Материалы по курсу

МАТЕРИАЛЫ ПО КУРСУ
«Основы инфокоммуникационных технологий»
(читался в МФТИ в 2004-2007 гг.)
Лектор: к.т.н., с.н.с. Князев Кирилл Григорьевич (ОАО «МТС»)
Составитель: Коптюбенко Евгений (студент МФТИ, гр. 217)
1
ОГЛАВЛЕНИЕ
Часть 1. Принципы связи _____________________________________________________ 4
Цели, задачи курса________________________________________________________________ 4
Программа курса _________________________________________________________________ 4
Основные понятия ________________________________________________________________ 4
Связь _________________________________________________________________________________ 4
Рынок связи _____________________________________________________________________ 5
Роли и запросы участников рынка связи ____________________________________________________ 5
Виды деятельности оператора связи (FAB-модель) ___________________________________________ 6
Структура сети связи _____________________________________________________________ 6
Архитектура сетей связи в России (ВСС РФ) ________________________________________________ 7
Иерархическая структура сети связи России ________________________________________________ 8
Развитие связи ___________________________________________________________________ 9
Вехи истории связи _____________________________________________________________________ 9
Тенденции развития технологий связи ____________________________________________________ 10
Тенденции развития микроэлектроники ___________________________________________________ 10
Сети и услуги связи ______________________________________________________________ 11
Особенности сетей связи как предмета деятельности ________________________________________
Основные требования к сетям связи ______________________________________________________
Услуги в связи ________________________________________________________________________
Систематика сетей связи ________________________________________________________________
11
11
11
11
Физические основы связи ________________________________________________________ 12
Виды электрических сигналов связи ______________________________________________________ 12
Использование диапазонов частот в связи _________________________________________________ 14
Стандартизация в связи _________________________________________________________ 14
Исследовательские комиссии (Study groups) МСЭ-Т (2003 г.) _________________________________ 16
Серии Рекомендаций МСЭ-Т ____________________________________________________________ 16
Часть 2. Сигналы в электросвязи _____________________________________________17
Структура канала передачи ______________________________________________________ 17
Сигналы и каналы. Граница Шеннона _____________________________________________ 18
Измерение количества информации ______________________________________________________
Информационная модель канала связи ____________________________________________________
Некоторые фундаментальные закономерности______________________________________________
Оцифровка аналоговых сигналов _________________________________________________________
Затухание сигналов в канале _____________________________________________________________
Спектр речи __________________________________________________________________________
18
19
20
22
23
25
Кодирование, модуляция, качество передачи сигналов ______________________________ 26
Кодирование речи и качество ____________________________________________________________
Кодирование цифровых сигналов для передачи по линиям ___________________________________
Спектры импульсов ____________________________________________________________________
Кодирование цифровых сигналов ________________________________________________________
Качество цифровой передачи ____________________________________________________________
Виды цифровой модуляции _____________________________________________________________
Эффективность различных видов модуляции (по использованию спектра) ______________________
Требования к пропускной способности для разных видов сервиса _____________________________
Кабели и диапазоны ____________________________________________________________________
26
26
27
28
29
30
31
31
32
Часть 3. Транспортные сети _________________________________________________ 34
Тенденции улучшения характеристик транспортных сетей___________________________ 34
Общая характеристика транспортных сетей ________________________________________ 34
Требования к транспортным сетям ________________________________________________ 35
2
Функциональные компоненты сетей_______________________________________________ 35
Группообразование в аналоговых системах передачи (ЧРК) __________________________ 36
Виды устройств _________________________________________________________________ 37
Цифровые системы передачи ПЦИ: иерархия сигналов ______________________________ 38
Синхронная цифровая иерархия __________________________________________________ 45
Система передачи DWDM (CWDM) ________________________________________________ 49
Подходы к надежности ___________________________________________________________ 50
Часть 6. Сетевое управление _________________________________________________ 53
Сетевое управление: определения _________________________________________________ 53
Стандарты ITU-T TMN___________________________________________________________ 55
Пример: физическая архитектура управления сетью SDH____________________________ 63
Часть 8. ATM _______________________________________________________________ 68
Концептуальные основы АТМ ____________________________________________________ 68
Никакой защиты от ошибок и процедур управления потоком на участках между узлами __________
Ограничение функций обработки заголовка ________________________________________________
Размер поля информации _______________________________________________________________
Процедура обработки заголовка __________________________________________________________
70
71
72
75
Принципы синхронизации в АТМ _________________________________________________ 76
Структура стека протоколов АТМ_________________________________________________ 78
Физический уровень ___________________________________________________________________ 79
Уровень АТМ _________________________________________________________________________ 80
Уровень адаптации АТМ________________________________________________________________ 80
Форматы АТМ __________________________________________________________________ 81
Номера виртуальных каналов и виртуальных путей _________________________________________ 82
Типы передаваемых данных _____________________________________________________________ 83
Приоритеты селлов в системе ____________________________________________________________ 85
3
Часть 1. Принципы связи
Цели, задачи курса
Цели курса:
1. Дать введение в основные принципы, методы, подходы к решению задач,
технологии современной связи.
2. Провести обзор современных технологий связи, особенностей построения
современных систем и сетей связи (электросвязи).
Задачи курса:
1. Создать теоретическую и практическую базу для постановки и решения задач в
области связи.
2. Создать основу для взаимодействия со специалистами различных
специальностей при проектировании, разработке, организации эксплуатации систем и
сетей связи.
Программа курса
1. Введение
2. Основные понятия и принципы электросвязи
3. Сигналы и каналы электросвязи
4. Системы передачи и транспортные сети
5. Телефонные сети
6. Сети передачи данных
7. Телематические службы
8. Сети подвижной радиосвязи
9. Сети с интеграцией служб
10. Системы сетевого управления и биллинга
11. Качество в электросвязи
Основные понятия
Связь
1) Передача и прием информации с помощью различных технических средств.
4
2) Отрасль народного хозяйства , обеспечивающая передачу и прием почтовых,
телефонных, телеграфных, радио- и др. сообщений.
Связь
Электросвязь -
Почтовая связь
передача информации посредством
передача почтовых отправлений
электрических (оптических) сигналов,
(писем, газет, бандеролей…)
распространяющихся по проводам
(проводная связь), или (и) радиосигналов
(радиосвязь)
(Рис. 1.1)
Рынок связи
Роли и запросы участников рынка связи
Администрация
Связи (регулятор)
________________
1.Стандартизация
2.Лицензирование
3.Надзор
(Рис. 1.3)
(4.Сертификация
оборудования)
5
Виды деятельности оператора связи (FAB-модель)
Процесс взаимодействия с клиентами
Управление
продажами
Обработка
заявок
Обслуживание
проблем у
клиентов
Управление
качеством
обслуживания
Счета/учет
платежей
Процессы обслуживания клиентов
Планирование
и развитие
услуг
Конфигурация
услуг
Устранение
неисправностей
Управление
качеством
услуг
Тарификация
Процессы развития и реализации услуг
Планирование
и развитие сети
Задействование
ресурсов сети
Учет
ресурсов
сети
Техническое
обслуживание и
восстановление
Управление
данными
сети
Процессы управления сетями и системами
Процессы управления элементами сети
Физическая сеть и информационные технологии
Прооцессы управления информационными системами
Клиент
(Рис. 1.4)
Структура сети связи
(Рис. 1.5)
6
Архитектура сетей связи в России (ВСС РФ)
(Рис. 1.6)
7
Иерархическая структура сети связи России
(Рис. 1.7)
8
Развитие связи
Вехи истории связи
(Рис. 1.8)
9
Тенденции развития технологий связи
(Рис. 1.9)
Тенденции развития микроэлектроники
(Рис. 1.10)
10
Сети и услуги связи
Особенности сетей связи как предмета деятельности
•
Масштабность (большая размерность задач)
•
Сложность
•
Стохастичность
•
Многопараметричность / многокритериальность (Производительность – Качество –
Стоимость)
•
Многотехнологичность (PSTN – ISDN – Internet – ATM)
•
Инерционность развития
Основные требования к сетям связи
•
Эффективность (в смысле бизнес-управления)
•
Расширяемость – мереется ценой расширения и способностью контролировать
цены.
•
Масштабируемость – расширяемость в определенном диапазоне.
•
Высокая надежность (измеряется коэффициентом готовности Кг > 0.99995 – для
телефонной связи)
•
Эксплуатационная пригодность
•
Необходимая производительность
•
Соответствие стандартам
•
Разнообразие обеспечиваемых услуг (оборудование и сеть = “service enabler”)
Услуги в связи
Услуга связи – деятельность по приему, обработке, хранению, передаче, доставке
сообщений электросвязи или почтовых отправлений (ФЗ О связи 2003 г.)
Услуга – функциональные возможности, предоставляемые одним объектом (поставщиком
услуг – service provider) другому (пользователю – service user). Все услуги делятся на:
1. Телефонию
2. Передачу данных.
Сеть диктует услуги только вместе с возможностями терминала.
Систематика сетей связи
По видам передаваемых сигналов
1. Цифровые - в каждый момент времени сигнал может принимать одно из
целочисленного конечного набора значений
11
2. Аналоговые
По способу распределения информации
1. Коммутируемые
2. Некоммутируемые (dedicated/»выделенные»)
Физические основы связи
Виды электрических сигналов связи
(Рис. 1.11)
По видам коммутации
1. С коммутацией каналов (гарантированное качество, минимальные задержки при
передаче) - До передачи информации создается канал связи
2. С коммутацией сообщений - сообщение пользователя передается с промежуточным
накоплением в транзитных узлах
3. С коммутацией пакетов - сообщение пользователя нарезается на пакеты для
последующей передачи
По режиму доступа пользователей
1. Общего пользования (public)
2. Частного пользования
12
По роли в многоуровневой архитектуре сети
1. Сеть уровня помещения пользователя (CP – customer premises)
2. Сеть доступа (Access)
3. Местная (локальная – Local)
4. Магистральная сеть (Core)
По охватываемой территории
Сети масштаба:
•
здания, кампуса, города, района / междугородная / международная
По виду предоставляемых услуг связи
1. Телефонные
2. Телевизионные
3. Мультимедийные
4. Передача данных
5. Телематические (передачи сообщений, доступ к базам информации,
факсимильные…)
6. С интеграцией служб (интегрированного обслуживания)
7. Конвергентные услуги
По виду используемой среды передачи (см. Рис. 1.12):
Проводные (Wireline)
Радио (Wireless)
Сотовая
Металлические
Волоконно-
кабели
оптические
Радиорелейная
Спутниковая
кабели
Радиосвязь
(Рис. 1.12)
По возможной мобильности пользователей:
1. Стационарные (Fixed)
13
2. Мобильные (Mobile)
3. Сотовые (Public Land Mobile)
Использование диапазонов частот в связи
(Рис. 1.13)
Стандартизация в связи
Основная цель – обеспечение «Сквозных» (end-to-end) услуг,независимо от :
•
поставщиков оборудования
•
используемых технологий
•
поколений оборудования
Основной механизм – совместимость оборудования/сетей
Совместимость - комплексное свойство систем, характеризуемое их способностью
взаимодействовать при функционировании (ГОСТ 34.003)
Что стандартизуется
•
основные понятия и термины
•
номенклатура и спецификации услуг
•
функциональность сетей и оборудования
14
•
эталонные (reference) структуры сетей
•
алгоритмы функционирования и взаимодействия
•
спецификации устройств (функциональных блоков) и интерфейсов
(функциональные, конструктивные, электрические, алгоритмические,
информационные)
•
средства формализованного описания (языки, диаграммы)
Что НЕ стандартизуется
•
Реализация
Структура Международного союза
электросвязи
(Рис. 1.15)
15
Исследовательские комиссии (Study groups) МСЭ-Т (2003 г.)
ИК2 – Технические аспекты предоставления услуг, работы сетей и характеристик
ИК3 – Принципы тарифов и учета
ИК4 – Управление сетями и техническое обслуживание
ИК11- Требования к сигнализации и протоколы
ИК12- Характеристики сетей/терминалов с точки зрения сквозной передачи информации
ИК13- Многопротокольные и IP-сети
ИК15- Оптические и иные транспортные сети
ИК16- Мультимедийные услуги, системы и терминалы
ИК17- Сети передачи данных и программное обеспечение телекоммуникационных систем
Спец.ИК- IMT-2000 и следующие поколения
Серии Рекомендаций МСЭ-Т
А – Организация работы
B – Определения, символы, классификация
D – Тарификация
E – Услуги, управление услугами, качество
F – Нетелефонные услуги
G – Системы и среда передачи, цифровые системы и сети
H – Мультимедийные системы
I - Цифровая сеть с интеграцией служб
M- Управление сетью, техническое обслуживание
О – Требования к измерительному оборудованию
Р – Качество передачи речи
Q – Коммутация и сигнализация
V – Обмен данными по телефонной сети
X – Сети передачи данных и взаимосвязь открытых систем
Y – Глобальная информационная инфраструктура и аспекты Интернет
Z – Языки программирования и основные аспекты ПО
16
Часть 2. Сигналы в электросвязи
Структура канала передачи
Канал передачи данных состоит из:
1.Источника сообщений (человек, окружающая среда...)

Сообщение – информация в материальной форме (речь, музыка, изображения,
текст, параметры некоторого объекта) .
2. Преобразователь неэлектрического сообщения в электрическую форму.

Преобразователи: микрофон, телевизионная трубка, персональный компьютер
3. Кодирующее устройство (кодирование источника, при котором используется IRA –
international reference alphabet) .

Кодер преобразует электрический сигнал к виду, удобному для обработки,
хранения, передачи по системе связи. В современных системах связи все сигналы
преобразуются в шифровую форму, т.е. в кодовые комбинации из «1» и «0».

Помехоустойчивое кодирование. Надо передать n бит, а передают n+k бит, т.к.
анализируя лишние биты k, можно обнаружить или исправить ошибки.

Код – правило формирования избыточных битов.

Контроль четности. Также применяется контроль четности – считаем все единицы
и, если они четные, то в избыточном бите пишем «0», иначе пишем единицу. В
полученном сообщении, проведя контроль четности, можно обнаружить
произошла ошибка или нет. Однако, контроль четности не спасает от четного числа
ошибок, т.к. в этом случае меняется ечтное число единиц или нулей на
противоположные и четность от этого не меняется.

Статистически приемлимый уровень избыточности – определяется услугой,
которую оказывают и, также, определяется ценой потери информации.
4. Модулятор.

Модуляция – согласование получившегося сигнала с возможностью передач.

Модулятор изменяет электрический сигнал к виду, удобному для обработки,
хранения, передачи по системе связи. В современных системах связи все сигналы
преобразуются в шифровую форму, т.е. в кодовые комбинации из «1» и «0»

Для передачи исгналов по каналам необходимо знать скорость модуляции –
1/(период смены характеристик модулирующего сигнала). Если передаем
двоичную информацию, то скорость модуляции равно единице. Скорость
модуляции измеряется в Бодах.
17

OFDM – ортогональная частотная цифровая модуляция – каждая единица
передается сложной системой.
5. Выходное устройство.

Выходное устройство согласует параметры модулятора с параметрами линии
связи.
6. Линии связи с помехами

Помехи.
o 1. Излучение вселенной
o 2. Тепловые шумы (колебание тела, шумы в железных кабелях)
o 3. Помехи соседних линий связи – перекресные наводки
o 4. Энергетические излучения
o Самые большие шумы в эфире!

Линии связи – это два провода, кабель, волновод, волоконно-оптическая линия
или окружающее пространство, по которым сигнал поступает от передатчика к
приемнику (любая нелинейность в линии связи генерирует паразитный сигнал,
являющийся помехой).
7. Входное устройство

Входное устройство согласует параметры линии связи с параметрами приемника.
На выходе его мы имеем такой же сигнал, как на входе передатчика, но на
полезный сигнал наложены разные помехи.
8. Демодулятор.

Демодулятор превращает модулированный высокочастотный сигнал в импульсы
«1» и «0», которые были на входе омдулятора (на выходе кодера)
9. Декодер

Декодер превращает цифровой сигнал в исходный сигнал, который был на выходе
преобразователя передатчика.
10. Преобразователь электрического сигнала в сообщение
11. Приемник сообщения.
Сигналы и каналы. Граница Шеннона
Измерение количества информации
Пусть источник информации имеет алфавит A = {ai | i = 1..n}
и каждый символ ai генерируется с вероятностью pi. Тогда
18
количество информации, содержащееся в символе
ai , оценивается величиной
Ii = log 1/pi
Обычно основание логарифма – 2, и единица измерения называется «бит» (bit –
BInary digiT)
Среднее количество информации на символ
H =  Ii pi
называется энтропией (источника)
Информационная модель канала связи
Как посчитать вероятность того, что примем не то, что отправлялось?
U – напряжение передаваемого сигнала
Амплитуда помехи
Значение помехи
Нормальное распределение помехи
t
В результате случайного процесса можем получить другой сигнал, т.к. помеха может
перевести один сигнал в другой. Если помеха аддитивна, то она имеет нормальное
распределение.
Вероятность ошибки - вероятность того, что сигнал перескочит на другой уровень, тогда
приемник будет воспринимать сигнал, как другой (интеграл от функции распределения).
Модель канала
Для определения количества полученной информации необходима стохастическая
модель канала (вероятностная можель канала).
19
Пусть Ai - алфавит источника, а Bi – алфавит принятых символов.
1
N – неопределенная зона сигнала
0
а0
P(a0/b0)
Апостериорная
b0
Вероятность
(возможность
получить сигнал
Bj при излучении
а1
b1
cигнала Aj)
(Рис. 1.16)
I (A,B) = H(A) – H(A/B) – Взаимная информация.
Где H(A/B) =  P(bk)  P(Ai/Bk) log (P(Ai/Bk)) - условная энтропия – энтропия шумов.
Некоторые фундаментальные закономерности
1. Теорема отсчетов («Теорема Котельникова»)
20
Сигнал с ограниченным спектром F может быть полностью восстановлен по своим
мгновенным значениям (выборкам), следующим с частотой 2F. (Для того, чтобы
восстановить огибающую сигнала, необходимо применить фильтр нижних частот).
2. Теорема Шеннона («формула Шеннона – Хартли»)
Ёмкость канала(максимальная пропускная способность – максимально возможная
скорость передачи информации по каналу) с шириной полосы F определяется
выражением:
С = F log (1+Pc/Pп)
(F- ширина полосы канала в Гц, Рс – мощность сигнала, Рп – мощность помехи)
Граница Шеннона, как скорость света, - не достижима.
3. Теорема Шеннона («Теорема о кодировании источника»)
Если производительность источника информации меньше ёмкости канала,
сообщения с выхода источника могут быть переданы по каналу и восстановлены на
приёмном конце со сколь угодно малой вероятностью ошибки (…всегда существует
способ кодирования источника, обеспечивающий сколь угодно малую вероятность
ошибки).
Пусть есть канал с пропускной способностью F и существует источник. Если
скорость источника меньше границы Шеннона, то всегла существует такой псособ
кодирования источника, который обеспечивает сколь угодно малую вероятность ошибки.
Эти коды должны быть достаточно (непрактично) длинными.
Вопрос к экзамену: Может ли код обнаружить все Д-кратные ошибки (в Д-разрядах
принято не то, что отправлялось), если кодовое расстояние больше или равно Д+1?
21
Оцифровка аналоговых сигналов
22
Затухание сигналов в канале
Затухание симметричного кабеля
Затухание симметричного кабеля
При передачи по симметричным кабелям при скоростях – десятки mbit/sec, нормальный
участок передачи – единицы киллометров.
23
Затухание ВОЛП
Волокно – смерть расстояний – цена передачи потока на км.
В окне прозрачности (10-100 ГГц) позволяет передавать данные на скорости 40 Gbit/sec.
Коаксиал и его затухание
Коаксиал бывает:
Тонкий – кабель для телевизора...
Толстый - кабель междугородной связи…
24
Спектр речи
25
Кодирование, модуляция, качество передачи сигналов
Кодирование речи и качество
Кодирование цифровых сигналов для передачи по линиям
Требования к кодированию:
•
Устойчивость к помехам
•
Эффективное использование полосы канала
•
Способность обеспечить синхронизацию битов
•
Независимость от содержания передаваемых данных (прозрачность)
26
Спектры импульсов
27
Кодирование цифровых сигналов
NRZ
RZ
“Манчестер»
AMI
Т
(Реальный
сигнал)
28
Качество цифровой передачи
29
Виды цифровой модуляции
Амплитудная
Частотная
Т
Фазовая
30
Эффективность различных видов модуляции (по использованию
спектра)
Граница Шеннона
ФМ (Фазовая)
АМ (Амплитудная)
ЧМ (Частотная)
Требования к пропускной способности для разных видов сервиса
31
Кабели и диапазоны
WiFi – технология беспроводных локальных сетей (беспроводной Ethernet). Радиус
действия около 100 м. HotSpot – место, где можно подключиться к WiFi. (стандарты ieee
802.11)
WiMax – почти WiFi, но характеристики в эфире лучше. Передают на расстоянии
до 30 км.
Технологии GPRS и Edge являются расширением стандарта второго 2G поколения
GSM (полоса частот вокруг 900 МГц)
3G – обеспечивает скорость передачи данных 2Mbit/sec.
2.5G – GPRS, EDGE – в рамках GSM позволяют ускорить передачу данных.
Ресурсы связи – восстанавливаемые (кабель) и невосстанавливаемые (эфир).
32
При передачи сигнала на большие расстояния, используют регенераторы
(промежуточные усилители) – релейные станции на пути следования сигнала. Когда
сигнал спадает до уровня шума, его надо ретранслировать. Длина регенерационного
участка – расстояние между узлами сети регенерации. В теории дальней связи, передача
цифровых сигналов, на скорости более 10 mbit/sec, требует ретранслицию на расстоянии
около 10 км.
Handover – без обрыва соединения можно с помощью сигнализации переключиться
с одной вышки на другую. Используется, когда абонент, разговаривая по телефону,
переезжает (на машине, на электричке...) из одной зоны обслуживания в другую.
Чтобы передать сигнал телефонного качества, ширина канала должна быть 4 КГц.
Один телефонный разговор требует 64 Kbit/sec.
Вещательный канал – (стандарт 3x4КГц) тройной телефонный канал).
При xDSL модуляции (A, H, SH) (кабельный абрнентский модем) скорости
передачи данных 2 Mbit/sec можно достич при длинах кабеля 2-3 км.
33
Часть 3. Транспортные сети
Тенденции улучшения характеристик транспортных сетей
Рис. 0.1
Общая характеристика транспортных сетей
Транспортные сети – сети, предоставляющие коммутируемым (вторичным) сетям
типовые каналы передачи (есть и альтернативные трактовки!: 1. НЕ сети доступа 2. НЕ
системы предоставления услуг). Транспортные сети – перенос информации между двумя
точками с допустимыми искажениями. В IP, транспортные сети выполняют роль
оборудования , обеспечивающее работу четырех уровней модели OSI. В сетях передачи
данных мы получаем услугу в режиме Client-Server.
NGN – Next Generation Network.
IN – Intelligent Network – способ стандартного подключения баз данных к телефонным
сетям.
Транспортная сеть – слоение всех сетевых возможностей на три слоя (рис. 0.2):
– нижний – транспортный
– управления (control, коммутация)
– сервисы (платформы услуг)
Вышестоящий слой использует ресурсы нижестоящего слоя и еще включает свои методы.
34
Каналы во вторичные сети
Кросс-коннекторы
Системы передачи
Линии связи
Рис. 0.2
Требования к транспортным сетям
1. Максимальное использование полосы пропускания линий связи
2. Требуемая дальность передачи
3. Широкий спектр услуг (скоростей и параметров каналов)
4. Расширяемость *
5. Масштабируемость *
6. Гибкость при доступе к услугам
(способность быстро и дешево предоставить/перестроить услуги)
7. Высокая надежность, живучесть
(Кг ~ 0.99995-0.99999 для элемента сети)
Функциональные компоненты сетей
Порт (нагрузочный)
.
.
.
…
Мультиплексор
.
. .
MUXLT
.
R
Порт (линейный) Линия связи
Регенератор
. .
R
.
.
…
.
MUXLT..
. DXC .
.
.
.
…
.
MUXLT .
Рис. 0.3
35
Линии связи – средства передачи (волноводы, спутниковые системы)
Системы передачи – комплекс оборудования, который подключается к линиям связи и
передают по ним сигналы. Все сигналы должны быть застандартизованы.
Кросс-коннекторы – кроссовая коммутация, оперативное переключение каналов. Crossconnect – переключение, которое применяется в рамках транспортных сетей, которое
отличается от телефонной коммутации тем, что при нормальной коммутации во
вторичных сетях соединение устанавливается автоматически по информации, которую
устанавливает абонент (абонент активно участвует в наборе номера – ждет гудка после
«восьмерки», набирает добавочные номера...)
Сигнализация – механизмы передачи цифр номера и команд для установления связи.
Сигнализация позовляет через интернет передавать все виды трафиков. Кросс-коннекторы
работают не по сигнализации от абонентов, а от самой станции – от оператора. Внешний
сигнал управляет коммутацией.
Группообразование в аналоговых системах передачи (ЧРК)
ЧРК – частотное разделение каналов. Перенося простые сигналы по спектру, создаются
групповые тракты. 12 телефонных каналов образуют первичную группу (полоса
пропускания – 48 кГц).
Grooming – сортировка, перераспределение.
Масштабы передачи: 1) Масштаб помещения. 2) Масштаб города. 3) Междугородная
передача. (со скоростью 64 kbit/Sec можно передавать движущуюся черно-белую
картинку. 300 kbit/Sec – граница картинок в цвете).
Масштабируемость – цена увеличения пропускной способности. Если зависимость цены
от пропускной способности - прямая, то система расширяема, а, если экспоненциальная
зависимость, то нерасширяема.
Расширяемость – пределы, в которых доступна емкость сетей.
36
Индивидуальное
Первичное
Вторичное
преобразование
преобразование
преобразование
Рис. 0.4
Рис. 0.5
Виды устройств
Мультиплексоры – позволяют объединить ряд компонентных сигналов вместе для
передачи по какой-то линии.
37
Линия связи
Y/R
MOX
ЛС
ЛС
ЛС
DXC
В линии связи сигнал ослабляется настолько, что его надо усилить. Усилитель –
аналоговые сигналы, регенератор – цифровая передача данных.
Усилительный (регенераторный) участок – расстояние между мультиплексором и
усилителем.
– до нескольких десятков Mbit/Sec – несколько километров
– волоконные оптические сети позволяют делать регенерационный участок в десятки
киллометров.
– Рекорд усилительного участка – 1000 км!
DXC – Digital Cross Connector – цифровой кросс-коннектор (X – термин ввели
американцы, поэтому X – от слова cross). У него нет пользовательских интерфейсов, а
только линейные интерфейсы. DXC – соединяет частные каналы в линии связи и
переключает их (с разных направлений связи).
Цифровые системы передачи ПЦИ: иерархия сигналов
Системы передачи делятся на STM и ATM
1) Synchronous Transfer Mode – синхронный режим переноса. STM – каждому сигналу
выделяется свой time-slot (резервирование временных позиций), а на приеме эти
позиции восстанавливаются.
2) ATM – асинхронный режим переноса. Не выделяются конуретные time-slot, а
информация передается в пакетах (IP).
Первым стандартом была ПЦИ. Для физической передачи используется асинхронный
порт.
38
Старт
Стоп
1
0
7-8
Так как передача может начаться в любой момент, используется асинхронная передача.
При чисто синхронной передаче имеем непрерывный поток битов без страт-стопов.
Плезиохронная передача подразумевает, что каждое устройство пытается определить
скорость передачи, следовательно, приборы работают почти на одинаковых частотах
(примерно 10-5 – 10-6).
Рис. 0.6
39
Плезиохронная цифровая иерархия
1. Канал синхронный 64.000 бит/с. 8 КГц – частота Найквиста-Котельникова и по 8 бит
достаточно, чтобы закодировать сигнал. Следовательно, если сделать квантование
1/256 всего размаха, то на приеме помехи не ощущаются.
2. Кадры. Длительность кадра – 125 мс.
3. Мультиплексирование сигнала.
40
41
Рис. 0.7
Стандарты иерархии: европейская, американская, японская.
Европейская
Первый уровень – сигнал Е1 из тридцати двух 64-х канальных интервалов по 2Мбит/сек
(2048 Кбит/сек).
Цикловая синхронизация – механизм, с помощью которого приемник узнает о начале
передачи. Для того, чтобы приемник узнавал о начале цикла, используется Time Slot 0
(канальный интервал). Один из тридцати одного (шестнадцатый) принято отдавать для
управления сигнализацией.
Каждый следующий уровень – 4 предыдущих Е2. 4 сигнала предыдущего уровня
передается одним сигналом этого уровня. 4Е1=Е2.
E4 – 1620 каналов. Также сужествует и Е5, но по факту оказалось, что это невыгодно.
42
Цикл системы передачи ИКМ-30 (Е1)
Рис. 0.8
Маленькие потоки объединяются в большие методом битового чередования. В системах
ПЦИ, для борьбы с отклонениями частот приема, используется битовый стаффинг
(битовая вставка). Когда приемники разбегаются на 1 бит, аппаратура либо вставляет
лишний бит, либо его вырезает. Тот, кто вставил бит, по специальному каналу управления
и специальному протоколу сообщает приемнику, что передается не информационный бит,
а стаффинг. Вырезанный бит, по каналу управления, досообщается. Если в каждом цикле
выделяем один бит, то создается канал в 8 Кбит/сек.
43
Цикл системы передачи Е2
Рис. 0.9
Система с временным разделением дает качество, т.к. очень маленький jitter. При
пакетной передачи, обеспечить отсутствие jitter‘a нельзя, т.к. пакеты всегда разной
длины. При IP-телефонии возникает проблема качества.
ИКМ480 – Е3.
Недостатки технологии ПЦИ (PDH), проявившиеся к началу 1980-х
Плезиохронная цифровая иерархия – почти синхронная
1. Скорости передачи (реально 140Мб/с) не покрывают возможности ВОЛП (~50 Гб/с)
2. Гибкость при выделении (коммутации) каналов недостаточна (из-за битстаффинга
всегда необходима цепочка мультиплексоров).
3. Тяжело выделить маленький канал из очень большого.
4. Недостаточно служебных позиций в заголовках для контроля, управления (в
европейское иерархии – 3-4 бита информации управления), обслуживания трактов
и оборудования
5. Несовместимость региональных стандартов
6. Не стандартизованы средства обеспечения надежности (резервирование: 1+1, 1:1,
1:N, ...)
7. Не поддерживаются явно различные топологии связи (предполагается «линейная»
структура)
44
Синхронная цифровая иерархия
Упрощенная функциональная структура СЦИ
И – Интерфейс: взаимодействие с
физической средой
А – Адапатация: загрузка
пользовательского сигнала в
контейнеры
О – Окончание трактов :
формирование, обработка
заголовков трактов
С – Соединение: =кроссовая
коммутация (cross-connect)
Рис. 0.10
Интегрированные системы – системы, которые в едином устройстве совмещают разные
функции.
SDH по сравнению с PDH
1. Поднятие скорости (>>140 Мбит/сек)
2. Повышение гибкости (отход от строгой иерархии)
3. Уменьшине битов управления
Вдоль линий нового типа может быть обеспечена достаточно высокая синхронизация.
Основой SDH был сигнал STM – синхронный транспортный модуль. Физическая
скорость STM-1 – 155 Мбит/сек. Модуль – полный аналог цикла передачи в PDH, но ИКМ
– сигнал 140Мбит/сек, 15 Мбит/сек – заголовки.
На сегодняшний день:
STM-1x4 – мультиплексирование простых сигналов.
STM-4 – 622 Мбит/сек
STM-16 – 2,5 Гбит/сек
STM-64 – 10 Гбит/сек
STM-256 – 40 Гбит/сек
45
Плезиохронные сигналы являются частью сигналов, поступающих на входы: Е1, Е3, Е4,
которые образуют основу для сигналов SDH.
В Америке: STS – синхронный транспортный сигнал. SONET – синхронная иерархия,
котоорая начиналась со скорости STS-1 – 51 Мбит/сек.
Преобразование PDH-сигналов
1. Загрузка. Из входного потока сигналы набираются в первичные информационные
структуры. Частота повторения кадров в SDH – 8 КГц. Таким образом, если
информационную структуру повторяем много раз, то создаем скоростной участок.
С – контейнер. На входе аппаратуры формируется первичная информационная
структура – контейнер. Сколько видов сигналов, столько будет контейнеров.
Потом контейнеры собирают до образования линейных сигналов.
2. Благодаря гибкости и тому, что выравнивание скоростей происходит с помощью
компьютеров (указатели в заголовках структуры), при помещении синалов в
контейнеры, происходит байтовое выравнивание.
3. Дальше идет байтовое мультиплексирование. VC – virtual container. Их столько
же, сколько и контейнеров. Это информационная структура (носитель канала),
которая символизирует начало передачи в SDH и, в которую загружается
информация – заголовок. Если участок VC с фиксированной скоростью можно
доставить в точку назначения, то это и есть суть SDH. TU – tributary unit –
компонентный поток - такой сигнал, который должен сохранить свою структуру
при объединении его с другим потоком (сохранение полосы и идентичности
каждого сигнала, который поступает на вход). TUG – tributary unit group – группа
компонентных блоков.
Благодаря компьютерно-подобному мультплексированию, возникает возможность
выделения любого маленького сигнала из большого потока. Но, т.к. структура
прозрачна, внутри STM-1 доступна любая единица  огромная гибкость.
46
СЦИ: обобщенная схема мультиплексирования
Рис. 0.11
СЦИ: секционный заголовок STM-1
1-й байт – управление, A – байты синхронизации, D – байты для сетевого управления, Δ –
резерв, F – вспомогательные, M – байт для передачи аварийных сигналов, В – байт
проверки на ошибки.
47
Рис. 0.12
На более высокой скорости происходит частотное разделение WDM – спектральное
волоконнооптическое мультплексирование. WDM может не только сменять основную
частоту – транспондирование, – но и производить все необходимые виды обработки
сигналов.
Плюсы волоконнооптических транспортных сетей
1. Продаем лямбды λ. Можно навесить много разных сигналов на лямбды. Например,
на одну лямбду можно повесить телевидение, а на другую – SDH.
2. Преобразование частоты в ВОС – полный аналог коммутации.
48
Система передачи DWDM (CWDM)
Рис. 0.13
Мультиплексирование оптических каналов
Рис. 0.14
49
Диапазоны частот
Рис. 0.15
Прагматическая систематика
Подходы к надежности
Статический подход – сначала задают требования по надежности; предполагается, что
чередуются моменты работоспособности и отказа; период от восстановления до отказа –
время наработки на отказ (tно); время восстановления (tв) – время от отказа до работы.
Обеспечение высокой надежности происходит за счет резервирования (избыточности).
Коэффициент готовности: Кгот=(tно)/(tно+tв).
Обеспечение надежности в условиях отказа.
50
Кгот=0,99999 – коэффициент надежности у связистов.
Надо еще предусмотреть механизмы переключения на резерв. Происходит а) контроль
неисправностей, б) диагностика, в) переход на резерв.
SLA – Service Level Agreement
В PDH вопросами надежности не занималась. Реальная надежность канала будет 99-999
(999 – если канал не очень длинный).
В составе SDH присутствует технология переключения на резерв и контроля. В структуре
каждого VC есть контрольные суммы. Канал D – служебный канал. По этим каналам
работают протоколы, обеспечивающие возможность перехода с одного канала на другой.
Техники обеспечения резерва
1+1(N) - (1 основной и 1 резервный) горячее резервирование, большая скорость
переключения.
1:1(N) – холодное резервирование (резервный канал не работает, как в горячем, а стоит
готовым) (1:1(N) – 1 канал в резерве на N рабочих).
В сетях с SDH переключение горячего резерва около 50 msec (не разрываются телефонные
соединения).
Уровень резерва определяется ценой потерь.
В SDH контроль и на уровне VC и на уровне мультиплексных секций
Двойные кольца SDH
MX
MX
MX
На базе PDH можно было строить любую топологию, которую хочется (строим линии, а
потом из них можно делать любую топологию).
В SDH можно строить только кольца. Это почти оптимальная топология для местных
сетей. Кольцо – самая дешевая топология. Это самая маленькая отказоустойчивая
структура (если у звезды порвать одно ребро, то это уже несвязный граф).
Двойное кольцо SDH – по два линейных выхода у каждого мультиплексора. При обрыве
коммутируют в ближайшем к разрыву, в обратном направлении.
51
Каждый мультиплексор должен проверять входной поток, они должны коммутировать
между собой по служебным каналам, чтобы разворачивать поток.
Все графы различаются ценой, самый дешевый – наименее надежный.
Трассы основного и резервного каналов должны быть разнесены.
52
Часть 6. Сетевое управление
Сетевое управление: определения
1. (Network Management)
Выполнение множества функций, необходимых для планирования, контроля, размещения,
задействования, координации и наблюдения за ресурсами сети связи (ANSI T1.523)
2. (Network management service)
Множество функций, обеспечивающих пользователю (подразделению операторской
организации или клиенту) поддержку в выполнении работ по эксплуатации (operations),
администрированию (administration), техническому обслуживанию (maintenance) и
обеспечению (provisioning) (OAM&P) (Рек. М.60, термин 2174)
3. (Network management function)
Функциональная возможность доступа к управляемому ресурсу с целью воздействия на
него (Рек. М.60, термин 2173)
Основные понятия сетевого управления
Не перепутать:
Управление – Control: в коммутируемых сетях – средства и процедуры управления
соединениями и услугами (= сигнализация)
Управление – Controls: выработка управляющих воздействий на объект управления
(часть сетевого управления)
Управление – Management: наиболее широкое понятие
53
FAB – модель
Fulfillment
развитие
Assurance
обеспечение
Billing
расчеты
Рис. 0.1.
Assurance – обеспечение устранения неисправностей. Контроль качества (если качество
максимальное, то это эквивалентно аварии. Неисправности: распознаваемые аппаратурой;
не распознаваемые аппаратурой.
Billing – по каждому разговору генерируется запись (Call Detailed Record).
Если это IP-сеть, то это IPDR. Далее эти записи отдаются в систему тарификации (систему
расчета). Все эти задачи решают с помощью Систем Сетевого Управления.
54
Система управления в составе системы связи
(Основные положения развития ВСС РФ до 2005 г.)
Рис. 0.2
Основные тенденции развития систем управления
•
от частных – к стандартизованным решениям
•
от закрытых – к открытым информационно-управляющим системам
•
от автономных – к интегрированным системам управления
•
от сосредоточенных – к распределенным системам управления
Стандарты ITU-T TMN
Необходимость и цели унификации систем сетевого управления
Обеспечить совместимость* систем управления (между собой и с управляемым
оборудованием связи):
 производимого различными изготовителями оборудования (multivendor environment),
 различных поколений,
 различных технологий связи.
*
Совместимость - комплексное свойство систем, характеризуемое их способностью
взаимодействовать при функционировании (ГОСТ 34.003)
55
Стандарты ITU-T TMN - технологическая основа построения систем управления.
Описывают:
•
принципы построения
•
методология проектирования и разработки
•
эталонные архитектуры
•
•
функциональная
•
информационная
•
физическая
технические спецификации
•
интерфейсов (Q3,X)
•
функций
56
Принципы сети
Обзор
Термины и
управления
рекомендаций
определения
электросвязью
СУЭ
М.60
М.3010
Методология
М.3000
спецификации
интерфейсов
М.3020
Общая
Введение в
Возможности
информационна
службы
управления на
я модель
управления
Службы
М.3200
интерфейсе F
управления
Каталог
М.3100
управляющей
М.32ХХ
информации
М.3180
M.3300
Требования к
управления
интерфейсу X
Функции
M.3320
Протокольные
управления
профили для
интерфейса Q3
М.3400
Q.811/Q.812
Управление в
Управление
Управление
Описание
ЦСИС
транспортными
системой
интерфейса Q3
сетями
сигнализации 7
М.36ХХ
G.7XX
Q.75X
Q.821/Q.822
Рис. 0.3
Функциональные области TMN
1. Управление устранением неработоспособности (Fault Management)

централизованный сбор сигналов о неисправностях в устройствах сети, ведение
журналов неисправностей,

представление информации о неисправностях для оператора сети,

отслеживание и идентификация чередующихся отказов,

выполнение диагностических процедур и тестов,

управление процедурами восстановления отказавшего оборудования,

управление процедурами восстановления нарушенных связей.
2. Управление конфигурацией (Configuration Management)
57

непрерывный контроль текущего состояния и режимов работы устройств сети,

управление режимами маршрутизации в коммутационных устройствах сети
(кроссовых коммутаторах, коммутационных станциях, хабах),

контроль
и
управление
распределением
и
выполнением
программ
в
вычислительных машинах сети,

контроль
и
управление
состоянием
и
распределением
ресурсов
памяти
вычислительных машин сети,

контроль и управление состоянием и распределением каналов сети.
3. Управление качеством (Performance management)
Система параметров качества существенно зависит от вида предоставляемых услуг и
обычно включает группу связанных между собой нормируемых параметров. Например,
при обслуживании телефонного трафика основными рабочими характеристиками
являются:
- характеристики качества соединения (шумы, задержки, громкость и разборчивость
передаваемой речи, частотные искажения),
- характеристики доступности соединения (доля телефонных вызовов, не завершившихся
разговором по причине занятости и/или неисправности ресурсов сети).
4. Управление безопасностью (Security Management)

контроль авторизации пользователей,

поддержание нескольких уровней доступа к системе управления,

составление отчетов о сеансах работы с системой управления и попытках
неавторизованного доступа,

поддержание в системе управления информации, относящейся к управлению
безопасностью,
•
предоставление персоналу ограниченного доступа к информации по управлению
безопасностью.
5. Управление учетом и расчетами (Accounting management)

регистрация использования ресурсов в базах данных (CDR, IPDR..)

сбор, маршрутизация, выравнивание данных использования,

управление данными учета,

тарификация, скидки, начисления,

выставление счетов, контроль оплаты,

анализ, планирование
58
Функциональная блочная архитектура TMN
x
Функция
g
рабочей
m
Функция
станции
Q- адаптера
f
q
Функция
q
элемента
Функция
Функция
q
операционной
медиации
сети
системы
Cеть управления
электросвязью
Логическая уровневая + функциональная блочная архитектуры TMN
TMN A
Business Management
TMN B
OSFB
xbb
OSFB
q3bs
Service Management
OSFS
OSFN
xss
OSFS
xnn
OSFN
OSFE
q3em
Managed Resource
NEF
q3ss
OSFS
OSFE
q3em
NEF
fs
q3sn
q3nn
OSFN
q3ne
xee
fb
q3bs
q3sn
q3ne
Element management
OSFB
q3bs
q3sn
Network Management
q3bb
fn
q3ne
q3ee
OSFE
fe
q3em
NEF
59
Логическая уровневая архитектура управления TMN
Уровень
- формирование целей
управления
- постановка задач
бизнесом
- определение стратегии
развития
Уровень
- ведение
управления
договоров
- бюро ремонта
услугами
Уровень
- расчеты
- контроль/направление
трафика
управления
- формирование каналов/трактов
сетью
Уровень
управления
элементами
сети
- планирование сети
- общесетевой контроль
- общесетевая диагностика
- централизованный доступ к
оборудованию,
- централизованный сбор информации
Уровень элементов сети
60
Пример организации взаимодействия систем управления OS в TMN
TM
Уровень
OS
управления
N
бизнесом
Уровень
управления
Q
услугами
OS
Q
OS
Q
Q
Уровень
OS
управления
Q
OS
сетью
Уровень
Q
управления
Q
OS
OS
NE
NE
элементами
сети
Уровень
элементов
Q
Q
сети
Пример физической архитектуры TMN
(редакция 2000 г.)
В текущей редакции интерфейсы Q3 и Qx слились в один тип - Q.
61
Операционная
Операционн
ая система
система
X/F/Q3
X
Сеть
F
передачи
Рабочая
станция
данных
Q3/F
Медиатор
Q3
Q3
Qx
Сеть
передачи
данных
Qx
Q-
Элемент
Q-
адаптер
сети
адаптер
Qx
Элемент
сети
Архитектура «менеджер-агент» (Х.700) -основа построения интерфейсов TMN
62
Management System (OS)
MAP - Management Application Process
Manager
MAP
Прикладная программа управления
MCF - Management Communication Function
MCF
Функция управляющей связи (Протоколы
связи)
Management
Operations
Notifications
MIB - Management Information Base
База управляющей информации
MCF
Agent
MAP
Performing
Operations
Notifications
Emitted
MO
MIB
MO
MO
MO
MO
MO: Managed Object
Managed System (NE)
Other Managed System
Пример: физическая архитектура управления сетью SDH
A
Агент
М
Менеджер
ЕСС Встроенный канал управления
MCF Функция обмена сообщениями
(Протокольный стек)
MAF Прикладная функция
управления
63
Протоколы стандартных интерфейсов управления (Q,
X, F).
Взаимосвязь открытых систем и её реализация в:
ISO/OSI
Internet
К.Князев "Интернет: технологии и
перспективы"
20
Организация взаимодействия «менеджер-агент» через разные протоколы
ТфОП, ОКС-7, ...
Управляющая система
(MANAGER)
Уровни
ЭМВОС
(X.200)
7
6
5
4
CMIP
(X.711)
OMAP
(Q.750)
TCAP
(Q.773)
SNMP
(RFC_1157)
Сеансовыйый
протокол OSI
Объекты управления
(AGENT - M I B)
CMIP
(X.711)
Транспортный
протокол OSI
UDP
(RFC_768)
Транспортный
протокол OSI
1
HDLC
(LAP-B)
X.21
(G.703, ...)
SNMP
(RFC_1157)
UDP
(RFC_768)
SCCP
(Q.713)
IP
(RFC_791)
X.25
MTP-2
(Q.703)
HDLC, PPP,
Ethernet , ...
HDLC
(LAP-B)
MTP-1
(Q.702, G.703, ...)
10Base-T, ...
X.25
MTP-3
(Q.704)
2
OMAP
(Q.750)
TCAP
(Q.773)
Сеансовыйый
протокол OSI
SCCP
(Q.713)
3
LAN, MAN, WAN, ...
MTP-3
(Q.704)
X.21
(G.703, ...)
IP
(RFC_791)
MTP-2
(Q.703)
HDLC, PPP,
Ethernet , ...
MTP-1
(Q.702, G.703, ...)
10Base-T, ...
64
Среда передачи (медь, оптика, радио-, ...
Интерфейс = Протоколы + Информационная модель
Информационная архитектура управления в ISO/OSI и TMN
1. GDMO - guidelines for definition of managed objects - язык определения объектов
управления

Рекомендации МСЭ-Т Х.720, Х.722

Определяет объектно-ориентированную модель данных управления
(класс объекта -> экземпляр -> атрибуты)
2. ASN.1 - abstract syntax notation #1 - нотация абстрактного синтаксиса

Рекомендация МСЭ-Т Х.208 (Х.680)

Определяет машинно-независимый способ описания данных
3. BER - basic encoding rules - базовые правила кодирования

Рекомендация МСЭ-Т Х.209

Определяет
способ физического представления данных ASN.1 в
протокольных блоках данных
Информационная модель управления в Интернет
1. SMI - Structure of management information - структура управляющей информации аналог GDMO, но много проще, НЕ объектно-ориентированное описание объектов,
простое текстовое представление

Стандарт IETF STD-058 (=RFC 2578)
2. Базы управляющей информации MIB в стандартах Internet состоят из дерева атрибутов,
называемых объектами и группами объектов
3. Стандартные MIB Интернета ориентированы на маршрутизаторы, коммутаторы, мосты,
модемы,…
65
Информационная технология CORBA в сетевом управлении
Применение CORBA в TMN
1. Не зависит от конкретного языка программирования и операционной системы
ЭВМ
2. Универсальная архитектура связи распределенных объектных программных
комплексов (middleware)
3. Наиболее совершенно реализует парадигму «клиент-сервер»
4. Включает эффективный механизм описания интерфейсов связи объектов (IDL –
язык описания интерфейсов)
5. Описана в спецификациях промышленного консорциума OMG
Программа клиент
Программа сервер
Интерфейс
IDL
Интерфейс
IDL
ORB (Брокер)
Информационная технология CORBA в сетевом управлении
Активно развивается в рамках TMN в последние годы:
Q.816. CORBA Based TMN Services (Услуги управления)
Х.780. TMN Guidelines for Defining CORBA Managed Objects
(Правила определения управляемых объектов)
М.3120. CORBA Generic Network and Network Element Information
Model (Общая информационная модель управления)
Программа
- клиент
(Агент)
Программа
- сервер
(Менеджер)
Интерфейс
IDL
Интерфейс
IDL
GIOP
GIOP
IIOP
Сеть
TCP/IP
IIOP
Служебные
серверы
(Справочник,
события...)
66
Современные системы управления элементами сети
Основные свойства:

Диктуются изготовителями оборудования связи

Адаптированы к конкретному оборудованию

Обычно базируются на нестандартных интерфейсах (proprietary)

Обычно реализуются в «консольном» варианте или варианте с графическим
терминалом (PC/Windows)

Реализуют «прямой» доступ ко всем функциям, режимам работы и данным
оборудования

Могут
обеспечивать
индивидуальный
и/или
централизованный
доступ
к
устройствам
67
Часть 8. ATM
Концептуальные основы АТМ
Рис.1. Спектр технологий коммутации
На рис.1 представлен спектр технологий коммутации. Из него видно, что режимы
передачи, располагающиеся в центре оси, являются наиболее оптимальными в смысле
сложности реализации и возможности работы с переменными скоростями, т.е.
представляют "золотую середину". Системы быстрой коммутации пакетов охватывают
несколько альтернатив, все они представляют пакетную коммутацию с минимальным
набором функций, реализуемых сетью. Наиболее известной сегодня разновидностью
является АТМ - асинхронный режим передачи, которому и будет посвящен данный
материал. Акроним "асинхронный" означает, что реализуется асинхронное
взаимодействие между тактовой частотой передатчика и приемника. Разница между этими
частотами сглаживается за счет вставки\удаления пустых\неассоциированных пакетов в
информационный поток, т.е. пакетов, не содержащих полезной информации.
Главное достоинство режимов, расположенных в середине оси, в том, что они
предоставляют возможность передачи любых видов служб независимо от того, какую
скорость они требуют, требований качества и импульсивности трафика.
Действительно, режим коммутации каналов приспособлен для работы на постоянной
скорости передачи (имеется в виду, конечно, цифровая передача), и не допускается
никаких всплесков нагрузки. Если же пользователь все же генерирует в какой-то момент
более интенсивный поток данных, то он все равно при входе в систему будет ограничен
скоростью работы системы, естественно, с потерей качества. С другой стороны, система
пакетной коммутации очень хорошо может работать с переменной скоростью передачи,
68
не ограничивая в принципе абонента по скорости (за исключением того, что поток от
абонента физически не может пройти по имеющимся каналам из-за ограниченной
пропускной способности линий связи), однако, механизмы реализации этого режима
слишком сложны и технология коммутации такова, что не все виды сервиса можно с ее
помощью обслужить, поскольку задержка передачи данных произвольная, чего нельзя
допускать при передаче некоторых типов сигналов, например, видеосигнала. Как можно
заключить из рис.1 технология АТМ вобрала в себя достоинства систем, расположенных
на обоих краях оси, правда, не избежала и некоторых присущих им обоим недостатков.
Например, статистическое уплотнение соединений в линии выполняется менее
эффективно, чем в системе классической пакетной коммутации. Это выражается в том,
что если абонент заказал пропускную способность для своего соединения, но фактически
ею не пользуется, то она не может быть предоставлена под вновь устанавливаемое
соединение - система считает, что абонент может начать ее использовать в любой момент,
и, поэтому, не может установить еще одно соединение под уже заказанные, но
неиспользуемые ресурсы. В этом есть нечто от системы коммутации каналов. Правда, в
отличие от последней, неиспользуемые в описываемом случае ресурсы системы могут
отводиться под уже установленные соединения, чего нет в коммутации каналов. Однако
преимущества системы АТМ, выражающиеся в способности передавать трафик любого
типа с гарантированным качеством, перевешивают некоторые недостатки. Эти
преимущества были главными для МККТТ, чтобы определить АТМ как режим передачи
будущих широкополосных сетей. Внедрение технологии АТМ позволит добиться
следующих преимуществ.



Гибкость. Развитие систем кодирования и сжатия данных приводит к уменьшению
требований по скорости передачи. В будущем, возможно, возникнут новые службы
с новыми требованиями. Все эти изменения не потребуют модификации сети АТМ
и не приведут к ухудшению использования каналов.
Эффективное распределение ресурсов. Все доступные ресурсы сети могут
использоваться всеми службами с оптимальным статистическим разделением. Не
предусматривается никаких специализаций ресурсов по видам служб. Здесь
имеется в виду более эффективное распределение по сравнению с наиболее
распространенными сегодня системами коммутации каналов. Конечно, система
Х.25 или TCP/IP распределяют ресурсы более эффективно, но в ущерб качеству.
Единая универсальная сеть. Поскольку требуется разработать и поддерживать
только одну сеть, то полная стоимость системы может быть меньше, чем
суммарная стоимость всех существующих сетей.
Итак, перечислив главные достоинства универсальной сети, перейдем непосредственно к
рассмотрению основ построения АТМ.
69
Никакой защиты от ошибок и процедур управления потоком на
участках между узлами
В случае, если на какой-либо линии между узлами или между пользователем и сетью
возникают ошибки, или линия временно перегружена, что вызывает отбрасывание
пакетов, в узле не предпринимается никаких действий для исправления возникающих
сбоев (например, запросов на повторные передачи ошибочных пакетов). Процедуры
защиты от ошибок на канале можно убрать из-за того, что каналы в сети очень высокого
качества. По этой причине невозможно использовать в сети АТМ аналоговые каналы,
поскольку на них никогда нельзя добиться такого низкого уровня ошибок, при котором из
сети можно было бы выкинуть эти функции. Приемлемым для АТМ является канал,
уровень ошибок на котором не выше 10-8. Что касается ошибок, вызванных потерей
данных в узлах коммутации, то вероятность таких событий удерживается на допустимом
уровне за счет очень точного резервирования ресурсов системы под каждый абонентский
поток. Системы управления потоком также не реализуются. Разумеется, необходимо както распределять ресурсы между пользователями, и в данном случае это делается с
помощью анализа количества незанятой пропускной способности каналов и последующем
статистическом прогнозе о длине очередей пакетов на доступ к каналу. Эти вероятные
размеры очередей не должны будут выйти за пределы имеющейся у узла памяти. Все это
позволяет обеспечивать заданную частость переполнений памяти, вызывающих потери
пакетов. В результате вполне достижимой оказывается величина вероятности потери
пакета на уровне 10-8-10-12.
Уже говорилось, что ошибки при передаче и при переполнении памяти приводят к
потерям различного рода - простые поражения битов данных, потери пакетов и вставки
пакетов. Поражения единичных битов связаны, как правило, с шумами в канале и с
рассинхронизацией. В сетях коммутации каналов не предпринимается никаких действий
внутри сети для исправления таких ошибок, тогда как в классической пакетной
коммутации вводится механизм повторных передач. В системе АТМ как и в телефонной
сети все проблемы по устранению подобных ошибок перекладываются на плечи абонента,
т.е. на протокол из конца в конец.
Ошибки типа вставки и потери пакетов связаны с ошибками, наложившимися на
заголовок данных, что типично для всех пакетных сетей. В сети АТМ предпринимаются
некоторые действия по исправлению подобных ошибок, но делается это по совершенно
другому принципу, чем в обычных пакетных сетях. Так, если в пакетных сетях все это
можно исправить с помощью повторной передачи недоставленных пакетов, то в сети
АТМ этого делать уже нельзя, поскольку каждый переспрос данных вызовет большую
задержку передачи, которая в общем случае недопустима. Поэтому вводится система
кодирования с исправлением ошибок, но только по отношению к заголовку пакетов.
Восстановление потерянных вследствие переполнений памяти пакетов здесь не
производится, но зато реализуются некоторые превентивные действия по минимизации
самой возможности такого переполнения, основаннные на том, что на этапе установления
соединения проверяется, имеется ли в наличии достаточное количество ресурсов сети.
Конечно, невозможно заранее предсказать, какой интенсивности поток будет исходить от
абонента в течение всего времени соединения, и, поэтому, потери пакетов достаточно
типичны для сетей АТМ в силу того, что у сети нет средств по управлению абонентским
потоком, однако величину этих потерь удается удерживать в допустимых пределах за счет
того, что система работает по принципу ориентации на соединения (connection-oriented).
Это значит, что перед началом обмена данными проводится этап установления
соединения, в котором можно оговорить допустимые параметры трафика. Управление
70
абонентским потоком реализовать достаточно сложно, поскольку это требует
оперативного обмена служебной информацией непосредственно во время передачи
данных и обработка этой информации будет требовать времени и вносить задержку. Хотя,
в форматах пакетов АТМ, которые мы будем рассматривать ниже, предусмотрена
возможность для вставки в них такой служебной информации, но сама процедура пока не
реализована.
Перед тем, как начать передачу данных, выполняется фаза установления соединения, во
время которой в сети отводятся под это соединение определенные ресурсы. Если
необходимых ресурсов в системе нет, соединение получает отказ. По этой причине
вероятность переполнения памяти в узле, а значит, вероятность потерь пакетов,
удерживается на очень низком уровне - 10-8-10-12. По окончании соединения ресурсы
возвращаются в систему. Это позволяет системе гарантировать минимальный уровень
потерь пакетов и, соответственно, максимальное качество. При этом под соединение
отводится не жесткое значение пропускной способности, а статистические значения, т.е.
среднее и максимальное значение потока. Поэтому вероятность переполнения памяти всетаки присутствует.
Ограничение функций обработки заголовка
Для того, чтобы обеспечивать быструю обработку пакетов, их заголовок должен быть
относительно коротким. Основная функция заголовка сводится к идентификации
виртуального соединения (в это понятие здесь вкладывается точно такой же смысл, как и
в сетях Х.25). Как и в Х.25 производится мультиплексирование многих виртуальных
соединений в одной линии. Последствием поражения заголовка ошибкой будет неверная
маршрутизация пакета - т.е. однократная ошибка приведет к потере всего пакета. Это
можно расценить как ситуацию, когда в пакете оказался ошибочным каждый бит. Для
того, чтобы уменьшить эту вероятность вводится механизм защиты заголовка по
принципу обнаружения или исправления ошибок (ранее говорилось, что защиты от
ошибок нет, но имелось в виду, что нет защиты от ошибок поля данных).
В случае, если бы не выполнялось защиты от ошибок в заголовке, то, во-первых, данный
пакет не был бы доставлен получателю, т.е. имело бы место пропадание пакета в данном
виртуальном соединении, а, во-вторых, этот пакет был бы доставлен не тому получателю,
у которого произошла бы вставка лишнего пакета. Иначе говоря, в этом случае
однократная ошибка вызвала бы две ошибки типа вставки и выпадения пакета. Если мы
введем в заголовок функцию обнаружения ошибок, т.е. отбрасывания пакета при
наложении ошибки на заголовок, то он не будет доставлен не тому получателю, а только
отброшен. Следовательно, ошибка вызовет только одну потерю. Если же ввести в
заголовок функцию исправления ошибок, то ошибок типа выпадений и вставок по
причине искажений бит уже не будет. Именно на этом принципе остановились
разработчики процедуры АТМ. Все было бы хорошо, если бы на заголовок не могла
наложиться множественная ошибка, т.е. если много бит в заголовке оказались поражены.
Уже говорилось о том, что большинство ошибок либо одиночные, либо пакетные, т.е.
множественные. Единичные ошибки можно исправить помехозащитным кодом. Пакетную
ошибку исправить гораздо труднее, и это требует значительной избыточности. С другой
стороны, маловероятно, что пакетная ошибка поразила только заголовок - скорее всего
поражены также и информационные биты. Поэтому, исправлять их в заголовке
бесполезно. Это значит, что если ввести функцию исправления однократной ошибки, то
это решит большинство связанных с этим проблем. По этой причине в системе АТМ был
введен оригинальный адаптивный метод коррекции ошибок (рис. 2). Его суть состоит в
следующем. В нормальном режиме, т.е. когда ошибок нет, заголовок обрабатывается в
71
режиме коррекции однократных ошибок. В случае, если система обнаружила ошибку и
исправила ее исходя из возможностей исправления только одной ошибки, то она сразу
переходит в режим обнаружения (но не исправления) ошибок. Это сделано для того, что в
том случае, если ошибка была пакетная (а это значит, что исправление было
неправильным), только этот первый пакет прошел дальше в сеть с искаженным
заголовком - все последующие пакеты, в которых обнаружена ошибка, будут уничтожены.
Если же ошибка была все-таки однократная, то следующий пакет скорее всего будет
безошибочным, что и отметит механизм обнаружения и вернется в режим с коррекцией
ошибок. Это значит, что после первого исправления ошибок, отбрасываться будут только
следующие друг за другом искаженные пакеты.
Рис. 2. Адаптивный мехпнизм обнаружения/исправления ошибок в заголовке пакета
Помимо перечисленного на заголовок накладывается еще очень ограниченный набор
функций, связанных с эксплуатацией соединений. Все остальные функции заголовка,
имеющиеся в классической пакетной коммутации изъяты. Благодаря этому имеется
возможность тратить на обработку одного пакета очень мало времени и работать с
большими скоростями.
Для того, чтобы уменьшить размеры памяти в узлах и ограничить время ожидания
пакетов в очередях, поле информации пакета сравнительно мало. В самом деле, малый
объем буфера означает малое время ожидания и небольшие флуктуации этого времени.
Размер поля информации
Уже говорилось, что размер поля данных в пакетах АТМ должен быть достаточно
маленьким. Однако, необходимо было определить, какой именно. Прежде всего дебаты
разгорелись вокруг вопроса, делать ли пакет переменной или постоянной длины. Первым
предложением было сделать пакеты фиксированной длины размером всего 16 байт. На
самом деле как у переменной, так и у постоянной длины есть свои выгоды и недостатки.
При этом исходили из оценки эффективности использования канала, затрат на
коммутацию, сложности реализации и задержки.
Ясно, что с точки зрения использования канала переменная длина пакета
предпочтительнее, поскольку если сообщение короткое или его длина не кратна
фиксированному размеру пакета, то потребуется дополнять последний пакет до полного
объема, на что уходит пропускная способность. Кроме того, при постоянной длине пакета
придется вводить дополнительные функции в заголовок данных для того, чтобы
определять, где именно в составе пакета кончаются пользовательские данные и
начинаются биты заполнения (впрочем, это можно делать и на более высоком уровне).
72
С другой стороны, чем длиннее сообщение, тем это преимущество переменной длины
менее заметно, поскольку доля вносимой избыточности становится малой по сравнению с
пользовательскими данными - ведь дополнять объем поля данных до фиксированного
размера придется только последнему пакету. Если же пакет переменной длины, то все
равно придется вносить особые функции в заголовок с целью определения границ пакета
наподобие того, как это делается в процедуре HDLC. Тем более, что все равно нужно както ограничивать максимальную длину - нельзя же допускать размер пакета, исчисляемый
килобайтами!
В целом можно сказать, что с точки зрения эффективности использования канала
переменная длина пакета выгоднее, чем постоянная, правда, очень незначительно.
Что касается затрат на коммутацию, и сложности реализации, то на это влияют два
основных фактора: скорость обработки данных и требования по размеру памяти.
Скорость обработки зависит от объема операций и времени, отводимой на это. Одной из
важных функций системы АТМ является обработка заголовка. Предположим, что
заголовок обрабатывается независимо от того, используется ли переменная или
постоянная длина пакета. Для того, чтобы работать в реальном времени, необходимо
успеть обработать заголовок пакета за время приема следующего пакета. Если система
рассчитана на работу со скоростью 150 Мбит/сек, то при длине пакета 53 байта это время
составит 2.8 мксек. Если же представить себе систему с переменной длиной пакета, то
ориентироваться по скорости обработки нужно на наихудший случай, т.е. когда пакет
имеет минимальную длину, например, 10 байт. В этом случае при той же скорости
заголовок должен быть полностью обработан за 533 наносекунды, т.е. требования по
быстродействию значительно ужесточаются.
Что касается требований по управлению памятью, то в случае фиксированной длины
пакета резервировать память гораздо проще. В случае переменной длины, резервировать
память пришлось бы в расчете на максимальную длину, что менее производительно и
экономно, или же динамически резервировать память побайтно, что значительно сложнее.
В отношении задержки можно сказать, что она напрямую зависит от длины пакета, и эта
длина не может быть очень большой, поскольку в противном случае задержки передачи
возрастают. Действительно, когда поток битов от пользователя поступает в сеть, то при
формировании пакета первый бит должен ждать, пока придет последний, и только когда
объем накопленной информации будет достаточным для заполнения пакета, он будет
отправлен в канал. Следовательно, чем больше пакет, тем дольше будет информация
ожидать в передатчике момента начала передачи. Поэтому при больших длинах пакетов
становится проблематичной передача видео и голоса. Поэтому, даже, если и делать
пакеты переменной длины, она сможет варьироваться в очень узких пределах.
Таким образом, преимущества переменной длины пакета над постоянной ничтожны, и в
результате МККТТ остановился на принятии пакетов фиксированной длины. Ввиду этого
возникла необходимость называть этот блок данных по-другому, поскольку
существующее слово "пакет" означает блок данных произвольной длины. Остановились
на слове "cell" , что в дословном переводе означает "ячейка". Однако, поскольку мне не
попадались официальные переводы соответствующих документов на русский язык,
которых может быть и не существует, я не возьму на себя смелость давать
самостоятельный невыверенный перевод этого слова и в дальнейшем изложении буду
называть его в английской транскрипции - СЕЛЛ.
73
Когда МККТТ выбирал конкретное значение длины селла, то при этом принималась во
внимание использование канала, задержка передачи и сложность реализации. С точки
зрения использования канала лучше сделать селл побольше, т.к. при этом доля служебной
информации - заголовки - уменьшается, однако, чем больше длина селла, тем больше
задержка в сети. Далее, чем больше длина селла, тем больше времени у системы на
обработку заголовка, что упрощает построение коммутатора, но при этом ему требуется
большая память, которая чем больше, тем медленнее. Все дебаты по выбору длины селла
вращались вокруг диапазона между 32 и 64 байтами.
На задержку коммутации влияет во многом соотношение между длиной заголовка и
длиной поля данных. Эта зависимость представлена на рис.3. Расчеты производились
исходя из скорости каналов в 150 Мбит/сек. По оси абсцисс отложено отношение длины
поля данных к длине заголовка. Попробуем физически объяснить поведение этих
графиков.
При росте длины поля L увеличивается время обслуживания селлов в очереди, т.е.
увеличивается задержка. Это происходит потому, что требуется больше времени для
считывания данных из очереди и записи в нее. С другой стороны, при очень маленьких
значениях L время обработки увеличивается из-за того, что селлов становится очень
много, и объем заголовка относительно возрастает, следовательно, возрастает и время
обслуживания, поскольку нужно изучить много таких заголовков.
В результате долгих дебатов, когда обсуждалось два предложения - сделать поле данных
селла 32 или 64 байта, было принято решение выбрать середину - 48 байт, на которые
накладываются еще пять байт заголовка - итого 53 байта.
Рис. 3. Зависимость задержки в очереди от соотношения длин поля данных и заголовка
пакета при различных значениях нагрузки
74
Процедура обработки заголовка
Уже говорилось, что основной характеристикой АТМ является ограничение функций
системы по обработке заголовка. Основой этого является то, что АТМ - это
принципиально система, ориентированная на предварительное установление соединения как и Х.25. Значит, не нужно в каждом селле анализировать адреса абонентов. Каждое
соединение, как и в Х.25 идентифицируется уникальным номером. В системе отсутствует
защита от ошибок, которая вынесена на процедуру из конца в конец и реализуется в
рамках пользовательской службы (если это требуется). Отсутствует также механизм
управления потоком. Таким образом, основной функцией заголовка остается только
анализ идентификатора виртуального соединения и маршрутизация в соответствии с ним.
Для этой цели имеется два раздельных идентификатора - идентификатор виртуального
канала (virtual channel identifier - VCI) и идентификатор виртуального пути (virtual path
identifier - VPI). При этом VCI определяет динамически создаваемые соединения, а VPI статически создаваемые. Под идентификатор VCI в формате заголовка отводится 16 бит.
Присвоение VCI выполняется на этапе установления соединения, и этот номер, так же, как
и логические каналы в системе Х.25, меняются от участка к участку. Может показаться
странным: зачем вводить два разных идентификатора для одного и того же соединения.
Дело в том, что при проектировании технологии АТМ предполагалось, что в рамках
одного сеанса связи можно делать несколько различных соединений. Например, при
телевещании по одному VCI можно передавать видеосигнал, а по другому - звук. Можно
привести еще множество примеров такого рода. Кроме того, при необходимости можно в
рамках одного сеанса устанавливать новые соединения, например, если два абонента во
время разговора хотят обменяться факсами или файлами данных. Таким образом, в рамках
абонентского соединения можно оперативно создавать и убирать виртуальные каналы, т.е.
регулировать пропускную способность. Поэтому VC являются динамическими. Впрочем,
процедура динамического создания VC в рамках соединения до сих пор не описана с
точки зрения управления. Пока это только теоретическая возможность. Более того,
существующие сегодня узлы коммутации устанавливают все свои соединения только по
единственному виртуальному пути - VPI=0. Это значит, что фактически для
идентификации соединений используется только один идентификатор - номер
виртуального канала. Это значит, что между парой абонентов, конечно, можно установить
более одного соединения, но с точки зрения сети это будут совершенно не связанные друг
с другом соединения. Другими словами, современные узлы коммутации являются
коммутаторами VC, а не VP.
На рис. 4 приведен самый общий пример установления виртуального пути между
пользователем А и пользователем С, в рамках которого организуется 2 индивидуальных
соединения, каждый со своим номером VC. Из рисунка видно, что номер пути и номер
канала меняется от участка к участку (как логические каналы в Х.25). Итак, пользователи
А и В соединены каналами 1, 2 и 3, а пользователи А и С - каналами 3 и 4. Заметим, что
канал №3 присутствует в двух виртуальных путях, однако они не путаются т.к. они
относятся к разным виртуальным путям. При едином для всех номере виртуального пути
номера виртуальных каналов не могли бы совпадать. Под идентификатор виртуального
пути в заголовке селла отводится от 8 до 12 бит, что позволяет создавать на участке до 256
или до 4096 путей, каждый из которых "набирается" из виртуальных каналов.
75
Рис. 4. Понятие VPI в сети АТМ
Еще одной функцией заголовка является разделение логических соединений по
приоритетам. Приоритет означает, что на некоторые селлы допускается большая
вероятность потери, чем на остальные. Приоритеты могут задаваться на виртуальный
канал, или же на каждый селл в отдельности.
Ясно, что отсутствие приоритетов гарантирует лучшее разделение ресурсов, чем
приоритетная система, но не позволяет делать различия между службами с разной
чувствительностью к прозрачности сети.
Для функций эксплуатации сети и мониторинга соединений используются несколько
дополнительных бит заголовка. Естественно, встает вопрос о разделении
информационных селлов и селлов управления. Делается это с помощью специальных
битов заголовка, называющихся "идентификатор типа поля данных" - Payload Type
Identifier - PTI. С его помощью в абонентский поток данных можно вставлять селлы
управления, которые обрабатываются сетью как обычные, но они содержат служебную
информацию - например, такой служебный селл может добавляться пользовательской
службой на передаче и содержать в себе проверочную последовательность для контроля
ошибок предшествующих селлов. Кроме того, они могут содержать всякого рода
тестовую информацию.
Принципы синхронизации в АТМ
В любой пакетной системе приемник должен иметь возможность определять границы
пакета. Например, в системе HDLC, где разрешается прохождение кадров переменной
длины, границы кадра задаются с помощью флагов. Для гарантирования того, чтобы не
произошло ложное обнаружение границ, вводится процедура бит-стаффинга. Такую же
систему можно было бы включить и в сеть АТМ, но на высоких скоростях процедура битстаффинга нежелательна. Однако, ввиду постоянства длины селлов, возможны другие
механизмы определения границ. Было предложено несколько вариантов такого алгоритма;
мы рассмотрим тот, который был принят МККТТ.
76
Рис. 5. Диаграмма состояний для определения границ селла
На рис. 5 представлена диаграмма состояний приемника в смысле выявления границ
селла. Устройство может находиться в одном из трех состояний - синхронизм,
предсинхронизм и рассинхронизм. В состоянии рассинхронизма система находится в
первоначальный момент времени, когда процесс синхронизации еще не начался, и тогда,
когда синхронизм потерян. В этом состоянии приемник просматривает канал на предмет
обнаружения правильного селла. Когда он обнаружен, система переходит в состояние
предсинхронизма и находится в нем до тех пор, пока не будет выявлено определенное
количество правильно принятых подряд селлов, после чего считается, что синхронизм
установлен. Переход в состояние рассинхронизма из синхронного состояния происходит в
момент, когда границу селла не удалось выявить несколько раз подряд, после чего
процесс начинается заново. Как же происходит выявление границы селла? Этот процесс
основан на том, что в составе заголовка каждого селла присутствует проверочный байт, с
помощью которого осуществляется защита от ошибок бит заголовка, о чем уже
говорилось выше. В состоянии рассинхронизма система просматривает входной поток бит
за битом, байт за байтом до тех пор, пока не будет обнаружено совпадение проверочной
последовательности. Дело в том, что заголовок селла состоит из пяти байт, последний из
которых содержит проверочную последовательность. Приемник, записав четыре байта, на
основании следующего - пятого оценивает, соответствует ли последовательность в этом
пятом байте значению предыдущих четырех. Если соответствует, то это значит, что
скорее всего это и есть заголовок селла, т.к. пятый бит является линейной комбинацией
первых четырех. В этот момент приемник входит в состояние предсинхронизма.
Поскольку известна длина каждого селла - 53 байта, то система отсчитает еще 48 байт и
после этого вновь примется анализировать соответствие четырех последующих байт
пятому и т.д. Когда такая ситуация произойдет n раз подряд, будет принято решение о
том, что синхронизм достигнут и система перейдет в соответствующее состояние. Выход
из синхронного состояния происходит в случае, если m раз подряд значение заголовка
селла не совпадет со значением проверочного полинома.
Вследствие злонамеренных или непреднамеренных действий может получиться так, что
поле информации в селле точно повторяет корректный заголовок, из-за чего период
вхождения в синхронизм может сильно увеличиться. Для того, чтобы защититься от этого,
в систему на передаче добавляется скремблер, который преобразует информацию
пользователя к виду, близкому к псевдослучайной последовательности, т.е. убирает
статистическую зависимость бит данных друг от друга.
77
Таким образом, мы видим, что прямая связь между передатчиком и приемником в смысле
синхронности отсутствует - приемник настраивается по входному полезному сигналу. Это
значит, что не требуется передача специального синхросигнала от источника до
получателя. Этим и объясняется термин "асинхронный" в названии режима передачи.
Разумеется, система не может работать так, чтобы заставлять пользователя все время
посылать какую-то информацию. Передатчик всегда имеет возможность остановиться,
если передавать больше нечего. Не произойдет ли выход из синхронизма, если нет данных
для передачи? Не произойдет, причем за счет того, что передатчик всегда заполняет паузы
абонентского трафика специальными "пустыми" селлами, не содержащими полезной
информации, но также состоящими из 53 байт с корректным заголовком. Конечно, в поле
PTI, о котором недавно говорилось, будет указано на то, что этот селл "пустой" и его не
нужно отправлять приемнику.
Структура стека протоколов АТМ
В начале нашего курса говорилось о том, что модель ВОС очень удачна и широко
используется для моделирования всех видов коммуникационных систем. МККТТ в
рекомендации I.321 описал логическую иерархию широкополосной системы АТМ, однако
в ней приведено только описание нижних уровней. Полностью соответствие АТМ и
модели ВОС еще не приведено, поэтому придется ограничиться неофициальным взглядом
на это.
Модель предполагает использование концепции нескольких плоскостей для разделения
пользовательских функций, функций управления и контроля. Структура такой
плоскостной модели приведена на рис. 6 и содержит эти три плоскости: пользовательскую
- для передачи абонентской информации, плоскость контроля - для передачи информации
сигнализации и плоскость управления - для системы эксплуатации сети и реализации
операторских функций. Кроме того добавлено третье измерение в структуре, называемое
управлением плоскостями, которое отвечает за управление системой в целом. Впрочем,
поскольку технология АТМ находится еще в стадии становления, очень много функций
управления до сих пор не стандартизированы.
Рис. 6. Модель стека протоколов в сети АТМ
Как видно из рисунка, каждая плоскость охватывает несколько уровней модели, причем
уровни, как и положено, функционируют независимо друг от друга и общаются между
собой стандартными протокольными блоками. Взаимосвязь уровней АТМ и уровней
78
модели ВОС пока не описано в МККТТ, но можно умозрительно установить такую
взаимосвязь: физический уровень более или менее совпадает по функциям с первым
уровнем модели ВОС и занимается обработкой потока бит. Уровень АТМ располагается в
нижней части второго уровня стандартной модели. Уровень адаптации АТМ - АТМ
adaptation layer - AAL - выполняет задачи приспособления протоколов верхних уровней,
неважно, пользовательской или сигнальной информации, к селлам АТМ фиксированной
длины. Для плоскости контроля информация сигнализации эквивалентна нижней части
второго уровня ВОС, а пользовательская плоскость больше приложима к нижней части
транспортного уровня, поскольку адаптация пользовательских данных выполняется из
конца в конец между абонентскими установками. Функции системы можно разделить
между уровнями АТМ так, как представлено на рис. 7. Физический уровень отвечает за
передачу бит/селлов, уровень АТМ занимается коммутацией и маршрутизацией, а также
мультиплексированием информации AAL (ATM adaptation layer), который в свою очередь
отвечает за привязку пользовательских данных к потоку селлов, причем эта привязка для
различных типов служб может делаться по-разному.
Эти три уровня в свою очередь делятся на подуровни, каждый из которых также реализует
свои функции.
Рис. 7. Схема функций различных подуровней модели
Физический уровень
Физический уровень состоит из подуровня физической среды и подуровня конвергенции,
т.е. "подтягивания" вида передаваемых данных к виду, удобному для передачи по
каналам. Подуровень физической среды отвечает за корректную передачу и прием битов
по каналу. Иначе говоря, с его помощью осуществляется ввод потока данных в канал
связи. Кроме того, этот уровень выполняет битовую синхронизацию на канале (отметим,
что битовая синхронизация на канале никак не связана с синхронизацией селлов, о
которой говорилось выше - селл может быть выдан в канал в произвольный момент
времени, т.е. битовая синхронизация присутствует в любой системе, а кадровая
синхронизация может отсутствовать).
79
Подуровень конвергенции в первую очередь выполняет адаптацию к системе передачи,
например, это может быть система 8В/10В или SONET. Это значит, что этот подуровень
выполняет функции формирования той информационной структуры, которая
соответствует системе передачи. Например, здесь осуществляется вкладывание потока
селлов в кадры SONET или 8В/10 и формирование самих этих кадров. На приеме
производится изъятие селлов из кадров и кроме того, на этом подуровне осуществляется
помехозащита заголовка селлов, соответственно, на нем лежит и функция селловой
синхронизации, поскольку, как уже говорилось, она неотделима от системы кодирования
заголовка. Помимо синхронизации, здесь также выполняются все функции, связанные с
обработкой ошибок в заголовке. Все это означает, что здесь выполняются некоторые
функции по формированию селлов - добавление в заголовок проверочного байта.
Раз здесь реализуется синхронизация селлов, то здесь же должен выполняться механизм
вставки и изъятия "пустых" селлов, которые, как уже говорилось, нужны для того, чтобы
не образовывалось пауз в потоке.
Уровень АТМ
Работа уровня АТМ полностью независима от работы физического уровня, который
выдает селлы, проверенные по заголовкам и готовые к маршрутизации. Соответственно,
основными функциями уровня АТМ является мультиплексирование потока селлов из
разных виртуальных путей в один канал для передачи, необходимые преобразования
заголовков, например, переназначение номера виртуального пути при переходе с участка
на участок, также выполняются некоторые функции управления на основании поля PTI в
заголовке селла, а также формирование и изъятие заголовка.
Уровень адаптации АТМ
Уровень AAL обеспечивает связку сервиса, поставляемого уровнем АТМ с
пользовательскими уровнями. На нем лежит реализация функций пользовательской
плоскости, плоскости контроля и управления. Поскольку системой могут пользоваться
различные службы, то и вариантов реализации уровня AAL также несколько, и они
зависят от потребностей служб.
В целом уровень AAL разделяется на два подуровня - подуровень сборки/разборки селлов
и подуровень конвергенции ("подтягивания"). Функции подуровня сборки/разборки
достаточно прозрачны и состоят в "нарезке" входной информации на части, годные для
вставления в селл и обратное преобразование на приеме. Подуровень конвергенции
выполняет функции идентификации сообщений, синхронизации абонентских установок
(если соответствующая служба этого требует) и т.д. В тех случаях, когда условия работы
сети АТМ пользователя устраивают, т.е. не требуется синхронизации абонентских
установок и параметры качества сети (задержки и уровень ошибок) пользователя
устраивает, этот подуровень может быть пропущен. В настоящее время организациями по
стандартизации определено пять способов реализации уровня AAL, каждый из которых
предназначен для поддержки своего типа службы. Об этом будет подробно рассказано в
главе 6.
80
Форматы АТМ
На рис.8 представлена структура формата селла АТМ на стыке "пользователь-сеть".
Внутрисетевой формат селла показан на рис.9. Как видим, в обоих случаях размер селла
остается постоянным - 53 байта, а размер заголовка 5 байт. Различие только в том, что
внутри сети в формате отсутствует поле GFC - общее управление потоком. За счет него
увеличивается размер поля VPI - вместо 8 байт оно становится равным 12 байт.
Рис. 8. Структура селла АТМ на входе в сеть. GFC - обобщенное управление потоком;
Рис. 9. Структура заголовка селла АТМ на интерфейсе NNI
Поле данных селла, составляющее 48 байт, заполняется на уровне АТМ информацией
верхних уровней и в процессе передачи данных никак не анализируется и не изменяется
сетью. Заметим, что речь в этом смысле идет только о селлах, содержащих
пользовательские данные. Когда идет процесс управления соединением или передача
другой служебной информации, например, обмен маршрутными таблицами между
узлами, конечно, содержимое селла анализируется, но это уже служебные данные.
Уровень АТМ создает заголовок к каждому селлу и добавляет его к пользовательской
информации. Соответственно, на приеме заголовок анализируется и отбрасывается.
Между селлами в канале нет никаких промежутков или разделительных бит - они следуют
друг за другом сплошным потоком.
Поле данных пользователя никак не участвует в работе сети и сейчас нам не интересно.
Поле GFC - общее управление потоком занимает первые 4 бита в первом байте заголовка
и предусмотрено для управления потоком на участке между пользователем и сетью. На
сегодня его функции спецификациями не определены. В будущем с его помощью
планируется более тщательно, чем сегодня управлять потоком данных. Так, сейчас у сети
нет никаких способов воздействия на абонента в случаях, когда он работает не по
правилам, т.е. нарушает соглашения, установленные в процессе установления соединения.
Единственное, что может делать сеть (и она это делает), это отбрасывать селлы в случае,
когда скорость передачи данных не соответствует условленной. Напомним, что такое
превышение будет чревато для сети тем, что память узлов будет переполняться, что
81
вызовет рост задержек передачи других потоков, а сеть им уже дала свои обязательства по
качеству обслуживания.
Когда функция управления потоком будет реализована, то сеть сможет притормаживать
абонента с тем, чтобы, хоть и с некоторой задержкой, но передать пользовательские
данные, и с тем, чтобы указать абоненту на его неправомочные действия.
Номера виртуальных каналов и виртуальных путей
В предыдущем подразделе мы уже касались назначения полей идентификаторов
виртуального пути и виртуального канала.
На стыке с сетью согласно форматам можно установить не более 256 виртуальных путей,
каждый из которых может содержать до 65536 виртуальных каналов, что в сумме дает
более 16 миллионов соединений. Напомним, что пока работа ведется только по одному
виртуальному пути, и, поэтому, число возможных соединений ограничено 65536
соединениями. Внутри сети на каждом межузловом участке может одновременно
проходить до 4095 виртуальных путей. Такое расширение может быть нужно, поскольку
по одному каналу могут проходить соединения от очень многих абонентов, и 16
миллионов номеров может не хватить. Дело в том, что АТМ планируется как
универсальная международная сеть, через которую будет передаваться весь мировой
информационный обмен и необходимо заранее предусмотреть резервы. Так, сегодня через
международные каналы России проходят многие десятки тысяч разговоров одновременно
и это число растет. Поэтому, на этих каналах необходимо будет использовать эту
расширенную нумерацию.
Что касается виртуальных каналов, то почти все они используются именно для
абонентской передачи за исключением первых 32, которые зарезервированы под передачу
сигналов управления различного рода. Каждый вид сигналов управления согласно
различным спецификациям должен проходить по строго определенному виртуальному
каналу. Назначение некоторых из них показано на рис.10.
С нулевым номером VP и VC проходят так называемые "пустые" селлы. Их назначение в
том, чтобы заполнить пропуски в абонентском потоке. Выше говорилось о том, что для
целей синхронизации селлы в канале обязательно должны идти подряд без пропусков иначе собьется механизм определения границ селлов. Но поскольку невозможно заставить
абонента на 100% загрузить канал, то оставшиеся проценты загрузки будут заняты этими
пустыми селлами, формат которых точно такой же, как и у информационных. Раз их
назначение только в заполнении пауз, после прохода через канал они будут уничтожены
сразу после приема и никак не повлияют на производительность узла, который таким
образом работает только с нужными селлами.
82
Рис. 10. Зарезервированные номера VPI/VCI
Каналы метасигнализации имеют функцию, связанную с настройкой других каналов
сигнализации. В самом деле, далеко не всегда нужно использовать все сигнальные потоки,
предусмотренные рекомендацией. Поэтому заранее нельзя сказать, нужно будет их
устанавливать или нет. А раз их можно не устанавливать, то они не могут быть
образованы автоматически при включении устройства, тем более, что никогда заранее
нельзя предсказать, через канал какой пропускной способности они будут проходить. Для
того, чтобы можно было установить служебные соединения, служит канал
метасигнализации, требующий очень мало пропускной способности, и работающий очень
короткое время.
Канал широковещания используется для передачи пользовательских селлов, которые
должны быть доставлены всем абонентам на данном интерфейсе.
Для целей управления отдельными соединениями и отдельными виртуальными путями
служат два потока сигнализации - поток F4 и поток F5. Поскольку они задают
сигнализацию, распространяющуюся только на один путь или канал, то они имеют тот же
самый номер пути или канала.
Типы передаваемых данных
Уже говорилось о том, что поле данных пользователя никак не анализируется сетью.
Однако, управляющие данные необходимо анализировать. Следовательно возникает
вопрос: каким же образом сеть может определить, нужно ей осматривать содержимое
селла или нет? Можно, конечно, попытаться всю управляющую информацию вкладывать
в специально отведенные для этого виртуальные каналы, которых мы уже коснулись, но в
некоторых случаях это неудобно, и, поэтому, приходится вставлять служебные селлы
непосредственно в тот же канал, что и абонентские данные. Для отделения этих
служебных данных от абонентских в рамках одного и того же виртуального канала
служит поле PTI - Payload Type Identifier. Это поле имеет длину 3 бита. Структура его
кодирования приведена на рис.11.
Как видно из рисунка, на сегодня используется только 6 типов кодов для поля данных
селла и из этих шести четыре связаны с различными типами селлов, содержащих
пользовательские данные. Они разделяются по признаку наличия или отсутствия
83
перегрузки, а также по признаку, является ли данный селл конечным в передаваемом
сообщении, или содержит продолжение сообщения. Разумеется, признак продолжения
или конца сообщения может быть известен только уровню адаптации. Когда селл
передается с уровня AAL на уровень АТМ первый указывает на этот признак. В случае,
если селл является продолжением сообщения, то в протокольном блоке, который
проходит между уровнями в передающем устройстве, указывается признак "type 0". Селл,
заканчивающий сообщение содержит признак "type 1", и этот признак type будет включен
в состав заголовка селла на уровне АТМ. Таким образом, в составе поля данных этот
признак не передается.
Рис. 11. Кодирование поля PTI
На приемной стороне поле данных пользователя оформляется в протокольный блок,
который выдается на уровень AAL, и в составе этого протокольного блока будет
содержаться соответствующая метка type 0 или type 1. Заметим, что признака "начала
сообщения" нет. Этот признак используется только при работе с уровнем адаптации типа
AAL 5. Все другие уровни адаптации всегда указывают данные как тип 0.
Помимо признака начала и конца сообщения в составе поля PTI передается также признак
уведомления о перегрузке. Этот признак предназначен приемнику и проставляется не
источником информации, т.е. не передающим АТМ-уровнем, а тем узлом сети, который
отметил у себя наличие перегрузки. Когда приемник получит селл с этим признаком, он в
принципе может начать у себя процедуру управления потоком с целью заставить
передатчик снизить интенсивность потока данных. Однако, этот механизм, во-первых,
никак не может быть подвластен сети, а, во-вторых, он еще не стандартизирован. При
этом нет никакой информации о том, где именно на сети произошла перегрузка.
Следующие два значения поля PTI относятся к служебным селлам управления. Ранее уже
говорилось, что вся сигнализация и управление проходят по отдельным виртуальным
каналам, а здесь этот признак вставляется в состав селлов в рамках того же виртуального
канала, что и данные пользователя. Дело в том, что есть один вид управления, который
относится к внутриканальной сигнализации, т.е. сигнализации между узлами коммутации
и связан с управлением только данным конкретным соединением, поэтому он был
включен с состав пользовательского канала. Одно значение поля PTI указывает на
управление только между двумя соседними узлами, а другое - из конца в конец. Все это
также будет подробно рассмотрено ниже.
84
Приоритеты селлов в системе
Еще один бит в заголовке указывает на приоритет селла. Если приоритет указан низким,
т.е. если этот бит установлен в 1, то это значит, что в случае каких-либо перегрузок в
узлах такой селл будет отброшен в первую очередь. При этом возможны два варианта приоритет своему соединению и, соответственно, всем его селлам назначает пользователь,
а второй вариант - сеть сама изменяет приоритет селлам внутри сети. Конечно, нас
заинтересует только второй вариант.
Предположим, что некий абонент не совсем правильно выдерживает установленные ранее
параметры трафика, т.е. работает с большей скоростью, чем это предполагалось. Сеть это
сразу заметит и тем селлам, которые поступили в узел через слишком маленький интервал
времени после предыдущего селла (т.е. их частота больше согласованной), снизит
приоритет. В принципе, это еще не значит, что такие селлы будут обязательно в сети
уничтожены. Если у узла несмотря на превышение согласованной интенсивности имеется
достаточно ресурсов, чтобы обслужить такой поток, то этот селл будет передан дальше,
хотя и с пониженным приоритетом. Отбрасывание селла произойдет только в том случае,
если возникает угроза тому, что сеть не сможет выполнить взятые на себя обязательства доставлять информацию со строго определенной задержкой. Это может произойти не
обязательно в том же узле, который изменил селлу приоритет.
Таким образом, потери данных в сети могут происходить даже, если никаких помех в
канале не было. С помощью этого бита в сети реализуется защита от перегрузок.
Последний, пятый байт заголовка селла содержит проверочную последовательность, с
помощью которой защищается от ошибок предыдущие 4 байта заголовка. При этом
используется код с исправлением ошибок, благодаря чему удается защититься от ошибок,
связанных с неправильной маршрутизацией селлов - ведь если поражен заголовок, то
скорее всего исказился номер виртуального канала, и селл будет доставлен не по адресу.
Кроме защиты от ошибок с помощью этого байта выполняется процедура выявления
границ селлов, как это было описано выше.
Итак, мы видим, что функции обработки заголовков селлов в сети очень ограничены и по
сути состоят только в коммутации на основании установленных маршрутов и в контроле
за соблюдением установленных параметров соединения. Эту работу можно выполнить
очень быстро, и, поэтому, система АТМ может работать на очень высоких скоростях. В
принципе, конечно, можно изобрести такие вычислительные системы, которые смогли бы
с такой же скоростью обрабатывать и пакеты TCP/IP или Х.25, однако, это не смогло бы
заменить технологию АТМ, поскольку никогда нельзя было бы гарантировать
постоянство времени передачи данных через сеть, хотя вероятность потерь данных и
необнаруженных ошибок была бы весьма низкой. Впрочем, даже в рамках описанной
технологии вероятность потерь данных удается удерживать на уровне 10-8, что вполне
достаточно для большинства приложений. Могут быть системы, где даже такая
вероятность ошибок недопустима, например, в военной области, телемедицине или
системе управления космическими объектами, но там придется вводить дополнительную
защиту от ошибок уже на пользовательском уровне.
85