Методы коммутации

Введение

Любые сети связи поддерживают некоторый способ коммутации своих абонентов между собой. Этими абонентами могут быть удаленные компьютеры, локальные сети, факс-аппараты или просто собеседники, общающиеся с помощью телефонных аппаратов. Практически невозможно предоставить каждой паре взаимодействующих абонентов свою собственную некоммутируемую физическую линию связи, которой они могли бы монопольно владеть в течение длительного времени. Поэтому в любой сети всегда применяется какой-либо способ коммутации абонентов, который обеспечивает доступность имеющихся физических каналов одновременно для нескольких сеансов связи между абонентами сети. На рис. 1 показана типичная структура сети с коммутацией абонентов.

 

История

Важным компонентом телефонной сети является работа телефонных станций, или  узлов коммутации, а точнее, их основу – коммутаторы.

Первую в мире телефонную связь осуществил в 1876 г. американец А. Белл, применивший для передачи и приема речи один и тот же прибор, названный им телефоном. В последствии передача сигнала была улучшена Д.Юзом, а потом М.Махальским в 1879 г.

В 1880—1881 гг. была завершена конструктивная и схемная разработка телефонных аппаратов системы местной батареи (МБ), при которой каждый аппарат имеет отдельную батарею для питания микрофона. 
 
В 1882 г. было закончено строительство первых в России городских центральных телефонных станций ручного обслуживания в Москве, Петербурге, Риге и Одессе. На каждой из этих телефонных станций было установлено по нескольку телефонных коммутаторов системы МБ небольшой емкости (на 50 номеров). Абонентские линии были однопроводными. На некоторых крупных железнодорожных станциях первые ЦТС системы МБ небольшой емкости были введены в эксплуатацию в конце 1880 г. Большинство же узлов и многие управления дорог вообще не имели собственной местной связи и пользовались городскими телефонными станциями. 

Первые телефонные станции ЦБ (централизованное питание батареи от одного аппарата) были построены в Москве и Петербурге в 1904 г. 
После ряда лет эксплуатации телефонных станций ручного обслуживания возникла идея автоматизации местной телефонной связи. Практическое разрешение этой идеи принадлежит русскому инженеру К. Мосцицкому, еще в 1887 г. предложившему «самодействующий телефонный коммутатор» на четыре номера. В 1894 г.  изобретатели М. Фрейденберг и С. Апостолов разработали систему автоматического соединения и разъединения линий абонентов, содержавшую в себе основные принципы современных АТС. 
В начале 30-х годов в эксплуатацию вводятся междугородные телефонные станции (МТС), оборудованные междугородными телефонными коммутаторами отечественного производства. 
 

Ручные коммутаторы            

В городе Нью-Хэвен, Коннектикут, где в 1878 году была открыта первая телефонная станция. Этот ручной коммутатор стоил 28.5 долларов и обслуживал 21 абонента. Оператор коммутатора прослушивал все телефонные соединения, чтобы определить момент окончания разговора.           

 Экономическое обоснование  применения телефонных коммутаторов  связано с невозможностью соединить  всех абонентов по принципу  «каждый с каждым». В случае  малого числа абонентов, скажем N=5, такое соединение вполне представимо и изображено

Для того чтобы представить себе, сколько нужно иметь линий в сети с N=10 абонентами, достаточно взглянуть на рис, который наглядно иллюстрирует для этого случая формулу N(N — 1)/2.

  

 Возможность связи любой пары абонентов при значительно меньшем числе соединительных линий в сети обеспечили ручные коммутаторы (рис. 1.4), количество которых быстро увеличивалось, и хотя компании Western Union, а не Bell принадлежало вначале большинство установленных телефонов, сеть Bell System быстро разрасталась за счет установки ручных телефонных станций и вскоре опередила сети Western. 

 

 

 В каждый такой коммутатор, кроме 50 абонентских линий, могло быть включено до 90 соединительных линий для связи с другими коммутаторами данной станции. От каждого коммутатора, через сделанные в потолке квадратные отверстия, пучок из 50 изолированных проводников поднимался к башне, установленной на крыше здания телефонной станции. Вначале для проводов использовали стальную проволоку диаметром 2.2 мм. Позднее применяли бронзовую (! ) проволоку диаметром 1.25 и 1.4 мм.    

В Москве первая телефонная станция была построена в 1882 г. и помещалась на Кузнецком мосту. В нее было включено всего лишь 26 телефонных аппаратов. На станциях были установлены однопроводные коммутаторы Гилеланда (рис.1.5), оборудованные сигнальными клапанами, индуктором для вызова абонентов, микрофоном и телефоном для переговоров оператора с абонентом или с другой телефонисткой. Вызов станции абонентом отмечался открытием дверцы вызывного клапана.         При вставлении штепселя в одно из гнезд происходило соединение между соответствующими вертикальной и горизонтальной полосами, к которым были подключены линии 

Когда штепсель вставляется в гнездо, образуется электрический контакт каждого цилиндра штепселя с соответствующим коаксиальным цилиндром в гнезде 

Провод, подключенный на каждом конце шнура к корпусу штепселя (sleeve), несет сигнал постоянного тока для включения сигнальной лампы на коммутаторе

Со временем количество телефонов росло, и операторы испытывали трудности, выясняя, кто есть кто. Им необходимо было знать наизусть по фамилиям и именам до нескольких тысяч абонентов. В 1879 году одному врачу пришла мысль использовать в своем офисе систему нумерации для ведения картотеки пациентов, после чего и местная телефонная компания стала использовать номера вместо имен абонентов. Так родился телефонный номер, а что с этим номером случилось дальше, подробно рассматривается в разделе учебного курса по сетям связи, посвященном нумерации.

Автоматическая коммутация  

По мере роста емкости РТС становилось все больше таких соединений, в которых участвовали две телефонистки, что создавало большой шум, вело к увеличению, количества ошибок в соединениях, ужесточало требования к отбору телефонисток: на эту должность стали принимать девушек высокого роста и незамужних, «дабы лишние думы и заботы не приводили к лишним ошибкам». Существует историческая версия, согласно которой именно нарушение одной телефонисткой обета безбрачия и послужило причиной изобретения А. Строуджером первой автоматической телефонной станции в 1891 году. 

 

 

                      

 Эта версия состоит  в том, что А. Строуджер, являясь владельцем похоронного бюро в городе Канзас-Сити, терпел убытки при получении заказов по телефону, т. к. мужем одной из телефонисток РТС Канзас-Сити был владелец другой, конкурирующей похоронной компании, к которой эта телефонистка и направляла все звонки абонентов, вызывавших похоронное бюро. Раздосадованный такой коррупцией, Алман Строуджер поклялся навсегда избавить общество от телефонисток и изобрел автоматический телефонный коммутатор декадно-шагового типа, емкостью до 99 абонентов, а также запатентовал это изобретение на имя основанной им же в 1892 году компании Strowger Automatic Telephone Exchange Company. Теперь эта компания называется Automatic Electric Company и является производственным отделением корпорации General Telephone and Electronics Corporation (GTE).           

 Первый такой коммутатор  А. Строуджер построил в своем гараже. Но это устройство так и не было установлено на телефонной станции до 1921 года. Возникло множество проблем с реализацией изобретения, и устройство было передано в Европу для дальнейшей доработки. После того как изобретение было усовершенствовано, компания Bell начала использовать этот автоматический коммутатор в своих станциях. В 1896 г. Строуджер изобрел телефонный аппарат с дисковым номеронабирателем, который позволял абонентам самим набирать номер и устанавливать связь быстрее, чем оператор. Пока не истек (в 1906 году) срок патента Строуджера, телефонные сети Bell Systems были на 100% ручными и не использовали автоматические станции. Выждав до 1906 года, AT&T избежала необходимости платить Строуджеру авторские гонорары за патент, но ее первые автоматические телефонные станции были установлены именно компанией Строуджера.

Квазиэлектронные и электронные АТС           

 По мере развития  технологий стали появляться  заменители традиционных электромеханических  коммутационных элементов— электронные и магнитные устройства, в которых отсутствовали подвижные части, а следовательно, практически исчезали механические повреждения, повышалось быстродействие, снижались габариты и масса. Первая коммерческая коммутационная станция ESS1 была введена в эксплуатацию 30 мая 1965 года в Суккасунне, штат Нью-Джерси (кстати, по соседству с первой бруклинской координатной АТС) и обслуживала 200 абонентов.     

 Название квазиэлектронные ATC предполагает сохранение пространственной аналоговой коммутации с применением механических контактов, но, одновременно, — использование электронных программируемых управляющих устройств. Для построения коммутационного поля в квазиэлектронных АТС применялись быстродействующие. малогабаритные коммутационные элементы с электрическим, магнитным или механическим удержанием контактов в рабочем состоянии. 

Цифровые ATG           

 Переход на цифровую  передачу и коммутацию немедленно  привел к резкому улучшению  качества речи, особенно в тех  случаях, когда участники соединения  были разделены большим расстоянием (для предотвращения потерь передаваемой  информации требуется множество  регенераторов, кумулятивный побочный  эффект которых — значительное  искажение сигнала, но цифровой  сигнал, в отличие от аналогового, очень легко восстанавливать).           

 Первой цифровой АТС  оказалась не разработка Bell Laboratories, а европейская станция Е10, установленная в 1970 году в Ланьоне, Франция. 

Микропроцессорная революция оказала влияние на архитектуру систем коммутации не только благодаря снижению стоимости управляющих компьютеров. Произошел отказ от полностью централизованного управления и переход к модульной архитектуре, появились удаленные микропроцессорные модули, разгрузившие основные системы и обеспечившие экономическую эффективность и в станциях малой емкости

 

МЕТОДЫ КОММУТАЦИИ

Существуют три принципиально различные схемы коммутации абонентов в сетях: коммутация каналов, коммутация пакетов и коммутация сообщений.

Сети с коммутацией каналов имеют более богатую историю, они ведут свое происхождение от первых телефонных сетей. Сети с коммутацией пакетов сравнительно молоды, они появились в конце 60-х годов как результат экспериментов с первыми глобальными компьютерными сетями. Сети с коммутацией сообщений послужили прототипом современных сетей с коммутацией пакетов и сегодня они в чистом виде практически не существуют.

1.КОММУТАЦИЯ  КАНАЛОВ

Коммутация каналов подразумевает образование непрерывного составного физического канала из последовательно соединенных отдельных канальных участков для прямой передачи данных между узлами. Отдельные каналы соединяются между собой специальной аппаратурой - коммутаторами, которые могут устанавливать связи между любыми конечными узлами сети. В сети с коммутацией каналов перед передачей данных всегда необходимо выполнить процедуру установления соединения, в процессе которой и создается составной канал.

Коммутаторы, а также соединяющие их каналы должны обеспечивать одновременную передачу данных нескольких абонентских каналов. Для этого они должны быть высокоскоростными и поддерживать какую-либо технику мультиплексирования абонентских каналов.

В сети с коммутацией каналов перед передачей данных всегда необходимо выполнить процедуру установления соединения, в процессе которой и создается составной канал. И только после этого можно начинать передавать данные.

Например, если сеть, изображенная на рисунке, работает по технологии коммутации каналов, то узел 1, чтобы передать данные узлу 7, сначала должен передать специальный запрос на установление соединения коммутатору A, указав адрес назначения 7. Коммутатор А должен выбрать маршрут образования составного канала, а затем передать запрос следующему коммутатору, в данном случае E. Затем коммутатор E передает запрос коммутатору F, а тот, в свою очередь, передает запрос узлу 7. Если узел 7 принимает запрос на установление соединения, он направляет по уже установленному каналу ответ исходному узлу, после чего составной канал считается скоммутированным, и узлы 1 и 7 могут обмениваться по нему данными.

Достоинства коммутации каналов

 
1. Постоянная и известная скорость  передачи данных по установленному  между конечными узлами каналу. Это дает пользователю сети  возможности на основе заранее произведенной оценки необходимой для качественной передачи данных пропускной способности установить в сети канал нужной скорости. 2. Низкий и постоянный уровень задержки передачи данных через сеть. Это позволяет качественно передавать данные, чувствительные к задержкам (называемые также трафиком реального времени) — голос, видео, различную технологическую информацию.

Недостатки коммутации каналов

1. Отказ сети в обслуживании  запроса на установление соединения. Такая ситуация может сложиться  из-за того, что на участке сети  соединение нужно установить  вдоль канала, через который уже  проходит максимально возможное  количество информационных потоков. Отказ может случиться и на  конечном участке составного  канала — например, если абонент  способен поддерживать только  одно соединение. 2. Нерациональное  использование пропускной способности  физических каналов. Та часть  пропускной способности, которая  отводится составному каналу  после установления соединения, предоставляется ему на все  время, т.е. до тех пор, пока соединение  не будет разорвано. Однако абонентам  не всегда нужна пропускная  способность канала во время  соединения. Невозможность динамического  перераспределения пропускной способности  ограничивает сеть с коммутацией  каналов, так как единицей коммутации  здесь является информационный  поток в целом. 3. Обязательная  задержка перед передачей данных  из-за фазы установления соединения.