов между режимами коммутации осуществляется центральным процессором (см. Jenny Christian J. Kummerle Karl, Burge Helmut. Network node With integrated circuit / Pachet Switching capabilities. «Communes, — Network Eur. Comput. Conf., London, 1975.»Oxbridge 1975, 207-228).

Однако при установлении режима коммутации каналов поток информации управляется без участия центрального процессора. Это означает, что переход от одного режима коммутации к другому происходит без учета текущего состояния сети, что может приводить к ее блокировкам, либо к неоправданным отказам в обслуживании, либо к неэффективному использованию ресурсов сети при передаче длинных сообщений. Кроме того, передача длинных сообщений в режиме коммутации пакетов неизбежно приведет к нарушению масштаба времени.

Известен способ гибридной коммутации, позволяющий коммутировать каналы в режиме синхронной цепи (коммутации каналов) и в режиме синхронного и асинхронного пакета (коммутация пакетов). Данный способ основан на использовании режима разделения времени между абонентами, причем временной интервал доступа присваивается различным абонентам в режиме коммутации пакета, что ограничивает требуемую оперативную память центров коммутации (см. Патент ЕПВ (ЕР) А1, №0403911, кл. H04L 12/64, 1991 г.).

Однако данный способ не обеспечивает эффективного использования каналов связи, так как при подобном управлении возникают паузы между моментом отправки сообщения и моментом выдачи отправителем очередного сообщения.

Наиболее близким по технической сущности способом, выбранным в качестве прототипа, является способ адаптивной коммутации, основанный на организации на сети соединений в режиме коммутации каналов с одновременной передачей сообщений в режиме коммутации пакетов. При данном способе осуществляется перераспределение пропускной способности трактов сети между потоками сообщений, передаваемых в обоих режимах. В алгоритмах предусмотрена возможность загрузки пауз, которые возникают при использовании режима коммутации каналов. Сообщения записываются в общую память и передаются последовательными блоками фиксированной длины (кадрами), причем время передачи кадров во всех трактах имеет одинаковую величину независимо от имеющейся в наличии пропускной способности, что приводит к неэффективному использованию каналов связи.

Процессор обработки пакетов анализирует сформированные в памяти пакеты и определяет их дальнейший маршрут согласно маршрутным таблицам.

Структурная схема узла адаптивной коммутации содержит входной процессор, общую память, процессор взаимодействия с абонентами, связанный с общей памятью, процессор обработки пакетов, вход которого соединен с выходом общей памяти, а выход с входом процессора управления, выходы которого подсоединены к входам входного процессора, процессора взаимодействия с абонентами, и выходного процессора, связанного входом с общей памятью, выходные шины которого являются входами выходных трактов (см. Самойленко С.И. Метод адаптивной коммутации // Электросвязь. — 1981. — №6).

Недостатком данного устройства является низкая эффективность использования пропускной способности выходных трактов.

Раскрытие изобретения

Задачей изобретения является разработка способа гибридной коммутации и адаптивной маршрутизации и устройства для его осуществления, повышающие эффективность использования выходных трактов и улучшающие вероятностно-временные характеристики информационного обмена.

Технический результат, который может быть достигнут с помощью предлагаемого изобретения, сводится к повышению эффективности использования выходных трактов и улучшению вероятностно-временных характеристик информационного обмена.

Технический результат достигается с помощью способа гибридной коммутации и адаптивной маршрутизации, при котором в фазе установления соединения принимают информацию об адресе вызываемого сообщения и сообщение записывают в общую память, при этом измеряют длину сообщения L и сравнивают с порогом L

п, причем если длина сообщения превышает пороговое значение L>Lп, то устанавливается физическое соединение и передачу осуществляют в режиме коммутации каналов, а при длине сообщения L<Lп сообщение разбивают на пакеты, переписывают в буферную память и передают в режиме коммутации пакетов по каналам с максимальной пропускной способностью в соответствии с маршрутной таблицей.

Поскольку в данном способе критичной является длина сообщения, а объем буфера строго дозирован и выбирается по условиям решения задачи оптимизации сети по минимальному среднему времени задержки, то сообщения, длина которых превышает некоторую величину L п, нецелесообразно разбивать на пакеты, поскольку это приведет к ухудшению вероятностно-временных характеристик информационного обмена. Отправка пакетов по маршрутам, имеющим максимальную пропускную способность, будет приводить к быстрому освобождению буферов.

Технический результат достигается с помощью устройства гибридной коммутации и адаптивной маршрутизации, содержащего процессор взаимодействия с абонентами и процессор управления, связанные с общей памятью, а также выходной процессор, при этом в него введены вычислительное устройство, схема сравнения, управляющий триггер и первый и второй электронные ключи, управляющие входы которых связаны с инверсным и прямым выходами управляющего триггера, вход установки в единицу которого соединен с выходом схемы сравнения, а вход установки в ноль подсоединен к первому выходу процессора управления, второй выход процессора управления через вычислительное устройство соединен с одним входом схемы сравнения, другой вход которого подключен к третьему выходу процессора управления и третий выход которого подключен к управляющему входу выходного процессора, при этом выход общей памяти соединен с информационными входами ключей, выходы которых подсоединены к информационным входам выходного процессора, соединенного выходами с выходными трактами.

Благодаря указанным особенностям в устройстве осуществляется запоминание сообщения, измерение его длины в процессоре управления и сравнение с критической длиной, вырабатываемой вычислительным устройством, и в дальнейшем переключение режимов коммутации с помощью, например, управляющего триггера.

Краткое описание чертежей

На фиг.1 показана структурная схема устройства для осуществления предлагаемого способа.

На фиг.2 показаны графики, поясняющие алгоритм осуществления способа.

Осуществление изобретения

Устройство содержит процессор взаимодействия с абонентами 1 и процессор управления 2, связанные с общей памятью 3, а также выходной процессор 4, соединенный управляющим входом с первым выходом процессора управления 2, вычислительное устройство 5, соединенное входом с вторым выходом процессора управления 2, а выходом — с одним из входов схемы сравнения 6, другой вход которой соединен с третьим выходом процессора управления 2, управляющий триггер 7, вход установки в единицу которого соединен с выходом схемы сравнения 6, а вход установки в ноль соединен с четвертым выходом процессора управления 2. Прямой и инверсный выходы управляющего триггера 7 соединены с управляющим входом первого и второго электронных ключей 8 и 9 соответственно, а информационные входы подключены к выходу общей памяти 3. Выходы электронных ключей 8 и 9 подсоединены через выходной процессор 4 к выходным трактам 10.

В данном устройстве процессор взаимодействия с абонентами 1 является частью системы, осуществляющей процедуру доступа абонентских комплексов к базовой сети обмена данными, определяемых протоколами работы по тракту передачи данных. Процессор управления 2 управляет процессами записи (считывания) информации в память, регистрирует адрес и длину сообщения, определяет направление передачи сообщения, а также располагает информацией о состоянии буферов и выходных трактов. Выходной процессор 4 решает задачи адресации и маршрутизации сообщений. Процессор управления 2 и выходной процессор 4 могут взаимодействовать по сети с соседними узлами коммутации либо с общим центром маршрутизации при реализации централизованной адаптивной маршрутизации. Вычислительное устройство 5 решает задачу вычисления порога L

п на основании данных, полученных от процессора управления.

Примеры конкретного осуществления способа гибридной коммутации и адаптивной маршрутизации

Пример. В примере реализации схемы вычислительное устройство 5 представляет собой блок идентификации, пороговое значение L п может быть рассчитано по формуле

где Lкр — критическая длина сообщения, задаваемая для конкретной сети в результате решения задачи оптимизации;

m — общий объем памяти буфера;

m3(t) — текущее значение занятого объема памяти буфера;

— производная по времени от занятого объема памяти;

— коэффициент пропорциональности.

В этом случае используется только информация о состоянии данного узла (занятый объем буферной памяти). Производная по времени от занятого объема буферной памяти учитывает тенденцию изменения буферной памяти и зависит от изменения графика.

Если истинная длина сообщения выражена в единицах напряжения U, то она подается на один из входов схемы сравнения (компаратора) 5, на другой вход которого подается величина

где k — коэффициент, преобразующий пороговую длину сообщения в напряжение. Если длина сообщения L п выражена в битах, то k по размерности представляет собой величину [вольт/бит].

Схема сравнения 6 переходит во второе устойчивое состояние, если U>Uп. Высокий потенциал, появившийся на выходе схемы сравнения, переведет триггер 7 во второе длительное устойчивое состояние, при этом на его прямом выходе потенциал станет высоким, что приведет к открыванию второго ключа 9. В результате этого будет осуществлен режим коммутации каналов.

Триггер 7 возвращается в исходное состояние по команде процессора управления 2 путем подачи единичного импульса на вход установки в ноль. В дальнейшем будет осуществляться режим коммутации пакетов до тех пор, пока напряжение U на выходе процессора управления 2 не превысит порогового значения U

п, формируемого на выходе вычислительного устройства 5.

В устройстве реализована локальная адаптивная маршрутизация. Информация, необходимая для принятия решения о направлении передачи, представляет собой:

1. Заранее загруженные таблицы маршрутизации.

2. Сведения о текущем состоянии выходных трактов.

3. Данные очередей пакетов, ожидающих передачи по каждому из каналов.

Информация о состоянии других компонентов сети узлом не используется.

Выходное устройство 4 вычисляет текущий вес ветви

V Ti=Vi+mбi,

а затем определяет вероятность Pi, с которой связной процессор 9 должен открывать пакеты в i-м направлении

где n — количество ветвей, в которые может быть направлено сообщение;

Vi — назначенный априорно вес ветви, например в единицах пропускной способности;

mбi — объем свободной памяти буфера (измеряется в количестве пакетов, которые еще могут быть сохранены в буфере).

Целесообразно направить пакеты в i-ю ветвь, для которой

Для избежания скачков триггера связной процессор (выходной процессор 4) может распределять пакеты по ветвям в соответствии с вычисленными значениями вероятности. В первом случае реализуется передача пакетов по виртуальному каналу, во втором — используется дейтаграммный метод.

Применение локальной информации о состоянии узла коммутации оправдано тем, что результат оптимизации на сетевом уровне позволяет определить значения потоков информации Fij пропускных способностей каналов Vij, общее число каналов n i и объем буфера для каждого узла mi . При этом достаточно решить одно из уравнений (см. Фомин Л.А., Будко П.А. и др. Оптимизация пропускной способности звеньев Ш-ЦСИС при ограниченных сетевых ресурсах // Электросвязь. — 2002. — №2):

где вид функции определяется соотношением

Оптимизация по ij позволяет варьировать величинами Vij и nij в зависимости от класса графика (Fij), выбирая любую совокупность каналов с переменной шириной битовых скоростей передачи, формируя каждый раз виртуальный канал с переменной пропускной способностью и поддерживая значения вероятностно-временных характеристик (минимальное среднее время задержки сообщения и вероятность отказа в обслуживании по причине отсутствия свободных мест в буфере) на заданном уровне.

Пример числового расчета реализации способа гибридной коммутации и адаптивной маршрутизации и устройства для его осуществления. Преимущества предлагаемого изобретение по сравнению с прототипом и другими известными техническими решениями можно определить из диаграмм, изображенных на фиг.2 Здесь представлены совмещенные графики зависимостей

которые представляют собой номограммы для графического решения сетевых задач и могут быть использованы для количественной оценки преимуществ предлагаемого способа гибридной коммутации.

Анализ показывает, что основные качественные показатели сети в оптимальном случае зависят от числа каналов n в выбранном направлении передачи и числа буферов m на входе в каждый канал, причем для осуществления оптимальности значения n, m должны быть строго дозированы и выдаваться программно. Например, при числе каналов n=4 и m=15 (см. 3-й квадрант) оптимальное значение коэффициента загрузки канала =0,55.

Это означает, что передаваемый по сети поток достигает значения F12=20 Мбит при пропускной способности V=36 Мбит. Если необходимо передать сообщение длиной L=795 байт, то объем буфера т=15 оказывается достаточным, чтобы разбить сообщение на 15 частей и поместить их в буферную память (одна ячейка АТМ равна 53 байта), не нарушив оптимальности.

Если передаваемое сообщение окажется большей длины, например L=1166 байт, то потребуется 22 буфера для их записи, что приведет к уменьшению коэффициента загрузки канала =0,43, и, следовательно, эффективность использования ресурсов уменьшится на 22%.

Попытка сохранить коэффициент загрузки канала на прежнем уровне приведет к увеличению среднего времени задержки (кривая А в первом квадранте). В точке минимума время задержки Т=10 мс, в то время как при смещении по кривой вверх дает время задержки Т=13 мс, что приводит к увеличению времени задержки на 30%.

Таким образом, сформулированная цель изобретения — повышение эффективности использования выходных трактов и улучшение вероятностно-временных характеристик информационного обмена — достигнута применением заявляемого способа.

Предлагаемое изобретение по сравнению с прототипом и другими известными техническими решениями имеет следующие преимущества:

— повышение эффективности использования каналов на сети;

— повышение эффективности использования буферов памяти в узлах коммутации сети;

— снижение временной задержки пакетов на сети;

— определение оптимального режима коммутации на сети;

— варьирование пропускной способностью, каналами и числом буферов в зависимости от класса графика, выбирая любую совокупность каналов с переменной шириной битовых скоростей передачи, формируя каждый раз виртуальный канал с переменной пропускной способностью и поддерживая значения вероятностно-временных характеристик на заданном уровне.

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

1. Способ гибридной коммутации и адаптивной маршрутизации, включающий фазу установления соединения с приемом информации об адресе вызываемого сообщения и записью сообщения в общую память, отличающийся тем, что измеряется длина сообщения L и сравнивается с порогом Ln, причем если длина сообщения превышает пороговое значение L>Ln, то устанавливается физическое соединение и передача осуществляется в режиме коммутации каналов, а при длине сообщения L<L n — сообщение разбивается на пакеты, переписывается в буферную память и передается в режиме коммутации пакетов по каналам с максимальной пропускной способностью в соответствии с маршрутной таблицей.

2. Устройство гибридной коммутации и адаптивной маршрутизации, содержащее процессор взаимодействия с абонентами, осуществляющий процедуру доступа абонентских комплексов к базовой сети обмена данными, процессор управления для управления памятью, регистрации адреса и длины сообщения, определения направления передачи сообщения, располагающий информацией о состоянии буферов и выходных трактов, связанные с общей памятью, а также выходной процессор для адресации и маршрутизации сообщений, соединенный управляющим входом с первым выходом процессора управления, отличающееся тем, что в него введены вычислительное устройство для вычисления порога Ln, соединенное входом с вторым входом процессора управления, а выходом — с одним из входов схемы сравнения, другой вход которой соединен с третьим выходом процессора управления, управляющий триггер, вход установки в единицу которого соединен с выходом схемы сравнения, а вход установки в ноль соединен с четвертым выходом процессора управления, первый и второй электронные ключи, управляющие входы которых связаны с инверсным и прямым выходами управляющего триггера соответственно, при этом выход общей памяти соединен с информационными входами ключей, выходы которых подсоединены к информационным входам выходного процессора, соединенного выходами с выходными трактами.

Коммутация сообщений

Этот принцип стал возможным при внедрении в системы связи вычислительных средств, позволяющих производить быструю обработку принимаемых сообщений. В системе с коммутацией сообщений на каждом транзитном участке (передатчик-приемник) выполняются следующие основные операции:

а) прием сигнала с проверкой на безошибочность процесса передачи и при положительном результате отправка сообщения в накопительное устройство принимающего узла;

б) хранение в накопительном устройстве сообщений до момента выдачи на передачу;

в) передача сообщений с учетом протокола обслуживания (например, в порядке поступления, в обратном порядке, с учетом приоритетов и т.п.) следующему узлу в направлении адресата.

Коммутация пакетов

В основу коммутации пакетов заложен такой же принцип, как при коммутации сообщений, т.е. передача с промежуточным накоплением (хранением). Разница в том, что передаются сообщения не целиком, а по частям — пакетам. Пакеты, оформленные в кадровую структуру для передачи по каналу связи, состоят из заголовка (имеющего всю необходимую служебную информацию для продвижения к адресату), основной части, проверочных символов и передаются по сети как независимые объекты. Если сообщения имеют небольшие размеры, то коммутация пакетов, по сравнению с коммутацией сообщений дает существенное сокращение временной задержки. Это объясняет тот факт, что при последней речевой обмен между пользователями не возможен, а при пакетной коммутации — это один из видов передаваемых сообщений. Однако, такой тип передаваемых сообщений требует повышенной скорости передачи. Например, в пакетной радиосети DARPA (США) данные передаются со скоростью 100 Кбит/с, а речевые сообщения — 400 Кбит/с.

Гибридная коммутация

При таком способе используются режимы коммутации каналов и коммутации пакетов. При этом каналы трактов передачи могут жестко закрепляться за информационными потоками, использоваться различными потоками в случае их незанятости или же использоваться различными потоками с заполнением пауз. Возможны варианты адаптивной коммутации, которая использует ранее рассмотренные методы в зависимости от свойств трафика (информационной нагрузки).

8.6. Структура информационной сети. Топология сети

Структура любой системыэто фиксированная совокупность элементов и связей между ними. Как ранее отмечено, любую сеть удобно разбить на две подсети: подсеть связи и подсеть ресурсов и пользователей. Основной функцией подсети связи является пересылка пакетов, для реализации которой осуществляется прием пакетов от любого пользователя, их временное хранение (при коммутации сообщений и пакетов), выбор маршрута следования по сети связи и быстрая, надежная доставка их в место назначения. Подсеть ресурсов и пользователей включает в себя множество устройств оконечного оборудования, вычислительной техники и терминалов, подключенных к узлам сети.

При рассмотрении крупномасштабных сетей обычно рассматривают иерархическую структуру (пример приведен на рис. 2), которая отображает значимость и выполняемые функции различных частей сети.

Важнейшей категорией, характеризующей связь абонентов в сети является топология. Топологией сети принято считать совокупность элементов и связей между ними, “очищенных” от всех свойств, кроме свойств существования и связности. Обычно топология задается графом G(A,N), где Aмножество вершин графа, т.е. элементов сети (пользователи, узлы коммутации и т.п.), а Nмножество его ребер, соответствующих линиям связи. Каждое ребро имеет длину, которая эквивалентна “стоимости” его использования, например, ее геометрической длине, пропускной способности, общей загрузке и т.п. В случае, когда учитываются направления ребер задается ориентированный граф (орграф). Для задания графа используют аналитический, геометрический и матричный способы.

Одним из примеров аналитического способа задания графа является его представление в виде совокупности множества элементов Х и подмножества множества упорядоченных пар элементов (хi,xj)ХХ. Заметим, что множество пар (хi,xj) декартова произведения ХХ эквивалентно некоторому бинарному отношению B, заданному на множестве Х. Поэтому задавая множество Х и бинарное отношение B на множестве Х аналитически определяется граф.

Пример геометрического представления орграфа показан на рис. 3. В случае если абонентов в сети много, он может задаваться в виде пересекающихся множеств, что указывает на число или мощность множеств переприема (число пролетов минус один). На рис. 4 показан пример топологии двухпролетной сети.

Матричный способ задания орграфа G(A,N) может быть представлен матрицей смежности

,

элементами которой являются единицы и нули, причем rij=1 означает наличие в нем ребра (i,j), а rij=0 — в противном случае. Симметричная относительно главной диагонали квадратная матрица R будет матрицей смежности неориентированного графа G(A,N). Из рассмотренного видно, что если граф задан одним из способов, всегда можно перейти к любому другому, более удобному.

Способ и устройство гибридной коммутации распределенной многоуровневой телекоммуникационной системы, блок коммутации и генератор искусственного трафика

Аннотация: Группа изобретений относится к области информационно-вычислительных сетей. Технический результат, достигаемый с помощью заявленных способа и устройства гибридной коммутации распределенной многоуровневой телекоммуникационной системы, блока коммутации и генератора искусственного трафика, сводится к повышению эффективности использования выходных трактов и улучшению вероятностно-временных характеристик информационного обмена при допустимом уровне отказов в обслуживании за счет выбора режима коммутации и применения локальной адаптивной, децентрализованной и централизованной маршрутизации, учитывающих уровень загрузки буферов памяти на различных сетевых уровнях иерархии распределенной системы, реализации режима обучения и настройки устройства с широким классом видов трафика, используемого в современных сетевых технологиях. Причем снижение вероятности отказа и среднего времени задержки сообщений при обслуживании устройством неравномерного трафика происходит за счет предварительного обучения системы и учета ее состояния при выборе режима коммутации. Уведомление блока коммутации о длине подлежащего передаче сообщения в фазе установления соединения позволяет предотвратить коллизии в сети, связанные с переполнением памяти узлов коммутации, повысить эффективность использования каналов связи за счет передачи длинных сообщений в реальном масштабе времени с использованием режима коммутации каналов, а коротких — в режиме коммутации пакетов. Обеспечивая режим обучения, генератор искусственного трафика позволяет прогнозировать нагрузку на сети без привлечения пользователей (абонентов), генерируя случайные импульсные последовательности, моделирующие основные виды трафика современных телекоммуникационных систем. 4 н.п. ф-лы, 16 ил.

Способ гибридной коммутации и адаптивной маршрутизации и устройство для его осуществления

Изобретение относится к области информационно-вычислительных сетей. Технический результат заключается в увеличении эффективности использования ресурсов сети и улучшении вероятностно-временных характеристик информационного обмена. В фазе установленного соединения сообщение записывают в общую память, измеряют длину сообщения и сравнивают с пороговым значением. Если длина сообщения превышает пороговое значение, то сообщение передают в режиме коммутации каналов, в противном случае сообщение разбивают на пакеты, переписывают в буферную память и передают в режиме коммутации пакетов по каналам с максимальной пропускной способностью согласно маршрутной таблице. Способ осуществлен на элементах вычислительной техники, схеме сравнения, управляющем триггере и электронных ключах, информационные входы которых соединены с общей памятью, а управляющие входы — с выходами триггера. В исходном состоянии используется режим коммутации пакетов, а смена режима осуществляется переводом триггера во второе устойчивое состояние с выхода схемы сравнения. 2 н.п. ф-лы, 2 ил.

 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к области информационно-вычислительных сетей, в частности к способу гибридной коммутации и адаптивной маршрутизации, и может быть использовано при проектировании цифровых сетей интегрального обслуживания.

Уровень техники

Известен способ гибридной коммутации, основанный на интеграции коммутационного оборудования, необходимого для реализации каждого метода коммутации: каналов и пакетов. Особенностью данного способа является то, что перераспределение ресурсов между режимами коммутации осуществляется центральным процессором (см. Jenny Christian J. Kummerle Karl, Burge Helmut. Network node With integrated circuit / Pachet Switching capabilities. «Communes, — Network Eur. Comput. Conf., London, 1975.»Oxbridge 1975, 207-228).

Однако при установлении режима коммутации каналов поток информации управляется без участия центрального процессора. Это означает, что переход от одного режима коммутации к другому происходит без учета текущего состояния сети, что может приводить к ее блокировкам, либо к неоправданным отказам в обслуживании, либо к неэффективному использованию ресурсов сети при передаче длинных сообщений. Кроме того, передача длинных сообщений в режиме коммутации пакетов неизбежно приведет к нарушению масштаба времени.

Известен способ гибридной коммутации, позволяющий коммутировать каналы в режиме синхронной цепи (коммутации каналов) и в режиме синхронного и асинхронного пакета (коммутация пакетов). Данный способ основан на использовании режима разделения времени между абонентами, причем временной интервал доступа присваивается различным абонентам в режиме коммутации пакета, что ограничивает требуемую оперативную память центров коммутации (см. Патент ЕПВ (ЕР) А1, №0403911, кл. H04L 12/64, 1991 г.).

Однако данный способ не обеспечивает эффективного использования каналов связи, так как при подобном управлении возникают паузы между моментом отправки сообщения и моментом выдачи отправителем очередного сообщения.

Наиболее близким по технической сущности способом, выбранным в качестве прототипа, является способ адаптивной коммутации, основанный на организации на сети соединений в режиме коммутации каналов с одновременной передачей сообщений в режиме коммутации пакетов. При данном способе осуществляется перераспределение пропускной способности трактов сети между потоками сообщений, передаваемых в обоих режимах. В алгоритмах предусмотрена возможность загрузки пауз, которые возникают при использовании режима коммутации каналов. Сообщения записываются в общую память и передаются последовательными блоками фиксированной длины (кадрами), причем время передачи кадров во всех трактах имеет одинаковую величину независимо от имеющейся в наличии пропускной способности, что приводит к неэффективному использованию каналов связи.

Процессор обработки пакетов анализирует сформированные в памяти пакеты и определяет их дальнейший маршрут согласно маршрутным таблицам.

Структурная схема узла адаптивной коммутации содержит входной процессор, общую память, процессор взаимодействия с абонентами, связанный с общей памятью, процессор обработки пакетов, вход которого соединен с выходом общей памяти, а выход с входом процессора управления, выходы которого подсоединены к входам входного процессора, процессора взаимодействия с абонентами, и выходного процессора, связанного входом с общей памятью, выходные шины которого являются входами выходных трактов (см. Самойленко С.И. Метод адаптивной коммутации // Электросвязь. — 1981. — №6).

Недостатком данного устройства является низкая эффективность использования пропускной способности выходных трактов.

Раскрытие изобретения

Задачей изобретения является разработка способа гибридной коммутации и адаптивной маршрутизации и устройства для его осуществления, повышающие эффективность использования выходных трактов и улучшающие вероятностно-временные характеристики информационного обмена.

Технический результат, который может быть достигнут с помощью предлагаемого изобретения, сводится к повышению эффективности использования выходных трактов и улучшению вероятностно-временных характеристик информационного обмена.

Технический результат достигается с помощью способа гибридной коммутации и адаптивной маршрутизации, при котором в фазе установления соединения принимают информацию об адресе вызываемого сообщения и сообщение записывают в общую память, при этом измеряют длину сообщения L и сравнивают с порогом Lп, причем если длина сообщения превышает пороговое значение L>Lп, то устанавливается физическое соединение и передачу осуществляют в режиме коммутации каналов, а при длине сообщения L<Lп сообщение разбивают на пакеты, переписывают в буферную память и передают в режиме коммутации пакетов по каналам с максимальной пропускной способностью в соответствии с маршрутной таблицей.

Поскольку в данном способе критичной является длина сообщения, а объем буфера строго дозирован и выбирается по условиям решения задачи оптимизации сети по минимальному среднему времени задержки, то сообщения, длина которых превышает некоторую величину Lп, нецелесообразно разбивать на пакеты, поскольку это приведет к ухудшению вероятностно-временных характеристик информационного обмена. Отправка пакетов по маршрутам, имеющим максимальную пропускную способность, будет приводить к быстрому освобождению буферов.

Технический результат достигается с помощью устройства гибридной коммутации и адаптивной маршрутизации, содержащего процессор взаимодействия с абонентами и процессор управления, связанные с общей памятью, а также выходной процессор, при этом в него введены вычислительное устройство, схема сравнения, управляющий триггер и первый и второй электронные ключи, управляющие входы которых связаны с инверсным и прямым выходами управляющего триггера, вход установки в единицу которого соединен с выходом схемы сравнения, а вход установки в ноль подсоединен к первому выходу процессора управления, второй выход процессора управления через вычислительное устройство соединен с одним входом схемы сравнения, другой вход которого подключен к третьему выходу процессора управления и третий выход которого подключен к управляющему входу выходного процессора, при этом выход общей памяти соединен с информационными входами ключей, выходы которых подсоединены к информационным входам выходного процессора, соединенного выходами с выходными трактами.

Благодаря указанным особенностям в устройстве осуществляется запоминание сообщения, измерение его длины в процессоре управления и сравнение с критической длиной, вырабатываемой вычислительным устройством, и в дальнейшем переключение режимов коммутации с помощью, например, управляющего триггера.

Краткое описание чертежей

На фиг.1 показана структурная схема устройства для осуществления предлагаемого способа.

На фиг.2 показаны графики, поясняющие алгоритм осуществления способа.

Осуществление изобретения

Устройство содержит процессор взаимодействия с абонентами 1 и процессор управления 2, связанные с общей памятью 3, а также выходной процессор 4, соединенный управляющим входом с первым выходом процессора управления 2, вычислительное устройство 5, соединенное входом с вторым выходом процессора управления 2, а выходом — с одним из входов схемы сравнения 6, другой вход которой соединен с третьим выходом процессора управления 2, управляющий триггер 7, вход установки в единицу которого соединен с выходом схемы сравнения 6, а вход установки в ноль соединен с четвертым выходом процессора управления 2. Прямой и инверсный выходы управляющего триггера 7 соединены с управляющим входом первого и второго электронных ключей 8 и 9 соответственно, а информационные входы подключены к выходу общей памяти 3. Выходы электронных ключей 8 и 9 подсоединены через выходной процессор 4 к выходным трактам 10.

В данном устройстве процессор взаимодействия с абонентами 1 является частью системы, осуществляющей процедуру доступа абонентских комплексов к базовой сети обмена данными, определяемых протоколами работы по тракту передачи данных. Процессор управления 2 управляет процессами записи (считывания) информации в память, регистрирует адрес и длину сообщения, определяет направление передачи сообщения, а также располагает информацией о состоянии буферов и выходных трактов. Выходной процессор 4 решает задачи адресации и маршрутизации сообщений. Процессор управления 2 и выходной процессор 4 могут взаимодействовать по сети с соседними узлами коммутации либо с общим центром маршрутизации при реализации централизованной адаптивной маршрутизации. Вычислительное устройство 5 решает задачу вычисления порога Lп на основании данных, полученных от процессора управления.

Примеры конкретного осуществления способа гибридной коммутации и адаптивной маршрутизации

Пример. В примере реализации схемы вычислительное устройство 5 представляет собой блок идентификации, пороговое значение Lп может быть рассчитано по формуле

где Lкр — критическая длина сообщения, задаваемая для конкретной сети в результате решения задачи оптимизации;

m — общий объем памяти буфера;

m3(t) — текущее значение занятого объема памяти буфера;

— производная по времени от занятого объема памяти;

β — коэффициент пропорциональности.

В этом случае используется только информация о состоянии данного узла (занятый объем буферной памяти). Производная по времени от занятого объема буферной памяти учитывает тенденцию изменения буферной памяти и зависит от изменения графика.

Если истинная длина сообщения выражена в единицах напряжения U, то она подается на один из входов схемы сравнения (компаратора) 5, на другой вход которого подается величина

где k — коэффициент, преобразующий пороговую длину сообщения в напряжение. Если длина сообщения Lп выражена в битах, то k по размерности представляет собой величину [вольт/бит].

Схема сравнения 6 переходит во второе устойчивое состояние, если U>Uп. Высокий потенциал, появившийся на выходе схемы сравнения, переведет триггер 7 во второе длительное устойчивое состояние, при этом на его прямом выходе потенциал станет высоким, что приведет к открыванию второго ключа 9. В результате этого будет осуществлен режим коммутации каналов.

Триггер 7 возвращается в исходное состояние по команде процессора управления 2 путем подачи единичного импульса на вход установки в ноль. В дальнейшем будет осуществляться режим коммутации пакетов до тех пор, пока напряжение U на выходе процессора управления 2 не превысит порогового значения Uп, формируемого на выходе вычислительного устройства 5.

В устройстве реализована локальная адаптивная маршрутизация. Информация, необходимая для принятия решения о направлении передачи, представляет собой:

1. Заранее загруженные таблицы маршрутизации.

2. Сведения о текущем состоянии выходных трактов.

3. Данные очередей пакетов, ожидающих передачи по каждому из каналов.

Информация о состоянии других компонентов сети узлом не используется.

Выходное устройство 4 вычисляет текущий вес ветви

VTi=Vi+mбi,

а затем определяет вероятность Pi, с которой связной процессор 9 должен открывать пакеты в i-м направлении

где n — количество ветвей, в которые может быть направлено сообщение;

Vi — назначенный априорно вес ветви, например в единицах пропускной способности;

mбi — объем свободной памяти буфера (измеряется в количестве пакетов, которые еще могут быть сохранены в буфере).

Целесообразно направить пакеты в i-ю ветвь, для которой

Для избежания скачков триггера связной процессор (выходной процессор 4) может распределять пакеты по ветвям в соответствии с вычисленными значениями вероятности. В первом случае реализуется передача пакетов по виртуальному каналу, во втором — используется дейтаграммный метод.

Применение локальной информации о состоянии узла коммутации оправдано тем, что результат оптимизации на сетевом уровне позволяет определить значения потоков информации Fij пропускных способностей каналов Vij, общее число каналов ni и объем буфера для каждого узла mi. При этом достаточно решить одно из уравнений (см. Фомин Л.А., Будко П.А. и др. Оптимизация пропускной способности звеньев Ш-ЦСИС при ограниченных сетевых ресурсах // Электросвязь. — 2002. — №2):

где вид функции определяется соотношением

Оптимизация по χij позволяет варьировать величинами Vij и nij в зависимости от класса графика (Fij), выбирая любую совокупность каналов с переменной шириной битовых скоростей передачи, формируя каждый раз виртуальный канал с переменной пропускной способностью и поддерживая значения вероятностно-временных характеристик (минимальное среднее время задержки сообщения и вероятность отказа в обслуживании по причине отсутствия свободных мест в буфере) на заданном уровне.

Пример числового расчета реализации способа гибридной коммутации и адаптивной маршрутизации и устройства для его осуществления. Преимущества предлагаемого изобретение по сравнению с прототипом и другими известными техническими решениями можно определить из диаграмм, изображенных на фиг.2 Здесь представлены совмещенные графики зависимостей

которые представляют собой номограммы для графического решения сетевых задач и могут быть использованы для количественной оценки преимуществ предлагаемого способа гибридной коммутации.

Анализ показывает, что основные качественные показатели сети в оптимальном случае зависят от числа каналов n в выбранном направлении передачи и числа буферов m на входе в каждый канал, причем для осуществления оптимальности значения n, m должны быть строго дозированы и выдаваться программно. Например, при числе каналов n=4 и m=15 (см. 3-й квадрант) оптимальное значение коэффициента загрузки канала χ=0,55.

Это означает, что передаваемый по сети поток достигает значения F12=20 Мбит при пропускной способности V=36 Мбит. Если необходимо передать сообщение длиной L=795 байт, то объем буфера т=15 оказывается достаточным, чтобы разбить сообщение на 15 частей и поместить их в буферную память (одна ячейка АТМ равна 53 байта), не нарушив оптимальности.

Если передаваемое сообщение окажется большей длины, например L=1166 байт, то потребуется 22 буфера для их записи, что приведет к уменьшению коэффициента загрузки канала χ=0,43, и, следовательно, эффективность использования ресурсов уменьшится на 22%.

Попытка сохранить коэффициент загрузки канала на прежнем уровне приведет к увеличению среднего времени задержки (кривая А в первом квадранте). В точке минимума время задержки Т=10 мс, в то время как при смещении по кривой вверх дает время задержки Т=13 мс, что приводит к увеличению времени задержки на 30%.

Таким образом, сформулированная цель изобретения — повышение эффективности использования выходных трактов и улучшение вероятностно-временных характеристик информационного обмена — достигнута применением заявляемого способа.

Предлагаемое изобретение по сравнению с прототипом и другими известными техническими решениями имеет следующие преимущества:

— повышение эффективности использования каналов на сети;

— повышение эффективности использования буферов памяти в узлах коммутации сети;

— снижение временной задержки пакетов на сети;

— определение оптимального режима коммутации на сети;

— варьирование пропускной способностью, каналами и числом буферов в зависимости от класса графика, выбирая любую совокупность каналов с переменной шириной битовых скоростей передачи, формируя каждый раз виртуальный канал с переменной пропускной способностью и поддерживая значения вероятностно-временных характеристик на заданном уровне.

1. Способ гибридной коммутации и адаптивной маршрутизации, включающий фазу установления соединения с приемом информации об адресе вызываемого сообщения и записью сообщения в общую память, отличающийся тем, что измеряется длина сообщения L и сравнивается с порогом Ln, причем если длина сообщения превышает пороговое значение L>Ln, то устанавливается физическое соединение и передача осуществляется в режиме коммутации каналов, а при длине сообщения L<Ln — сообщение разбивается на пакеты, переписывается в буферную память и передается в режиме коммутации пакетов по каналам с максимальной пропускной способностью в соответствии с маршрутной таблицей.

2. Устройство гибридной коммутации и адаптивной маршрутизации, содержащее процессор взаимодействия с абонентами, осуществляющий процедуру доступа абонентских комплексов к базовой сети обмена данными, процессор управления для управления памятью, регистрации адреса и длины сообщения, определения направления передачи сообщения, располагающий информацией о состоянии буферов и выходных трактов, связанные с общей памятью, а также выходной процессор для адресации и маршрутизации сообщений, соединенный управляющим входом с первым выходом процессора управления, отличающееся тем, что в него введены вычислительное устройство для вычисления порога Ln, соединенное входом с вторым входом процессора управления, а выходом — с одним из входов схемы сравнения, другой вход которой соединен с третьим выходом процессора управления, управляющий триггер, вход установки в единицу которого соединен с выходом схемы сравнения, а вход установки в ноль соединен с четвертым выходом процессора управления, первый и второй электронные ключи, управляющие входы которых связаны с инверсным и прямым выходами управляющего триггера соответственно, при этом выход общей памяти соединен с информационными входами ключей, выходы которых подсоединены к информационным входам выходного процессора, соединенного выходами с выходными трактами.

Лекция 2 Методы коммутации в телекоммуникационных сетях

Часто физическое соединение между передатчиком и приемником в информационных сетях образуется путем последовательного соединения (коммутации) нескольких каналов связи в единый составной канал. Такая ситуация возникает при передаче информации на значительное расстояние.

Распределение потоков сообщений с целью доставки каждого сообщения по адресу осуществляется в узловых пунктах (узлах коммутации, УК) с помощью коммутационных устройств. Система распределений потоков сообщений в узловых пунктах получила название системы коммутации.

Под коммутацией в сетях условимся понимать совокупность операций, обеспечивающих в узлах коммутации передачу информации между входными и выходными устройствами в соответствии с указанным адресом.

Различают два вида телекоммуникационных сетей: с долговременной и оперативной коммутацией

Долговременной (кроссовой) называют такой способ коммутации, при котором составной канал создается и существует на протяжении определенного интервала времени независимо от передачи информации.

Скроссированнные (выделенные) каналы предоставляются пользователям (например, сдаются в аренду) на продолжительное время (круглосуточно) или на определенные периоды (по расписанию). Кроссовые соединения реализуются при помощи специальных устройств распределения информации. Такие соединения обеспечивают наиболее быструю передачу сообщений. Время передачи сообщения определяется только его объемом и пропускной способностью канала.

Использование выделенного канала целесообразно лишь в тех случаях, когда требования пользователей чрезвычайно высокие и не могут быть удовлетворены применением оперативной коммутации. Такая ситуация возникает при необходимости надежной передачи важной, срочной информации (передача газет, оперативное вещание) или когда между оконечными системами передается большой поток сообщений, загружающий канал на время в течение суток более, чем на 40 -60%. При этом следует учесть, что с возрастанием количества оконечных систем , количество необходимых линий и оснащенность узлов увеличивается очень быстро. Поэтому сеть с кроссовой коммутацией является самой неэкономичной. В телекоммуникационных сетях в основном используется оперативная коммутация, при которой коммутируемый канал создается временно, в основном, на время передачи сообщения, а в остальное время отдельные составляющие канала связи могут быть использованы для других целей.

Различают четыре вида оперативной коммутации: коммутация каналов, коммутация сообщений, коммутация пакетов и гибридная коммутация. В настоящее время в телекоммуникационных сетях преимущественно применяются методы коммутации каналов и пакетов. Рассмотрим их особенности.

Коммутация каналов

При коммутации каналов пользователям на время сеанса передачи сообщения предоставляется симплексный или дуплексный составной канал, называемый соединительным трактом, составленный из свободных в данный момент каналов на отдельных участках сети. Вначале устанавливается соединение. Инициатор взаимодействия должен сформировать и послать ближайшему коммутатору запрос на установление соединения. Процесс обслуживания при коммутации каналов можно разделить на три стадии: 1. Обмен сигнальной информацией для установления соединения. 2. Обмен полезной информацией по установленному соединению. 3. Обмен сигнальной информацией для разъединения соединения.

После установления соединения две оконечные системы (и только две!) используют его во время всего сеанса взаимодействия.

Информация во время обмена между оконечными системами доставляется практически без задержки, так как не требуется ее обработка в коммутационных узлах.

Недостатки: 1. Статистика показывает, что во время сеанса связи составной канал используется относительно недолго – большую часть канал простаивает. Так, во время телефонного разговора, согласно статистическим исследованиям, паузы занимают 40 – 50% времени сеанса связи.

Методы коммутации в сетях электросвязи

Для доставки сообщений в сетях электросвязи могут быть уста­новлены соединения двух видов -долговременные и оперативные.

Долговременной, или кроссовой, коммутацией называется спо­соб, при котором между двумя точками сети устанавливается по­стоянное прямое соединение, длительность которого измеряется часами, сутками и т.д. Каналы связи, участвующие в таких соедине­ниях, называются выделенными.

Более распространенной является оперативная коммутация, ко­гда между двумя точками сети организуется временное соединение.

Известны два основных принципа оперативной коммутации:

непосредственное соединение;

соединение с накоплением информации.

При непосредственном соединении осуществляется физическое соединение входящих в УК каналов с соответствующими адресу исходящими каналами.

При соединении с накоплением сигналы из входящих в УК кана­лов сначала записываются в запоминающее устройство (ЗУ), а затем поступают в исходящие каналы по мере их освобождения.

Системы, реализующие непосредственное соединение, называ­ются системами с отказами, а соединение с накоплением информа­ции — системами с ожиданием. Различие в месте и способе хранения существенно влияет на услуги, оказываемые абонентам сети.

Принцип непосредственного соединения реализуется в системе коммутации каналов (КК).

Коммутация каналов — это совокупность операций по соедине­нию каналов для получения сквозного физического канала между ОП через УК.

При коммутации каналов сначала организуется сквозной канал между абонентами чеоез УК. а затем происходит передача сообщений. Установленное соединение ликвидируется после соответст­вующего решения абонентов.

Достоинства коммутации каналов состоят в следующем:

после организации соединения абоненты могут вести передачу в любое время, независимо от нагрузки других абонентов;

передача осуществляется с фиксированной задержкой, т.е. в ре­альном масштабе времени (режим диалога).

Недостатки этого способа установления соединений заключа­ются в плохом использовании ресурсов сети, в частности каналов, если взаимодействующие абоненты недостаточно активны и между передачами получаются длительные паузы. Например, при переда­че данных полезная нагрузка составляет единицы процентов от выделенной пропускной способности.

При коммутации с накоплением ОП постоянно связан со своим УК (или несколькими УК) и передает ему сообщения, которые затем через другие УК передаются соответствующим абонентам. Сущест­вуют две разновидности систем с накоплением: система коммута­ции сообщений (КС) и система коммутации пакетов (КП).

Фазы коммутации каналов. Установление соединения путем коммутации каналов проходит следующие фазы.

1. Направление заявки на соединение. Для этого вызывающий абонент с помощью вызывного устройства посылает по абонентской линии в УК заявку на соединение, содержащую условный адрес вызываемого абонента.

2.Организация сквозного физического канала. Оборудование УК по полученной заявке осуществляет соединение соответствую­щих абонентских линий, если абоненты принадлежат одному УК, или магистральных линий между УК, к которым принадлежат участ­вующие в сеансе связи абоненты. После организации сквозного канала вызывающий абонент получает из УК сигнал установления соединения, а вызываемый абонент — сигнал вызова.

3. Передача сообщений между абонентами. Обмен может быть одно- и двусторонним, если коммутируются двусторонние каналы связи.

4. Разрушение соединения. После завершения сеанса передачи и получения от абонента сигнала отбоя аппаратура УК разрушает установленное соединение.

Фазы коммутации сообщений. Для коммутации сообщений ха­рактерны следующие фазы установления соединения.

1. Вызывающий абонент передает в УК сообщение вместе с ус­ловным адресом вызываемого абонента.

2. В УК сообщение запоминается и по адресу определяется ка­нал передачи.

3. Если канал к соседнему УК свободен, то сообщение немед­ленно туда передается, где повторяется та же операция.

4. Если канал к соседнему УК занят, то сообщение хранится в памяти УК до освобождения канала.

5. Сообщения устанавливаются в очередь по направлениям пе­редачи с учетом категории срочности.

В настоящее время метод КС применяется редко, в основном на телеграфных сетях общего пользования.

Метод КП отличается от КС тем, что сообщение передается не целиком, а разбивается на части — пакеты.

Фазы коммутации пакетов. Для коммутации пакетов присущи следующие фазы установления соединения.

1. Сообщение разбивается на пакеты длиной 1000-2000 единич­ных элементов. Эта операция осуществляется либо в ОП, либо в ближайшем УК.

2. Если разбиение на пакеты происходит в УК, то дальнейшая передача пакетов осуществляется по мере их формирования, не дожидаясь окончания приема в УК всего сообщения.

3. Если канал к соседнему УК свободен, то пакет немедленно передается на соседний УК, где повторяется та же операция.

4. Если канал к соседнему узлу занят, то пакет небольшое время может храниться в памяти УК до освобождения канала.

5. Пакеты устанавливаются в очередь по направлениям переда­чи. Длина очереди обычно не превышает 3-4 пакетов. Если длина очереди превышает допустимую, пакеты стираются из памяти УК и их передача должна быть повторена.

Вследствие небольшой длины пакетов (обычно порядка 1000 бит) и применения высокопроизводительных центров коммутации пакетов (ЦКП) принцип КП по сравнению с КС позволяет существенно снизить время доставки сообщения получателю и организовать диалоговый режим передачи. Основной особенностью сетей с КП является высо­кая степень использования связных ресурсов за счет временного разделения канального и коммутационного оборудования между многими пользователями и высокоскоростной передачи сравнитель­но коротких пакетов. В табл. 1 приведены для сравнения характери­стики сетей с различными способами коммутации.

Таблица 1

КК

КС

КП

Реализуется на базе

Отсутствует прямое

Отсутствует прямое

временного прямого

электрическое

электрическое

электрического соеди-

соединение

соединение

нения

Отсутствует

Сообщение

Накапливаются не-

накопление

накапливается во

большие части сооб-

сообщений

внешнем

щений в оперативном

запоминающем

запоминающем уст-

устройстве

ройстве

Возможен обмен

Диалог невозможен

Диалог возможен

в реальном времени,

возможен диалог

Тракт организуется на

Тракт устанавливает-

Тракт устанавливается

время длительности

ся для каждого

для каждого пакета

одного соединения

сообщения между

или на время сеанса

соседними ЦКС

Основная задержка —

Основная задержка —

Небольшие задержки

при установлении

при передаче

при установлении

соединения

соединения и передаче

Сеть работает как

Сеть работает как

Сеть работает как

система с отказами

система с ожиданием

система с ожиданием

и отказами

При перегрузке имеют

При перегрузке

При перегрузке воз-

место отказы

возрастают задержки

растают задержки

в доставке

в доставке, но они

существенно меньше,

чем в сетях с КС.

Также возникают и

отказы, но вероятность

их на порядок меньше,

чем в сети с КК

Защита сообщений

Основные функции

Основные функции

выполняется

защиты реализуются

защиты реализуются

пользователем

в сети

в сети

Невозможны преобра-

Возможны преобра-

Возможны преобразо-

зования скоростей,

зования скоростей,

вания скоростей,

кодов, форматов

кодов, форматов

кодов, форматов

Экономичная сеть при

Экономичная сеть

Экономичная сеть при

низких объемах

при больших объемах

больших объемах

нагрузки

нагрузки

нагрузки

Различают два режима передачи и коммутации в сетях КП: вир­туальный (КП-В) и датаграммнып (КП-Д) режимы.

Виртуальный режим коммутации пакетов. В режиме КП-В пе­ред передачей сообщения между отправителем и получателем орга­низуется виртуальный канал, по которому передаются все пакеты данного сообщения. Термин «виртуальный канал», предложенный Международным союзом электросвязи (МСЭ), означает кажущийся, физически не существующий канал, для определения логического двухточечного соединения между отправителем и получателем сообщения. Принципиальное отличие виртуального канала от физи­ческого, устанавливаемого при КК, заключается в том, что он может предоставляться на отдельных участках одновременно многим поль­зователям. В одном физическом канале может быть организовано до нескольких тысяч виртуальных каналов. Для каждой пары абонентов виртуальный канал сохраняет последовательность передаваемых пакетов так же, как и физический канал при КК. При этом сохраняются преимущества КП в отношении изменения скоростей передачи, чередования пакетов от различных пар абонентов и т. д.

Следовательно, режим КП-В сочетает достоинства методов КП и КК. В режиме КП-В различают временное виртуальное соедине­ние (ВС) и постоянный виртуальный канал (ПВК). В режиме ВС, наиболее распространенном в сетях с КП, виртуальный канал орга­низуется только на время передачи сообщения аналогично проце­дуре установления соединения в сети с КК.

Постоянный виртуальный канал между двумя абонентами орга­низуется на время, не связанное с длительностью сеанса связи. Этот канал так же, как и выделенные каналы, организуется по со­гласованию с администрацией сети в тех случаях, когда осуществ­ляется постоянное обращение к этому каналу или передача больших массивов данных. Заранее организованные ПВК упрощают процедуры функционирования сетей.

Режим датаграммной передачи. В этом режиме виртуальное соединение предварительно не устанавливается и каждый пакет, называемый датаграммой, передается и обрабатывается в сети как самостоятельное сообщение. Каждая датаграмма содержит адрес, что увеличивает объем служебной информации и снижает коэффициент использования каналов. Кроме того, независимая передача пакетов приводит к нарушению порядка их выдачи поль­зователю. Восстановление правильного порядка следования паке­тов связано с усложнением соответствующих процедур передачи.

Эти недостатки ограничивают применение режима КП-Д. С другой стороны, преимуществом КП-Д является возможность передачи пакетов одного и того же сообщения одновременно по разным маршрутам. При этом сокращается время доставки сообщения и обеспечивается более высокая надежность доставки в условиях отказов отдельных элементов сети. Кроме того, режим КП-Д обес­печивает более гибкую маршрутизацию пакетов и, как следствие, более эффективное использование сетевых ресурсов. В настоящее время сетевыми протоколами предусматривается использование обоих режимов с некоторым предпочтением КП-В.

Сравнение режимов КП-В и КП-Д приведено в табл. 2.

Таблица 2

Характеристика

Режим передачи пакетов

КП-Д

КП-В

Установление

Не устанавливается

Устанавливается

соединения

логический канал

между абонентами,

запоминаемый в мар-

шрутной таблице ЦКП

Управление вхо-

Между любым ЦКП и

На входе виртуального

дящим потоком

подключенным к нему

канала

сообщений

абонентом

Адресация

Полный адрес получа-

Полный адрес получа-

теля передается в

теля передается

каждом пакете

только при установле-

нии соединения

Процедура передачи

Каждый пакет переда-

Пакеты передаются по

пакетов по сети

ется независимо от

логическому каналу,

другого

устанавливаемому для

данной пары пользо-

вателей

Эффективность

Обеспечивается за

Обеспечивается за

использования

счет очередей, дина-

счет очередей, выбора

сетевых ресурсов

мической маршрутиза-

оптимального пути

ции для каждого

передачи в момент

пакета

установления соеди-

нения и временного

разделения логическо-

го канала

У каждого метода коммутации своя область применения. Поэто­му используют разные методы коммутации на сетях с разнородны­ми абонентами.

Например, при небольшой средней нагрузке и передаче боль­шими массивами в небольшое число адресов доля потери времени на установление соединения сравнительно невелика. В этом случае предпочтительнее использовать систему с КК. КС эффективнее использовать при передаче многоадресных сообщений, обеспече­ния приоритетности сообщениям высокой категории срочности при большой загрузке абонентских установок. При передаче коротких сообщений в интерактивном (диалоговом) режиме наиболее целе­сообразно использовать КП.

Гибридной коммутацией (ГК) называется такой способ, при ко­тором в одном и том же УК часть сообщений обслуживается в ре­жиме КК, а другая часть в режиме КС или КП. При этом усложняется узел коммутации и сеть становится дороже. Однако сочетание нескольких (обычно двух) видов* коммутации в ряде случаев обес­печивает эффективное использование сетевых ресурсов.

Адаптивная коммутация предполагает выбор способа коммута­ции в зависимости от вида поступившего сообщения. Например, длинные сообщения обслуживаются методом КС, при необходимо­сти диалога используется КК, при передачи данных — КП.

Системы радиосвязи и системы коммутации

Для доставки сообщений в сетях электросвязи могут быть установлены соединения двух видов: долговременные и оперативные.

Долговременной, или кроссовой, коммутацией называется способ, при котором между двумя точками сети устанавливается постоянное прямое соединение, длительность которого измеряется часами, сутками и т.д. Каналы связи, участвующие в таких соединениях, называются выделенными.

Более распространенной является оперативная коммутация, когда между двумя точками сети организуется временное соединение.

Известны два основных принципа оперативной коммутации:

— непосредственное соединение;

— соединение с накоплением информации.

При непосредственном соединении осуществляется физическое соединение входящих в УК каналов с соответствующими адресу исходящими каналами.

При соединении с накоплением сигналы из входящих в УК каналов сначала записываются в запоминающее устройство (ЗУ), а затем поступают в исходящие каналы по мере их освобождения.

Системы, реализующие непосредственное соединение, называются системами с отказами, а соединение с накоплением информации — системами с ожиданием. Различие в месте и способе хранения существенно влияет на услуги, оказываемые абонентам сети.

Принцип непосредственного соединения реализуется в системе коммутации каналов (КК).

Коммутация каналов- это совокупность операций по соединению каналов для получения сквозного физического канала между ОП через УК.

При коммутации каналов сначала организуется сквозной канал между абонентами через УК, а затем происходит передача сообщений. Установленное соединение ликвидируется после соответствующего решения абонентов.

Достоинства коммутации каналов состоят в следующем:

— после организации соединения абоненты могут вести передачу в любое время, независимо от нагрузки других абонентов;

— передача осуществляется с фиксированной задержкой, т.е. в реальном масштабе времени (режим диалога).

Недостатки этого способа установления соединений заключаются в плохом использовании ресурсов сети, в частности каналов, если взаимодействующие абоненты недостаточно активны и между передачами получаются длительные паузы. Например, при передаче данных полезная нагрузка составляет единицы процентов от выделенной пропускной способности.

При коммутации с накоплением ОП постоянно связан со своим УК (или несколькими УК) и передает ему сообщения, которые затем через другие УК передаются соответствующим абонентам. Существуют две разновидности систем с накоплением: система коммутации сообщений (КС) и система коммутации пакетов (КП).

Фазы коммутации каналов.

Установление соединения путем коммутации каналов проходит следующие фазы.

1. Направление заявки на соединение. Для этого вызывающий абонент с помощью вызывного устройства посылает по абонентской линии в УК заявку на соединение, содержащую условный адрес вызываемого абонента.

2. Организация сквозного физического канала. Оборудование УК по полученной заявке осуществляет соединение соответствующих абонентских линий, если абоненты принадлежат одному УК, или магистральных линий между УК, к которым принадлежат участвующие в сеансе связи абоненты. После организации сквозного канала вызывающий абонент получает из УК сигнал установления соединения, а вызываемый абонент — сигнал вызова.

3. Передача сообщений между абонентами. Обмен может быть одно- и двусторонним, если коммутируются двусторонние каналы связи.

4. Разрушение соединения. После завершения сеанса передачи и получения от абонента сигнала отбоя аппаратура УК разрушает установленное соединение.

Фазы коммутации сообщений

Для коммутации сообщений характерны следующие фазы установления соединения.

1. Вызывающий абонент передает в УК сообщение вместе с условным адресом вызываемого абонента.

2. В УК сообщение запоминается и по адресу определяется канал передачи.

3. Если канал к соседнему УК свободен, то сообщение немедленно туда передается, где повторяется та же операция.

4. Если канал к соседнему УК занят, то сообщение хранится в памяти УК до освобождения канала.

5. Сообщения устанавливаются в очередь по направлениям передачи с учетом категории срочности.

В настоящее время метод КС применяется редко, в основном на телеграфных сетях общего пользования.

Метод КП отличается от КС тем, что сообщение передается не целиком, а разбивается на части — пакеты.

Фазы коммутации пакетов.

Коммутация пакетов предполагает следующие фазы установления соединения.

1. Сообщение разбивается на пакеты длиной 1000-2000 единичных элементов. Эта операция осуществляется либо в ОП, либо в ближайшем УК.

2. Если разбиение на пакеты происходит в УК, то дальнейшая передача пакетов осуществляется по мере их формирования, не дожидаясь окончания приема в УК всего сообщения.

3. Если канал к соседнему УК свободен, то пакет немедленно передается на соседний УК, где повторяется та же операция.

4. Если канал к соседнему узлу занят, то пакет небольшое время может храниться в памяти УК до освобождения канала.

5. Пакеты устанавливаются в очередь по направлениям передачи. Длина очереди обычно не превышает 3-4 пакетов. Если длина очереди превышает допустимую, пакеты стираются из памяти УК и их передача должна быть повторена.

Вследствие небольшой длины пакетов (обычно порядка 1000 бит) и применения высокопроизводительных центров коммутации пакетов (ЦКП) принцип КП по сравнению с КС позволяет существенно снизить время доставки сообщения получателю и организовать диалоговый режим передачи. Основной особенностью сетей с КП является высокая степень использования связных ресурсов за счет временного разделения канального и коммутационного оборудования между многими пользователями и высокоскоростной передачи сравнительно коротких пакетов. В табл. 6.1. приведены для сравнения характеристики сетей с различными способами коммутации.

Различают два режима передачи и коммутации в сетях КП: виртуальный (КП-В) и датаграммный (КП-Д) режимы.

Виртуальный режим коммутации пакетов.

В режиме КП-В перед передачей сообщения между отправителем и получателем организуется виртуальный канал, по которому передаются все пакеты данного сообщения. Термин «виртуальный канал», предложенный Международным союзом электросвязи (МСЭ), означает кажущийся, физически не существующий канал, для определения логического двухточечного соединения между отправителем и получателем сообщения. Принципиальное отличие виртуального канала от физического, устанавливаемого при КК, заключается в том, что он может предоставляться на отдельных участках одновременно многим пользователям. В одном физическом канале может быть организовано до нескольких тысяч виртуальных каналов. Для каждой пары абонентов виртуальный канал сохраняет последовательность передаваемых пакетов так же, как и физический канал при КК. При этом сохраняются преимущества КП в отношении изменения скоростей передачи, чередования пакетов от различных пар абонентов и т.д.

Таблица 6.1

Характеристики сетей с различными способами коммутации

КК

КС

КП

Реализуется на базе временного прямого электрического соединения

Отсутствует прямое электрическое соединение

Отсутствует прямое электрическое соединение

Отсутствует накопление сообщений

Сообщение накапливается во внешнем запоминающем устройстве

Накапливаются небольшие части сообщений в оперативном запоминающем устройстве

Возможен обмен в реальном времени, возможен диалог

Диалог невозможен

Диалог возможен

Тракт организуется на время длительности одного соединения

Тракт устанавливается для каждого сообщения между соседними ЦКС

Тракт устанавливается для каждого пакета или на время сеанса

Основная задержка — при установлении соединения

Основная задержка — при передаче

Небольшие задержки при установлении соединения и передаче

Сеть работает как система с отказами

Сеть работает как система с ожиданием

Сеть работает как система с ожиданием и отказами

При перегрузке имеют место отказы

При перегрузке возрастают задержки в доставке

При перегрузке возрастают задержки в доставке, но они существенно меньше, чем в сетях с КС. Также возникают и отказы, но вероятность их на порядок меньше, чем в сети с КК

Защита сообщений выполняется пользователем

Основные функции защиты реализуются в сети

Основные функции защиты реализуются в сети

Невозможны преобразования скоростей, кодов, форматов

Возможны преобразования скоростей, кодов, форматов

Возможны преобразования скоростей, кодов, форматов

Экономичная сеть при низких объемах нагрузки

Экономичная сеть при больших объемах нагрузки

Экономичная сеть при больших объемах нагрузки

Следовательно, режим КП-В сочетает достоинства методов КП и КК. В режиме КП-В различают временное виртуальное соединение (ВС) и постоянный виртуальный канал (ПВК). В режиме ВС, наиболее распространенном в сетях с КП, виртуальный канал организуется только на время передачи сообщения аналогично процедуре установления соединения в сети с КК.

Постоянный виртуальный канал между двумя абонентами организуется на время, не связанное с длительностью сеанса связи. Этот канал так же, как и выделенные каналы, организуется по согласованию с администрацией сети в тех случаях, когда осуществляется постоянное обращение к этому каналу или передача больших массивов данных. Заранее организованные ПВК упрощают процедуры функционирования сетей.

Режим датаграммной передачи.

В этом режиме виртуальное соединение предварительно не устанавливается и каждый пакет, называемый датаграммой, передается и обрабатывается в сети как самостоятельное сообщение. Каждая датаграмма содержит адрес, что увеличивает объем служебной информации и снижает коэффициент использования каналов. Кроме того, независимая передача пакетов приводит к нарушению порядка их выдачи пользователю. Восстановление правильного порядка следования пакетов связано с усложнением соответствующих процедур передачи.

Эти недостатки ограничивают применение режима КП-Д. С другой стороны, преимуществом КП-Д является возможность передачи пакетов одного и того же сообщения одновременно по разным маршрутам. При этом сокращается время доставки сообщения и обеспечивается более высокая надежность доставки в условиях отказов отдельных элементов сети. Кроме того, режим КП-Д обеспечивает более гибкую маршрутизацию пакетов и, как следствие, более эффективное использование сетевых ресурсов. В настоящее время сетевыми протоколами предусматривается использование обоих режимов с некоторым предпочтением КП-В.

Сравнение режимов КП-В и КП-Д приведено в табл. 6.2.

Таблица 6.2

Сравнение режимов КП-В и КП-Д

Характеристика

Режим передачи пакетов

КП-Д

КП-В

Установление соединения

Не устанавливается

Устанавливается логический канал между абонентами, запоминаемый в маршрутной таблице ЦКП

Управление входящим потоком сообщений

Между любым ЦКП и подключенным к нему абонентом

На входе виртуального канала

Адресация

Полный адрес получателя передается в каждом пакете

Полный адрес получателя передается только при установлении соединения

Процедура передачи пакетов по сети

Каждый пакет передается независимо от другого

Пакеты передаются по логическому каналу, устанавливаемому для данной пары пользователей

Эффективность использования сетевых ресурсов

Обеспечивается за счет очередей, динамической маршрутизации для каждого пакета

Обеспечивается за счет очередей, выбора оптимального пути передачи в момент установления соединения и временного разделения логического канала

У каждого метода коммутации своя область применения. Поэтому используют разные методы коммутации на сетях с разнородными абонентами.

Например, при небольшой средней нагрузке и передаче большими массивами в небольшое число адресов доля потери времени на установление соединения сравнительно невелика. В этом случае предпочтительнее использовать систему с КК. КС эффективнее использовать при передаче многоадресных сообщений, обеспечении приоритетности сообщениям высокой категории срочности при большой загрузке абонентских установок. При передаче коротких сообщений в интерактивном (диалоговом) режиме наиболее целесообразно использовать КП.

Гибридной коммутацией (ГК) называется такой способ, при котором в одном и том же УК часть сообщений обслуживается в режиме КК, а другая часть в режиме КС или КП. При этом усложняется узел коммутации и сеть становится дороже. Однако сочетание нескольких (обычно двух) видов коммутации в ряде случаев обеспечивает эффективное использование сетевых ресурсов.

Адаптивная коммутация предполагает выбор способа коммутации в зависимости от вида поступившего сообщения. Например, длинные сообщения обслуживаются методом КС, при необходимости диалога используется КК, при передаче данных — КП.

Отправить ответ

avatar
  Подписаться  
Уведомление о