Глава 3. СЕТИ ПЕРЕДАЧИ ДИСКРЕТНЫХ СООБЩЕНИЙ

3.1. НЕКОММУТИРУЕМЫЕ И КОММУТИРУЕМЫЕ СЕТИ ПДС

Современные информационно-вычислительные сети (ИВС), автоматизированные системы управления (АСУ), телематические службы (ТС) и телеграфные службы используют в качестве транспортной системы сети ПДС. Абоненты ИВС и ТС (ЭВМ, терминальные устройства) являются источниками и потребителями информации, которая передается по системам ПДС.

Сети ПДС, относящиеся ко вторичным сетям Единой автоматизированной сети связи (ЕАСС), представляют собой совокупность пунктов и линий (каналов) связи и предназначены для доставки сообщений, преобразованных в электромагнитные сигналы, в соответствии с заданным адресом при условии обеспечения заданных качественных показателей по времени доставки, верности и надежности. Пункты сети разделяются на оконечные (ОП) и узлы связи (УС).

Рис. 3.1 Сеть некоммутируемых каналов

Рис. 3.2 Децентрализованная система коммутации

Оконечные пункты содержат комплекс устройств, позволяющих источнику (получателю) информации осуществлять ввод-вывод дискретных сообщений. Оконечный пункт, расположенный непосредственно у пользователя — абонента системы ПДС, называется абонентским (АП). Узлы связи осуществляют распределение сообщений на сети. Различают два основных вида УС: коммутационные и сетевые. Узлы коммутационные (УК) осуществляют кратковременные соединения входящих в узел каналов (линий), а сетевые узлы — долговременные (кроссовая коммутация)

Каналы ПДС представляют собой совокупность технических средств и среды распространения, которая обеспечивает при подключении ОП передачу с помощью электромагнитных сигналов дискретных сообщений от ИС к их получателям.

Сети, в которых абоненты связаны друг с другом постоянно закрепленными (арендованными) каналами, причем каждый канал используется для обмена сообщениями только между этими абонентами, называются некоммутируемыми (рис. 3.1). Если для передачи информации между абонентами необходима сеть из двусторонних каналов, то такая сеть называется полносвязной. Применение сетей данного типа экономически оправдано только в тех случаях, когда имеется необходимость в непрерывном взаимодействии одних и тех же абонентов, передаче между ними потоков сообщений, полностью исчерпывающих пропускную способность каналов, в сочетании с очень высокими требованиями ко времени установления соединения, верности и надежности передачи сообщений. Поэтому такие сети находят применение в основном в сферах управления технологическими процессами промышленности, на транспорте и в военном деле.

Чтобы любой из абонентов имел возможность обменяться информацией со всеми абонентами, каждый ОП должен иметь входов-выходов.

В противном случае каждый из абонентов сети во время обмена информацией с каким-либо другим абонентом окажется не в состоянии обеспечить связь с другими абонентами сети. Учитывая случайный характер нагрузки и, следовательно, малую вероятность одновременного обмена информацией каждого из ОП со всеми остальными, можно (естественно, при ухудшении качества обслуживания) ограничиться меньшим числом входов-выходов, при этом в ОП для подключения абонентов к любому каналу должен иметься переключатель на положений (рис. 3.2). Такая сеть называется сетью с децентрализованной системой коммутации. Число мест — точек коммутации, в которых осуществляется соединение в такой сети, .

Более эффективной в большинстве случаев оказывается централизованная система коммутации, осуществляемая не у отдельных абонентов, а в одном или нескольких местах — узлах (станциях) коммутации. Таким образом, назначением УК является распределение сообщений в сети. При централизованной коммутации в одном узле требуемое число каналов , т. е. меньше, чем при децентрализованной коммутации в раз, а число точек коммутации остается тем же самым (рис. 3.3). При централизованной системе коммутации есть возможность уменьшить вдвое необходимое число точек коммутации , так как централизация позволяет устанавливать соединение не через две, а через одну точку коммутации (рис. 3.4). При этом все абоненты могут быть одновременно заняты обменом сообщениями, т. е. имеет место неблокирующаяся схема коммутации.

При меньшем, чем , числе точек коммутации не все абоненты имеют возможность обмениваться сообщениями одновременно. В такой системе возможны блокировки, когда все точки коммутации заняты и некоторое число абонентов (тем большее, чем меньше точек коммутации) не могут осуществить обмен сообщениями до их освобождения. Число точек коммутации существенно влияет на сложность, габаритные размеры, стоимость коммутационного оборудования и его эксплуатацию. В то же время от него зависит качество обслуживания абонентов: вероятность блокировки и время ожидания.

Таким образом, в результате замены децентрализованной сети на централизованную с одним УК, с одной стороны, может быть получен значительный технико-экономический эффект от уменьшения числа каналов (и их длины) и сокращения коммутационного оборудования, а с другой стороны, возникает возможность блокировки и, как следствие, увеличение времени доставки сообщений получателю. Нахождение разумного компромисса между этими противоречащими друг другу факторами и составляет основную задачу построения сетей связи, в частности, сетей ПДС.

Рис. 3.3 Централизованная система коммутации

Рис. 3.4 Неблокирующая система коммутации

В централизованной сети с одним УК линии между абонентами и УК (абонентские линии—ЛЛ) могут оказаться очень длинными, что неэкономично, так как эти линии являются индивидуальными. Это особенно существенно в сетях ПДС, для которых характерны небольшая плотность абоненте и небольшое относительное время работы. Естественно поэтому стремление к уменьшению длины АЛ, что может быть достигнуто двумя путями: увеличением числа УК на сети и тем самым приближением УК к абонентам или применением концентраторов, т. е. устройств, объединяющих нагрузку группы близко расположенных абонентов с том неодновременности их работы, что позволяет уменьшить число каналов на участке «УК — концентратор».

Таким образом, оказывается целесообразным построение сети с несколькими УК. Для обеспечения возможности взаимодействия всех абонентов сети с несколькими УК необходимо все узлы соединить друг с другом (линии, соединяющие УК, называются магистральными). По тем же соображениям, по которым соединять оконечные установки через УК целесообразнее, чем применять децентрализованную систему коммутации, имеет смысл для связи всех УК друг с другом использовать специальные УК для коммутации магистральных линий. Узлы, в которые не включаются оконечные установки, называют узлами верхнего уровня по отношению к узлам нижнего уровня, служащим для подключения абонентских линий. Сеть с узлами двух и более уровней называется иерархической. Узлы, в которые включают АЛ, называются оконечными, а узлы, в которые включают соединительные линии (СЛ), — транзитными. Наряду с оконечными применяются смешанные (оконечно-транзитные) узлы.

Транзитные узлы, в свою очередь, могут соединяться между собой магистральными линиями, т. е. могут образовываться транзитные узлы более высоких уровней. Сообщения от одного абонента могут проходить через несколько транзитных узлов и два оконечных узла: исходящий и входящий.

Рис. 3 5. Принципы построения сетей а — «каждый с каждым», б — радиальный; в — радиально-узловой

Сеть, содержащая УК, называется коммутируемой. Такая сеть при случайно изменяющемся характере потоков сообщений позволяет более полно использовать пропускную способность каналов. В силу указанных выше достоинств при передаче дискретных сообщений применяют централизованные коммутируемые сети иерархической структуры. Децентрализованные коммутируемые сети используются только в космических системах связи из-за сложности реализации на искусственном спутнике Земли узла коммутации.

Узлы централизованных сетей могут соединяться по принципу: «каждый с каждым», радиальному или радиально-узловому. При соединении по принципу «каждый с каждым» (рис. 3.5,а) число пучков каналов ПДС на сети получается очень большим и равно , где — число узлов на сети, а емкость каждого пучка соответственно мала. Как известно, качество обслуживания абонентов (число отказов или задержанных выше нормативного времена соединений) тем хуже, чем меньше емкость пучка каналов. Однако сети с большим числом пучков каналов обладают высокой «живучестью», так как при выходе из строя каналов основного направления (непосредственно связывающих данные УК) имеется большое число каналов обходных направлений, связывающих данные узлы через другие УК.

При радиальном принципе соединения узлов (рис. 3.5, б) количество пучков каналов на сети равно раз меньше, чем в случае соединения каждого узла с каждым. При этом и пучки каналов становятся крупнее, так как в каждом из них объединяется нагрузка к узлу. Несмотря на указанные достоинства, этот принцип построения сетей обладает низкой «живучестью» (имеется возможность выхода из строя всей сети при повреждении центрального узла) и неприемлем для сетей, охватывающих большие территории, поскольку связи между соседними узлами чрезмерно удлиняются.

При радиально-узловом принципе построения сети образуются узлы различных уровней (так, на рис. 3.5, в показаны УК трех уровней). Число пучков каналов между узлами в этом случае равно или больше, чем но меньше, чем

Для обеспечения высокой «живучести» сети, сокращения длины линий между узлами, имеющими большое взаимное тяготение, и сохранения достаточно больших пучков каналов применяют комбинированный принцип построения, при котором узлы высшего уровня соединяются между собой по принципу «каждый с каждым», а остальные узлы — с узлами высшего уровня по радиальноузловому принципу. При этом в отдельных случаях между соседними узлами, имеющими большое взаимное тяготение, организуются прямые связи. Для повышения пропускной способности сети (уменьшения числа отказов в установлении соединений и времени передачи сообщений), ее надежности и живучести оконечные узлы включаются в два ближайших транзитных узла. Кроме того, при наличии больших потоков информации отдельные оконечные узлы соединяются друг с другом. Определение оптимального числа узлов и мест их размещения на сети представляет сложную техникоэкономическую задачу, потому что при увеличении числа узлов на сети сокращаются расстояния между ними, за счет объединения нагрузки увеличиваются пучки каналов и, следовательно, сокращается общая стоимость каналов. В то же время увеличение числа узлов приводит к росту стоимости оборудования коммутации.