Разработка обучающей программы по принципам коммутации в широкополосных цифровых сетях интегрального обслуживания

Во всем мире все больше и больше набирает обороты бурная компьютеризация и информатизация общества. Большой процент рынка электросвязи, в первую очередь рынка услуг, предоставляемых электросвязью пользователям, потребовал интеграции различных видов информации и услуг на основе единой сети. Таким образом, уже давно возникла необходимость создания некой единой сети, обеспечивающей интеграцию всех видов передаваемой информации с предоставлением довольно широкого круга услуг (видов сервиса) и возможностью их изменения без существенной модификации сети или введения новых специализированных сетей.

Таким видом единой сети, получившей широкое распространение во многих информационно развитых странах, служит цифровая сеть интегрального обслуживания — ЦСИО (ISDN), обеспечивающая абоненту возможности передачи практически любой информации по одной и той же абонентской линии.

Целью данной дипломной работы является разработка обучающей программы, которая с наименьшими умственными и физическими затратами помогала бы студентам освоить основные принципы коммутации в ЦСИО, в частности широкополосной ЦСИО.

Одной из возможностей дистанционного обучения являются электронные учебные материалы. К таким материалам относятся, во-первых, компьютерные обучающие программы, позволяющие шаг за шагом вести обучаемого к достижению поставленных учебных целей. Во-вторых, многочисленные компьютерные контролирующие комплексы для самоконтроля, текущего и рубежного контроля знаний. И, в-третьих, электронные учебники и задачники. Но именно контролирующие комплексы для самоконтроля позволяют не только усовершенствовать процесс обучения в плане подачи теоретического и практического материала, но и вносят объективность в оценивание полученных знаний студентами и позволяют заниматься самообразованием.

1. Анализ видов учебных пособий и их значение в обучении Создавать оболочки и автозапускаемые меню для компакт-дисков (CD), для демонстраций для своих и чужих программ, разрабатывать обучающие программы и показывать разнообразные презентации — все это, не владея навыками программирования, можно делать при помощи особого класса программ, называемых мультимедийными оболочками.

Программ для создания мультимедийных оболочек довольно много, но все они имеют общие черты. У каждой из них есть редактор, в котором создаются мультимедийные проекты (демонстрации, презентации), а также небольшой просмотрщик (вьювер, плеер), который можно распространять вместе со своими творениями. В данном редакторе вы оперируете объектами: выстраиваете в ряд кнопки, подгоняете рисунки, ставите на место текст. Все это очень напоминает работу в векторном редакторе.

При этом создаваемый вами кадр (или сцена, или страница) — это не статичный рисунок, а интерактивная среда, которая откликается на действия пользователя. Ваш проект состоит из нескольких кадров. Нажимая на созданные вами кнопки, пользователь перемещается между кадрами, запускает внешние приложения, переходит на Web-сайты. При желании все может сопровождаться анимацией и звуками. Многие редакторы позволяют упаковать проект со всеми звуками, видеовставками и рисунками в один компактный exe-файл для дальнейшего распространения.

Долгое время на рынке ПО для создания деловых слайд-шоу безраздельно царствовал PowerPoint. И это неудивительно, ведь Microsoft удалось разработать действительно отличный продукт, благодаря стандартному интерфейсу с ним могут справляться даже пользователи, не особо искушенные в компьютерных технологиях. Пожалуй, и сейчас этот пакет остается лидером, и все же PowerPoint — не единственный. На рынке представлено множество программ для создания презентаций, по возможностям подчас ничем не уступающих популярному пакету.

Какими же бывают электронные презентации? Классический вариант — это слайд-шоу, демонстрируемое публике с большого монитора либо ЖК-проектором на широком экране. Такие бизнес-презентации уходят корнями в то время, когда все необходимые материалы печатались на прозрачных пленках и проецировались в соответствующем порядке. Теперь же все слайды хранятся в электронном виде, и это позволяет вносить в шоу элементы интерактивности. Кроме того, презентации обрели динамические компоненты — анимацию и видео, а также сопровождаются звуковыми эффектами — от простейших до полноценных комментариев и музыки.

Следующий вид электронных презентаций обязан своим появлением широкому распространению и низкой стоимости дисков CD-ROM. Сложность таких презентаций варьируется: это может быть простой интерфейс к инсталляции программного обеспечения (ПО) с подсказками и советами по его использованию (классический пример — CD Windows tour), а может быть и полновесный интерактивный фильм о компании и ее продуктах. В последнее время все большую популярность приобретают визитные карточки в виде малоформатных CD с небольшими бизнес-презентациями.

Ну и третий вариант, получивший развитие не так уж давно, — Internet-шоу. Основное его отличие от обыкновенных корпоративных сайтов — насыщенность мультимедийными элементами (звук, видео, Flash). Как правило, для просмотра браузерам требуются специальные подключаемые модули в зависимости от того, какими средствами выполнена презентация.

В данном дипломном проекте для создания обучающей программы используется редактор презентаций Microsoft PowerPoint 2003, так как он наиболее быстро позволяет создавать презентации. Этот редактор наиболее удобен для создания иллюстрированных и анимационных обучающих комплексов с самоконтролем.

2. Классификация способов коммутации, используемых в Ш-ЦСИО Для перехода к Ш-ЦСИО необходимо определить число и состав пользователей; состав широкополосных служб; возможные скорости передачи; тип и структуру трафика.

Такая сеть должна быть гибкой, т. е. хорошо приспособленной к любым разумным изменениям требований пользователей. Выбор принципов коммутации в такой сети является одним из центральных вопросов.

На рисунке 2.1 приведена классификация систем цифровой коммутации, где КК — коммутация каналов; КП — коммутация пакетов; ПРК, ЧРК, ВРК — пространственное, частотное и временное разделение каналов; СВРК, АВРК — синхронное и асинхронное временное разделение каналов; ATM — Asynchronous Transfer Mode (асинхронный метод передачи — АМП).

Для того чтобы показать сложность решения задачи выбора технологии коммутации в Ш-ЦСИО, рассмотрим возможности, достоинства и недостатки известных способов коммутации. Все известные способы разделения цифровых каналов делят на две группы: синхронные и асинхронные. Напомним тот факт, что при синхронном временном разделении каналов каждый канал закреплен за физическим соединением безотносительно к тому, передается по нему информация или нет. Установленное в сети или в коммутационном поле ЦСК соединение однозначно определяется временными интервалами, которые оно занимает во всех звеньях соединительного тракта. Использование СВРК в Ш-ЦСИО для многих служб проблематично из-за высокой пачечности. Для повышения использования каналов паузы в передаче отдельных источников занимаются для передачи данных других источников. Такая идея используется при асинхронном временном разделении каналов (АВРК). Применение АВРК позволяет не закреплять жестко временной интервал за каналом и за источником.

Идентификация информации обеспечивается благодаря ее адресованию. При АВРК реализуется статистическое мультиплексирование, т. е. обнаружение окон (пауз) в кадре системы передачи и заполнение их информацией из буферов, где источники ожидают начала передачи. При статистическом мультиплексировании легко учесть приоритеты источников информации, что очень важно для Ш-ЦСИО, где интегрируется много служб с существенно отличающимися характеристиками. Концепция коммутации в Ш-ЦСИО основана на применении АВРК и установлении виртуальных соединений. В соответствии с этой концепцией для транспортировки информации всех служб применяется унифицированный пакет фиксированной длины.

К цифровым системам коммутации в Ш-ЦСИО предъявляются следующие требования:

независимость структуры и свойств от вида службы;

более высокая, чем в узкополосной ЦСИО, производительность;

адаптация к различным скоростям передачи в каналах сети;

более высокое, чем в У-ЦСИО, использование полосы частот для трафика пачечного типа;

высокая гибкость.

Высокая производительность необходима для поддержки видеослужб, а гибкость — из-за невозможности предсказать скорости передачи, которые могут потребоваться для разнообразных служб. Высокая гибкость означает предоставление прозрачного доступа для пользователя через интерфейс «пользователь — сеть», т. е. отсутствие ограничений на структуру кадра или пакета и на способ синхронизации.

Гибкость ЦСК и сети в целом основывается на динамическом распределении сетевых ресурсов (режимов коммутации, скоростей передачи).

Пока остается проблемой обеспечение требований к качеству обслуживания всех составляющих трафика в Ш-ЦСИО, хотя бы на уровне качества, обеспечиваемого в У-ЦСИО. В случае передачи речи с использованием метода КП трудности состоят в том, чтобы обеспечить задержку кадров не более чем на 30 мс (рекомендация G.131 ITU-T) и вероятность блокировки не более 10−6.

На рисунке 2.2 представлены известные способы коммутации и их варианты, использование которых позволяет в разной степени приспосабливать сеть к изменению скорости передачи информации.

Здесь и в таблице 2.1 применяются следующие обозначения и аббревиатуры: ДFК — полоса пропускания канала, ДF6аз — базовая полоса пропускания канала; МСКК — многоскоростная коммутация каналов; БКК — быстрая коммутация каналов; БКП — быстрая коммутация пакетов; tзКК, tзМСКК, tзБКК, tзБКП, tзКП — время задержки передачи сообщений при КК, МСКК, БКК, БКП и КП соответственно; tyc — время установления соединения в режиме КК.

В таблице 2.1 перечислены достоинства и недостатки известных способов коммутации [2, 3].

Таблица 2.1 — Достоинства и недостатки способов коммутации

Многоскоростная коммутация (МСКК) может использоваться в сетях, поддерживающих службы с разными скоростями ПД. Отличие многоскоростной КК от обычной КК состоит в возможности предоставления пользователям составного канала с полосой пропускания в N раз большей, чем базовая. Базовая скорость выбирается из соображений удовлетворения требований большинства пользователей сети (например, 64 Кбит/с). Способ БКК позволяет лучше использовать сетевой ресурс (полосу частот канала), благодаря возможности предоставления канала новому требованию в паузах речевого сигнала. В основе БКП лежат те же принципы, что и при КП. Отличия состоят в том, что существенно повышаются скорости передачи по каналу и коммутации в коммутационных полях станций, так как в Ш-ЦСИО должны коммутироваться кадры, поступающие по волоконно-оптическим линиям связи.

Технические средства передачи с высокими скоростями (десятки гигабит в секунду) достигли прогресса существенно ранее, чем средства коммутации с такими же скоростями. Поэтому сдерживающим фактором в повышении скорости передачи информации между установками пользователей в коммутируемой сети до недавнего времени были «низкоскоростные» коммутационные поля станций и узлов. Интенсивность исследований в этой области видна по массе публикаций в конце 80-х и в 90-е годы XX в., посвященных коммутации с высокими скоростями. Решение задачи высокоскоростной коммутации было найдено благодаря использованию короткого (53 байта) кадра (ячейки), буферированию ячеек на каждом входе (порте) станции Ш-ЦСИО, упрощению структуры коммутационного поля и алгоритма коммутации.

Высокие скорости (не менее 150 Мбит/с) передачи стали возможны благодаря использованию в терминальной сети Ш-ЦСИО волоконно-оптических линий связи (ВОЛС). Как известно, каналы, образованные в ВОЛС, характеризуются малой величиной вероятности ошибки. Это обстоятельство позволяет существенно упростить протоколы канального (звеньевого) уровня за счет отказа от решающей обратной связи при передаче пакетов. Избыточная полоса канала в ВОЛС делает внутрисетевые перегрузки маловероятными, что позволяет упростить или исключить контроль нагрузки на канальном и сетевом уровнях. Благодаря этому протоколы канального и сетевого уровней могут быть реализованы аппаратно, а не программно. Такое решение приводит к уменьшению задержки кадров и повышению скорости передачи в сети.

Рисунок 2.1 — Классификация систем цифровой коммутации Рисунок 2.2 — Распределение сетевого ресурса при различных способах коммутации

3. Построение коммутационных полей станций Ш-ЦСИО При использовании БКП на коммутационных узлах возможно применение многозвеньевых пространственно-временных коммутационных полей с высокой скоростью коммутации и малой задержкой пакетов (единицы миллисекунд на одно звено).

Учитывая сказанное о свойствах различных способов коммутации и данные таблице 2.1, можно сделать вывод о том, что в Ш-ЦСИО могут использоваться как БКК, так и БКП.

Тот и другой виды коммутации приспособлены для широкополосного трафика пачечной структуры.

Необходимо, однако, учитывать общую тенденцию в использовании принципов коммутации пакетов в информационных сетях и большую гибкость БКП при перегрузках (благодаря буферированию пакетов), однако при пакетной передаче речевой информации в ЦСИО возникают следующие технические трудности:

— преобразование аналогового сигнала в пакеты и обратное пре образование приводит к искажениям и задержкам;

— для построения масштабной сети ЦСИО, например цифровой сети России, к которой будет подключено до 100 млн. оконечных пунктов, необходимо иметь системы передачи со скоростями в несколько сотен Мбит/с и коммутационные узлы с производительностью не менее 50−60 тыс. пакетов в секунду (в лучших из известных узлов сетей с КП производительность не превышает 10 тыс. пакетов в секунду);

— возможны задержки пакетов (при перегрузках), превышающие пороговое значение (30 мс), что влияет на разборчивость речи.

В 1983 г. были опубликованы работы, выполненные в лаборатории концерна Bell (США) и исследовательском центре CNET (Франция), посвященные созданию нового метода коммутации для Ш-ЦСИО.

Предложенные решения являются вариантами широкополосной КП и основаны на использовании асинхронного временного разделения каналов и принципов статистического разделения ресурсов коммутационной системы.

3.1 Асинхронный метод передачи В 1987 и 1988 гг. исследовательская группа XVIII ITU-T обсудила предложенные исследовательскими центрами США и Европы методы реализации широкополосной КП и дала новому методу наименование «пакетный режим доставки» (в ранее опубликованных работах метод назывался асинхронный режим доставки (АРД)). В настоящее время он известен как метод ATM (Asynchronous Transfer Mode). В дальнейшем, говоря об этом методе, будем использовать аббревиатуру ATM.

Первый экспериментальный участок Ш-ЦСИО был создан в 1987 г. Отличительной чертой метода ATM является то, что вызов характеризуется идентификатором (меткой), определяющим номер логического канала. Использование метки для каждого сообщения позволяет более гибко, чем при СВРК, распределять сетевые ресурсы и ресурсы коммутаторов ATM. У методов ATM и СВРК одна общая идея: время передачи в канале делится на фиксированные кадры, каждому вызову (сообщению) в кадре выделяется свое временное окно. Как уже отмечалось, в случае СВРК это окно для одного и того же вызова всегда занимает фиксированное место.

Характерной особенностью ATM — отсутствие жесткого закрепления временного окна в кадре за вызовом. Каждому вызову соответствует своя метка. Функции установления метки, как и временного окна в кадре при СВРК, могут быть реализованы на первом (физическом) уровне модели ВОС. Основное достоинство ATM состоит в возможности динамического распределения ресурсов, как при передаче пакетов, так и при их коммутации в коммутационных полях станций Ш-ЦСИО.

Напомним основные свойства метода ATM:

— информационный поток от любого источника разделяется на кадры фиксированной длины;

— кадры фиксированной длины, состоящие из информации пользователя сети и заголовка, названы в документах ITU-T ячейками;

— ячейка имеет малую длину — всего 53 байта;

— процедуры управления потоками и контроля ошибок перенесены в верхние уровни модели ВОС.

Благодаря этому функции транспортной системы упрощены. Малая и постоянная длина элемента, используемая в методе ATM, позволяет:

— существенно уменьшить, по сравнению с методом традиционной КП, как среднее время задержки элемента в сети, так и дисперсию задержки, что важно для средств обработки в реальном масштабе времени;

— уменьшить искажения при потере отдельных ячеек, так как они содержат малый объем пользовательской информации;

— упростить структуру коммутационного поля станции;

— упростить процедуры мультиплексирования.

Благодаря постоянной длине элемента, нет необходимости вести поиск окна требуемой длины в цикле системы передачи, как это имеет место в сетях с КП при переменной длине пакетов.

Размер элемента также влияет на такие сетевые параметры, как: задержка пакетизации и буферизации, дисперсия задержки, эффективная скорость передачи, сложность реализации ATM.

Чем больше длина сообщения пользователя при заданной длине ячейки, тем больше задержка пакетизации, так как необходимо формировать большее количество ячеек, чем для коротких сообщений. Наибольшая величина задержки пакетизации в Ш-ЦСИО характерна для службы передачи данных большого объема (файлов).

Задержка буферизации возникает из-за конкуренции ячеек принадлежащих пользователям разных служб, отличающихся по приоритету предоставления окна в цикле (рисунок 3.1).

Чем меньше размер ячейки, тем при прочих равных условиях меньше дисперсия задержки, поскольку окна малого размера встречаются в цикле чаще, чем окна большого размера.

Эффективная скорость передачи растет при уменьшении размера ячейки, так как удается заполнять пользовательской информацией все меньшие окна и тем самым улучшать использование цикла.

Упрощение реализации ATM при уменьшении размера ячейки можно объяснить тем, что повышение эффективной скорости передачи приводит к уменьшению задержки буферизации, а это при том же трафике служб позволяет уменьшить объем буферов, где ждут начала передачи ячейки.

Формат ячейки исключительно прост: в нем всего два поля — заголовка и информационное (рисунок 3.2). Чем меньше доля заголовка в общей длине ячейки, тем выше эффективная скорость передачи. В формате ITU-T ячейка в доступе «пользователь — сеть» для Ш-ЦСИО заголовок имеет длину 5 байт, а информационное поле — 48 байт. Ячейки распознаются по содержимому заголовка, где адрес указывает на принадлежность к определенному виртуальному соединению. В заголовке ячейки, передаваемой в интерфейсе «пользователь-сеть», содержится следующая информация: управления потоками (УП) — четыре старших бита в первом байте; маршрутизации — 24 бита (из них идентификатор виртуального канала — ИВК — может занимать до 16 битов и идентификатор виртуального пути — ИВП — до 8 битов); о типе передаваемой информации (ТИ) — 4 бита; контроля и исправления ошибок в заголовке — контрольная комбинация (КК) — 8 бит.

На рисунке 3.1 показана одна из реализаций ATM с формированием цикла и периодической передачей ячеек синхронизации в фиксированных временных интервалах. Разграничение ячеек в цикле достигается синхронизацией. Асинхронный метод передачи обладает одновременно свойствами способов КК и КП.

С коммутацией каналов его роднит заранее устанавливаемый соединительный тракт (виртуальное соединение), который занимается в течение всего сеанса передачи для данного вызова. Последнее означает, что все его ячейки закрепляются за одним и тем же виртуальным соединением. Это свойство позволяет сохранять исходную последовательность всех элементов в виртуальном соединении.

С коммутацией пакетов метод ATM роднит то, что сообщение пользователя также делится на «кусочки», называемые ячейками, но в отличие от обычной КП эти «кусочки» имеют фиксированную длину.

Как уже говорилось выше, протокол уровня звена данных в Ш-ЦСИО не реализует функции защиты от ошибок для информации пользователя, однако заголовок ячейки, ввиду его исключительной важности для закрепления элементов за виртуальным соединением, имеет специальную защиту в виде контрольной комбинации. Контрольная комбинация выбрана так, чтобы исправлять одиночные и обнаруживать пакеты ошибок, которые могут проявляться как потеря или повторение элементов.

Важным свойством ATM, позволяющим уменьшить задержку, является прозрачная передача информационного поля ячейки через станции и узлы Ш-ЦСИО. Обрабатывается только заголовок. Скорость потока ячеек в линии, соединяющей две станции Ш-ЦСИО, постоянная. Однако при изменении объема информации в единицу времени от некоторого источника необходимо увеличить или уменьшить по заявке пользователя количество ячеек, передаваемых по одной линии ATM. Теоретически скорость передачи информации от одного источника может изменяться от нуля до максимальной скорости, обеспечиваемой системой передачи, работающей на межстанционной линии, называемой линией ATM.

Метод ATM способен поддерживать практически неограниченное количество служб, обеспечивать высокую пропускную способность сети и стандартизовать доступ к широкополосным службам.

Если при КП применяется обслуживание с помощью виртуальных соединений, то перед передачей пакета данных устанавливается логический тракт, или виртуальная цепь (виртуальный канал). Логический тракт может быть установлен сразу между двумя корреспондирующими объектами до начала передачи информации пользователя (это характерно для способа управления «из конца в конец») или шаг за шагом, последовательно («от звена к звену»), подключая промежуточные звенья коммутационного поля станции или сети (это характерно для способа поэтапного управления). Управление «из конца в конец» используется в сетях с КП при установлении постоянных виртуальных соединений, управление «от звена к звену» — на станциях и узлах БКП и в подсети сигнализации ЦСИО.

При применении как асинхронного метода передачи по линиям (ATM), так и метода высокоскоростной коммутации (БКП) используются упрощенные протоколы. При этом применяется динамическое распределение связного ресурса (скорости передачи). Общей является также маршрутизация, основанная на стратегии логического (виртуального) канала. Благодаря применению упрощенных протоколов и динамического разделения связного ресурса обеспечивается независимость структуры ячейки ATM и системы коммутации узла БКП от особенностей поддерживаемой службы.

Рисунок 3.1 — Иллюстрация реализации способа АТМ в Ш-ЦСИО (1−3 — буферы ячеек службы с приоритетом: 1 — i, 2 — j, 3 — k)

Рисунок 3.2 — Формат ячейки АТМ (а), поля заголовка (б)

3.2 Общая структура станции БКП Важным для понимания способов реализации рассмотренных методов коммутации в Ш-ЦСИО является изучение структуры и характеристик станций и узлов БКП.

На рисунке 3.3 приведена структурная схема станции (узла) БКП.

Назначением станции БКП — коммутация ячеек ATM из входящих линий в исходящие. Каждая линия связана со своим портом: входящая с портом вх. Пi, исходящая с портом вых. Пj. За каждым портом закреплена своя база — база данных порта (БДП). Общее супервизорное управление коммутацией реализуется с помощью центрального процессора (ЦПР) и центральной базы данных, предназначенной для маршрутизации (ЦБД). Коммутационное поле станции является многозвенным со специфической структурой, приспособленной для аппаратного управления коммутацией.

Рассмотрим процессы коммутации, основанные на использовании содержимого поля заголовка ячейки ATM (рисунок 3.2. б). Основная функция заголовка — обеспечение идентификации ячеек, принадлежащих одному и тому же виртуальному каналу в линии ATM. В одной линии ATM может быть образовано большое количество виртуальных трактов — ВТ (независимых групп информационных потоков) и виртуальных каналов (ВК), определяемое числом битов идентификатора виртуальных трактов (ИВТ) и каналов (ИВК) поля заголовка. Количество ВК может быть доведено до 216 = 65 536. Количество ВТ одной линии ATM может быть доведено до 212 = 4096. Отсюда видно, как велико число ВК в одной линии ATM, причем во всех ВК передается информация только активных пользователей (в периоды молчания источника места, которые бы занимала его информация в линии ATM, используются для передачи информации других источников). Каждое соединение в Ш-ЦСИО однозначно определяется двумя идентификаторами: ИВТ и ИВК. Поэтому функция станции БКП — преобразование значений идентификаторов входящей линии ATM в идентификаторы исходящей.

Процесс управления коммутацией на станции БКП состоит в идентификации ВК во входящей линии по ИВТ и ИВК, в поиске пути в коммутационном поле к требуемой исходящей линии и в присвоении новых значений ИВТ и ИВК для передачи по исходящей линии ATM на следующую станцию.

3.3 Структура узла БКП с оперативной коммутацией Узлы транспортного участка Ш-ЦСИО предназначены для коммутации потоков элементов ATM. Каждый элемент ATM некоторого виртуального канала (ВК) переносит в заголовке лишь присвоенные ему в предыдущем узле ИВП и ИВК, позволяющие отличить его от всех других ВК во входящей линии связи. Для маршрутирования к другому узлу сети элемент ATM не содержит никакой информации.

Информация для маршрутирования содержится в маршрутных таблицах станций и узлов при использовании кроссовой (постоянной) коммутации или передается по сигнальной сети при использовании оперативной коммутации.

Если в узле БКП применяется оперативная коммутация, то он должен быть связан с пунктом сигнализации (ПС) сигнальной сети. В этой сети передаются сигнальные сообщения, позволяющие маршрутировать потоки между узлами (рисунок 3.4).

Каждая входящая линия связана с демультиплексором (ДМП), с помощью которого ВК распределяются по входам КС. Потоки элементов ATM, коммутируемые с помощью КС, объединяются мультиплексором (МП) исходящей линии в единый поток. Узлы БКП обмениваются друг с другом сигнальными сообщениями для решения задач управления коммутацией ВП (виртуальных путей) и ВК. Система управления (СУ) узла использует данные сигнализации, получаемые от своего ПС, для выбора требуемой исходящей линии. Если требуется коммутация виртуальных путей, то в найденной ИЛ выбирается один из возможных ВП. В случае коммутации ВК в ИЛ выбирается свободный ВК. До завершения процесса маршрутирования элементы ATM сохраняются в буферном запоминающем устройстве (БЗУ) соответствующего ДМП. В процессе маршрутирования определяются параметры того виртуального соединения от входа до выхода узла БКП, по которому будет транспортироваться поток элементов ATM рассматриваемого входящего ВП или ВК. После завершения маршрутирования СУ приписывает заголовок к элементу ATM в БЗУ, формируя быстрый пакет (БП). Заголовок в БП определяет его путь от входа КС к выходу.

До недавнего времени узким местом цифровых сетей электросвязи, препятствующим существенному повышению временной прозрачности сети, были средства коммутации. Рост скорости передачи в ЦСП опережал рост скорости коммутации в коммутационных узлах. Для преодоления этого отставания необходимо было уйти от централизованного управления коммутацией в узлах сети. Децентрализованное управление процессами коммутации позволяет существенно повысить производительность узла за счет одновременной параллельной обработки информационных потоков по всем входящим в узел линиям и логическим каналам.

Рисунок 3.3 — Структурная схема узла БКП Рисунок 3.4 — Структура узла Ш-ЦСИО с оперативной коммутацией Технологию коммутации в узлах и коммутаторах Ш-ЦСИО называют быстрой коммутацией пакетов (БКП). В узлах с БКП реализуются функции коммутации, мультиплексирования и демультиплексирования трафика элементов ATM. Под термином коммутация понимают процесс выбора маршрута и переноса элемента от входящего логического канала к одному из исходящих в требуемом направлении (рисунок 3.5). Мультиплексирование в узле с БКП — это статистическое объединение потоков элементов ATM от различных пользователей в единый поток в цифровом тракте. Под демультиплексированием в узле БКП понимают разделение потоков элементов одного цифрового тракта для их раздельной коммутации. Узел с БКП характеризуется:

— производительностью (количеством коммутируемых элементов ATM в единицу времени);

— средней задержкой ожидания в очереди элементов ATM;

— джиттером задержки;

— вероятностью потери элементов ATM из-за конечного объема буферов.

Для указания маршрута переноса элемента ATM в узле БКП необходимо знать:

— номер входящего порта, связанного с входящей физической линией;

— номер входящего логического канала;

— номер требуемого исходящего порта;

— номер свободного логического канала в нем;

— координаты элементов коммутационной системы, которые должны участвовать при переносе элементов ATM данного потока пользователя.

Логический канал определяется двумя идентификаторами — ИВП и ИВК. Коммутационный узел с коммутацией виртуальных путей транслирует элементы ATM от входящего порта к исходящему без изменения ИВП и ИВК. Коммутационный узел с коммутацией виртуальных каналов модифицирует ИВП и ИВК входящего порта в ИВП и ИВК исходящего порта. В процессе коммутации два и более поступивших на входы элементов ATM могут соревноваться за доступ к одному и тому же выходу коммутационной системы. Чтобы устранить этот эффект, используют буферирование элементов ATM во входящих (возможно и в исходящих) портах.

Сложность процессов коммутации в узле с БКП объясняется еще и тем, что может потребоваться приоритетное обслуживание элементов одного потока по сравнению с элементами другого (других) потока или многоадресная передача (один ко многим).

Коммутационные системы (КС) узлов с БКП делят на три типа:

— КС с коллективной памятью;

— КС с общей средой;

— КС с пространственным разделением.

3.4 Коммутационная система узла БКП с общей памятью На рисунке 3.6 представлена схема узлы с БКП с коллективной памятью.

Все входные и выходные порты имеют доступ к общей памяти. Каждый входной порт обеспечивает демультиплексирование потока элементов ATM, снабжает каждый из элементов дополнительным заголовком, определяющим маршрут в коммутационной системе, и обращается в общую память для записи образованных быстрых пакетов (БП). Каждый выходной порт мультиплексирует БП, ожидающие в очереди передачи по исходящей линии в общий поток элементов ATM.

Важнейшее условие эффективности такой структуры — высокая скорость записи и чтения из общей памяти, чтобы можно было обслужить входящий и исходящий трафик. Если по каждому из 16 входов узла БКП поступает поток со скоростью V=l55 Мбит/с, то скорость чтения/записи будет определяться следующим образом: V= Мбит/с =4,96 Гбит/с. Коэффициент 2 учитывает то требование, что необходимо в единицу времени вести чтение из памяти в выходные порты с такой же скоростью, с какой происходит запись по входным портам.

Объем общей памяти зависит от многих факторов:

— количества входных (выходных) портов;

— интенсивности нагрузки;

— способа использования памяти выходными портами, вернее — связанными с ними очередями, где элементы ожидают передачи через выходные порты в исходящие линии.

Чтобы обеспечить высокое быстродействие узла с БКП, используют разрядную организацию памяти. Это позволяет коммутировать одновременно все разряды элемента, а не последовательно.

Известно два типа коммутационных систем узлов БКП: без самомаршрутизации и с самомаршрутизацией. В КС первого типа используется внешнее управление коммутацией по специальной программе. Под самомаршрутизацией понимают управление переносом БП от входа до выхода КС с помощью встроенных аппаратных средств, то есть без программного управления.

Рисунок 3.5 — Иллюстрация процесса коммутации в узла с БКП Рисунок 3.6 — Узел БКП с коллективной памятью

3.5 Коммутационная система узла БКП с общей средой КС с общей средой относится к типу «без самомаршрутизации». На каждом входе имеется преобразователь (Пр. пос/пар) последовательного кода в параллельный, а на выходе — преобразователь (Пр. пар/пос) параллельного в последовательный. Входы и выходы соединены с общей средой, в которую синхронно мультиплексируются элементы ATM всех входящих линий. Общей средой может быть параллельная шина (рисунок 3.7) или кольцо. Скорость обмена по общей шине должна быть в N раз больше скорости передачи по одному входу. С помощью адресного фильтра (АФ) по содержимому заголовка элемента ATM происходит отбор тех БП, которые должны быть записаны в буфер (БУФ) и в дальнейшем передаваться через конкретный выход.

Все БП проходят по одной широковещательной шине с временным разделением. В отличие от КС с общей памятью, выходные очереди строго закреплены за выходами и организованы по принципу «первым пришел — первым обслужен». Процессы записи/чтения в буферах должны протекать со скоростью не меньше чем, если V — скорость передачи через выходной порт.

Итак, функционирование КС с общей памятью и общей средой основано на мультиплексировании входящего трафика в единый поток со скоростью, в N раз превышающей величину V. Реализация такой высокой скорости для конкретной технологии изготовления электронных компонентов может быть проблематичной.

3.6 Коммутационная система узла БКП с пространственным разделением В КС с пространственным разделением (рисунок 3.8.) скорость коммутации по отдельному соединению от входов к выходам может быть существенно уменьшена и не превышать величины V. Ценой получения скорости коммутации, не превышающей скорости V, является возможность внутренних блокировок. Построение КС с пространственным разделением с вероятностью потери элемента 10−10 представляет сложную практическую проблему.

Различают три типа КС с пространственным разделением:

— матричные;

— баньяновидные (древовидные);

— с N2 раздельными соединениями.

Каждый вход связан с демультиплексором (ДМ). Элементы ATM, поступающие на вход, записываются в тот из N буферов, который связан с требуемым выходом. Мультиплексор, связанный с конкретным выходом, объединяет в единый поток элементы из буферов, связанных с N входами. Управление такой КС может быть как централизованным, так и распределенным.

Размещение буферов может быть различным: на входах, на выходах, в узлах КС матричного типа.

Рисунок 3.7 — Структура КС с общей шиной Рисунок 3.8 — Модель КС с пространственным разделением

3.7 Коммутационные системы матричного типа В узлах матрицы размешаются коммутационные элементы (КЭ) с двумя входами и двумя выходами (рисунок 3.9).

Коммутационный элемент матрицы может находиться в одном из двух состояний: сквозном (состояние 1) и перекрестном (состояние 2). Если, например, необходимо установить соединение входа 2 с выходом N, то КЭ2, N должен быть установлен в состояние 2, а все КЭ2, к (где к=1,2, … N-1) и все KЭi, N (где i=3, 4, …, N) — в состояние 1. Состояния остальных КЭ не имеет значения для данного соединения. В процессе маршрутирования в узле БКП быстрый пакет на входе 2 снабжается адресом выхода N. При пересылке его по горизонтали 2 он может самостоятельно переключить требуемый КЭ2, N в перекрестное состояние. Для этого КЭ должен иметь дешифратор адреса (ДША) БП. Такое свойство КС называют самомаршрутизацией. При этом реализуется распределенное управление коммутацией, в нем может принимать участие любой КЭ (рисунок 3.10).

Если номер выхода N в заголовке БП совпадает с номером вертикали данного КЭ, то на выходе ДША формируется сигнал управления СУ (N), переводящий КЭ в состояние 2. Теперь БП коммутируется с входа 2 на выход N.

Использование самомаршрутизации дает существенное увеличение скорости коммутации. Одно из ограничений такой КС состоит в том, что одновременно коммутировать два и более БП на один выход нельзя. Поэтому при отсутствии буферов на входах все конкурирующие БП, кроме одного, теряются.

Оценим пропускную способность такой КС. Пусть потоки элементов ATM всех входов однородны и независимы, создают нагрузку YBX на один из выходов. Тогда нагрузка, обслуженная одним выходом при N = 32:

0,638 (Эрл) Максимально достижимая пропускная способность одного выхода такой КС при N не может быть больше 0,632 Эрл.

Такие потери трафика не могут быть приемлемыми. Поэтому устанавливают буферы в узлах или на входах и в узлах схемы.

Рисунок 3.9 — Коммутационная система матричного типа Рисунок 3.10 — Управление коммутацией при самомаршрутизации

3.8 Коммутационные системы матричного типа с буферами в узлах Размещение буферов в узлах матрицы позволяет устранить конфликты БП, направляющихся к одному выходу (рисунок 3.11).

Протокол сортировки буферов, связанных с одним выходом, выбирает очередной буфер по определенному правилу и управляет считыванием БП на выход, предотвращая столкновения. Такая структура КС предполагает много очередей БП, связанных с одним выходом. Этим она проигрывает КС с N очередями. Практическая реализация таких КС достаточно сложна, так как площадь, требуемая для размещения буферной памяти на кристалле, значительно превышает площадь для КЭ. Поэтому на одном кристалле не удается получить матрицу большой размерности. Особенность рассмотренной структуры — необходимость совмещения функций буферизации и коммутации в каждом узле матрицы, что усложняет компоновку и уменьшает компактность микросхем.

3.9 Коммутационные системы матричного типа с буферами на входах Обычно для обслуживания очередей на входах используют дисциплину типа «первым пришел — первым обслужен» (First-In First-Out — FIFO). Конкурируют за право быть переданными только БП, стоящие в начале каждой из N очередей. Функции буферирования и коммутации здесь разделены.

Неприятное свойство такой КС — блокировка первым БП всех стоящих за ним БП до тех пор, пока он не будет передан в линию. При этом блокируются все БП, стоящие после первого, даже в том случае, если им требуются другие выходы КС. Эти блокировки существенно снижают эффективность КС с буферами на входах. Если учесть условия, оговоренные ранее для КС без буферизации БП (YBХ = 1 Эрл, N), то YBЫХ = 2 — = 0.586 (Эрл). Как видим, применение буферирования БП на входах при простом протоколе обслуживания очередей не дает повышения пропускной способности КС по сравнению с КС без буферизации (при прочих равных условиях). Для увеличения пропускной способности рассматриваемой схемы необходима более совершенная дисциплина обслуживания очередей, чем дисциплина FIFO. Такие дисциплины должны обеспечивать сортировку БП по какому-либо критерию. Критериями могут быть, например, такие:

— минимизация задержки или дисперсии задержки БП;

— приоритет самой длинной очереди;

— циклический выбор БП из очередей;

— случайный выбор выхода, обслуживаемого первым.

Простые рассуждения показывают, что наиболее просты в реализации стратегии, использующие два последних критерия.

Для реализации приоритета самой длинной очереди необходим анализ всех очередей. Дисциплина с таким критерием позволяет минимизировать потери БП.

Реализация минимума общей сетевой задержки требует использования первого из упомянутых критериев.

3.10 Коммутационная система типа Баньян Специалисты давно вели поиск структур КС с минимальным количеством КЭ. Если строить многозвенные (многокаскадные) КС с КЭ 2×2, то можно существенно уменьшить количество требуемых коммутационных элементов. Для построения КС типа Баньян с N входами и N выходами потребуется коммутационных элементов (рисунок 3.12).

Отрицательное свойство схем типа Баньян — возможность внутренних блокировок. Блокировка возникает при столкновении двух БП на одном выходе КЭ.

Положительные свойства структур типа Баньян таковы:

— соединение входа с выходом реализуется аппаратными средствами децентрализовано по способу самомаршрутизации за время существенно меньшее, чем при программном управлении соединением;

— получаемая структура КС является регулярной, что позволяет удешевить СБИС коммутационных модулей узла с БКП;

— отказ от программного управления коммутацией позволяет просто наращивать емкость узла с БКП путем добавления новых модулей без изменения существующей структуры и алгоритмов коммутации.

Негативными свойствами рассматриваемых структур являются:

— единственный путь между одним из входов и конкретным выходом;

— одновременно может быть установлено не боле чем N соединений;

— внутренние блокировки снижают пропускную способность до неприемлемой для практики величины.

Для преодоления отрицательных свойств структур КС типа Баньян могут применяться следующие меры:

— входная буферизация, обеспечивающая уменьшение влияния конфликтов БП на пропускную способность КС;

— сортировка поступающих на входные порты БП для устранения конфликтов на выходах КС;

— использование параллельных или последовательных (тандемных) структур, ослабляющих влияние конфликтов БП;

— совместное использование входной буферизации и сортировки БП.

Рисунок 3.11 — Коммутационная система матричного типа с буферами в узлах Рисунок 3.12 — Коммутационная схема типа баньян

3.11 Управление коммутацией в узле БКП Проиллюстрируем принцип оперативной коммутации ВК в узле БКП. В отличие от полупостоянной и кроссовой (постоянной) оперативная коммутация в узле БКП возможна только при управлении маршрутированием потока БП с помощью системы сигнализации № 7. Сигнальное сообщение маршрутизации формируется маршрутизатором, который пользуется данными о конфигурации Ш-ЦСИО и состоянии всех ее объектов (узлов доступа, концентраторов, узлов БКП), содержащимися в его сетевой базе данных. Сообщения для маршрутирования трафика пользователя «из конца в конец» передаются маршрутизатором в сеть сигнализации для каждого узла БКП в выбранном маршруте. Поэтому каждый узел БКП должен быть связан с пунктом сигнализации (ПС) в сигнальной сети. Упрощенная структура узла БКП с самомаршрутизацией показана на рисунке 3.13.

Пусть во входящей линии организовано 2 виртуальных пути с идентификаторами ИВП1 и ИВП2, в каждом из которых имеется по 4 виртуальных канала. Поток каждого ВК подается демультиплексором на определенный вход КС. Закрепление ВК за входами КС показано в таблице 3.1.

Таблица 3.1 — Закрепление ВК входящей линии за входами КС

Пусть в каждой из исходящих линий организовано по 2 ВП с двумя ВК. Закрепление ВК за выходами КС показано в таблице 3.2.

Таблица 3.2 — Закрепление ВК исходящих линий за выходами КС

Приведем пример формирования маршрутного поля (МП) БП для реализации способа самомаршрутизации в КС, построенной по трехкаскадной схеме баньян.

Для формирования МП необходимо иметь данные о направлении передачи трафика ВК от входного порта до выходного. Эти данные при оперативной коммутации могут быть получены только из сообщения, переданного в сигнальной сети Ш-ЦСИО (рисунок 3.14). Запрос маршрутирования «из конца в конец» маршрутизатор (сервер) получает от узла доступа (УД). Структура КС и связь ее выходов с ДМП и МП приведены на рисунке 3.15.

Пусть в узле БКП принято сообщение для маршрутирования трафика, поступающего по ВК3 в ВП1, в исходящую линию 2 по ВК14 в ВП5. Формирование маршрутной метки для БП выполним, используя базу данных КС (таблица 3.3).

Ранее было показано, что в КС типа баньян имеется единственный путь между фиксированными входом и выходом. Как видно на рисунке 3.15, трафик по ВК3 входящей линии направляется демультиплексором на вход 2 в каскаде А. Все БП, образующие этот трафик, должны быть переданы на выход 5 каскада С, чтобы МП смог их объединить в ВП5 исходящей линии 2. Закрепление ВК за входами и выходами КС приведено в таблицах 3.1 и 3.2.

Путь от входа 2 КС к выходу 5 проходит через 1-й КЭ каскада А, 2-й КЭ каскада В и 2-й КЭ каскада С.

Сформируем маршрутное поле для БП виртуального канала ВК3: (МП) =111 (см. таблицу 3.3). Формат этого БП показан на рисунке 3.16.

Таблица 3.3 — База данных КС для формирования маршрутного поля

Рисунок 3.13 — Структурная схема узла БКП с самомаршрутизацией Рисунок 3.14 — Организация обмена данными между сетью сигнализации и узлом БКП в Ш-ЦСИО Вх. П1 — входящий порт;

Исх. П1 — исходящий порт;

ПСi, ПСj — пункты сигнализации Рисунок 3.15 — Структура КС узла БКП Рисунок 3.16 — Формат БП

4. Разработка алгоритма обучающей программы Обучающая программа будет состоять из двух частей: теоретической и практической. Теоретическая часть будет представлять собой набор слайдов редактора презентаций Power Point 2003. Слайды с представленным на них материалом будут следовать поочередно, сменяя друг друга автоматически после завершения анимации либо под управлением пользователя. Будет также предоставлена возможность перехода при необходимости по ссылке на слайд, являющийся руководством по использованию программы, содержанием программы, слайдом, обозначающим новый раздел (подраздел) теоретического материала, или же слайдом позволяющим перейти к тестированию.

Для создания тестовой части обучающей программы использовался язык программирования Borland Delphi 7.0. При запуске теста обучаемому представляется вопрос и 4 варианта ответа к нему. На обдумывание ответа к каждому вопросу отводится одна минута времени. После ответа вопрос сменяется следующим и так до 10. Затем происходит подсчет количества правильных ответов, выдается оценка и предложение пройти тест заново либо выйти из тестирования. Возможность начать тест заново либо выйти из тестирования будет представлена и в ходе тестирования. При каждом новом запуске теста, вопросы, задаваемые обучаемому изменяются, выбираясь случайным образом из базы данных вопросов.

Схема работы теоретической (презентационной) части программы представлена на рисунке 4.1. Блоки 1−49 не являются типичными элементами блок-схемы символизирующие процесс, поэтому имеют нестандартное количество входов и выходов.

Схема работы практической (тестирующей) части программы представлена на рисунке 4.2.

коммутация сеть программа обучающий Рисунок 4.1 — Блок-схема работы презентационной части обучающей программы Рисунок 4.2 — Блок-схема работы практической (тестирующей) части программы

5. Разработка обучающей программы

5.1 Разработка методического материала по выполнению работы При создании обучающей программы в данной дипломной работе необходимо учитывать то, что студенты по окончанию изучения должны освоить основные виды способов коммутации, существующие способы построения коммутационных систем, организацию коммутации в коммутационных узлах. Иначе говоря, в обучающей программе должны присутствовать такие разделы (подразделы):

— классификация способов коммутации, используемых в Ш-ЦСИО;

— построение коммутационных полей станций Ш-ЦСИО;

— управление коммутацией в коммутационных узлах Ш-ЦСИО.

В таблице 5.1 приведены разделы и подразделы, которые присутствуют в обучающей программе.

Таблица 5.1 — Разделы и подразделы обучающей программы

На рисунке 5.1 представлен слайд с изображением содержания обучающей программы. При нажатии на название любого из разделов (подразделов), программа по гиперссылке переходит к выбранному разделу (подразделу). По завершению изучения теории студенту предлагается пройти тестирование для закрепления знаний по пройденному материалу и получить соответствующую оценку. К тестированию также можно перейти по гиперссылке из содержания.

5.2 Разработка инструкции пользователя В инструкции пользователя обучающей программой необходимо указать основные кнопки (клавиши), с помощью которых в процессе освоения представленного на слайдах материала можно, при необходимости, обратиться к руководству по использованию программы, содержанию. Также необходимо указать кнопки (клавиши), используемые для перехода к следующему (предыдущему) слайду или анимационному действию, представленному на слайде.

На рисунке 5.2 представлен слайд с изображением инструкции пользователя.

Предположим, что пользователем нажата на клавиатуре клавиша «Стрелка вправо». Вследствие нажатия этой клавиши программа перейдет на следующий слайд или анимационное действие. При нажатии кнопки «Содержание», программа перейдет на слайд — содержание, а при нажатии кнопки «?», программа перейдет на слайд — руководство по использованию программы.