3.6. СРАВНИТЕЛЬНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ СИСТЕМ КОММУТАЦИИ

Система коммутации в значительной степени определяет свойства сети в целом, в том числе и перечень возможных услуг, предоставляемых абонентам. Сравним различные системы коммутации по технико-экономическим характеристикам и перечню услуг, которые они предоставляют абонентам.

Использование каналов связи.

Основным преимуществом системы КС перед КК является высокая эффективность использования магистральных каналов, которая при КС достигает 80%, а в ЧНН может приближаться к 100%. Такую высокую эффективность при КС определяет наличие очереди сообщений, записанных в памяти узлов. Наличие очередей может приводить к задержке сообщения в сети, измеряемой минутами и даже десятками минут.

В сетях с КК загрузка каналов ограничивается допустимым процентом отказов из-за занятости всех каналов в пучке, которая обычно принимается равной 1...2%. В теории массового обслуживания для систем с отказами между долей вызовов, получивших отказ и числом каналов в пучке установлены отношения, которые иллюстрирует рис. 3.15. Например, при соотношение между числом каналов в пучке и коэффициентом к их использованию в ЧНН характеризуется следующими величинами: — 65%.

Поскольку каналы состоят, как правило, из нескольких участков, вероятность отказа на составном канале (общие потери) будет больше вероятности отказа на каждом из участков в отдельности:

где — число участков каналов, участвующих в соединении. Поэтому фактический коэффициент использования каналов в ЧНН окажется меньше, чем указано выше. Так, если на каждом из четырех участков сети общие потери вызовов составят . Увеличение потерь вызовов приводит к росту повторных вызовов, вследствие чего повышается загрузка каналов и увеличивается вероятность отказа в соединении Поэтому ухудшение качества обслуживания ниже известного предела приводит к лавинообразному возрастанию числа повторных вызовов и, как результат, к нарушению действия сети с КК.

На сетях с КК за абонентами закрепляются оба направления передачи — прямое и обратное (рис. 3.16, а), а обмен между абонентами на сетях ПДС в большей части бывает односторонним с чередующимися периодами передачи и приема. При передаче сообщений в одном направлении обратное направление не используется для передачи сообщений, что приводит к двукратному снижению степени использования каналов на сетях с КК по сравнению с сетями с КН (рис. 3.16,б). Эффективность использования каналов на сетях с КК несколько снижается еще и потому, что между узлами образуется не один пучок каналов, как на сетях с КН (рис. 3.16, в), а несколько отдельных, более мелких пучков (рис. 3.16, г) с разными скоростями передачи. На сетях с КП из-за наличия постоянной очереди на передачу обеспечивается теоретически столь же высокое использование каналов, как на сетях с КС. То обстоятельство, что длина очереди на передачу в системах с КП по сравнению с КС гораздо меньше, не ухудшает сколько-нибудь заметно использования каналов — важно то, что очередь хотя и небольшая, но существует. Необходимо отметить, что в системах с накоплением сообщений в центрах коммутации есть возможность улучшения использования магистральных каналов (рис. 3.17, а — при КК; рис. 3.17, б — при КН) путем повышения скорости передачи по ним.

Кроме сообщений от абонентов по каналам сети передаются служебные данные: номера абонентов, запросы и дополнительные услуги, подтверждения о доставке и т. п. На сетях с КК основная часть служебных данных передается лишь в начале связи, во время установления соединения, после чего может быть передан большой объем полезных сообщений. Поэтому доля последних в общей загрузке каналов на сетях с КК максимальна. На сетях с КС и КП доля полезных сообщений меньше, так как служебные данные передаются с каждым сообщением (пакетом).

Рис. 3.16. Использование двусторонних каналов при системе: а — КК; б — КН и пучков каналов при системе, в — КН. г — КК

Рис. 3.17. Скорости передачи дискретных сообщений при: а — КК: б — КН

Наименьшая доля полезных сообщений будет, естественно, на сетях с КП, поскольку длина пакетов сравнительно невелика и, кроме того, для управления потоками пакетов требуется передача служебных данных Например, на действующих сетях с КП доля полезных сообщений составляет около 10...20% и предполагается ее увеличение до 30 ... 40%.

Нормальное фукционирование сети с КС не зависит от неравномерности суточной нагрузки, а сетей с КК и КП — существенно зависит, что приводит к необходимости использования дополнительных каналов или ограничения входящей нагрузки Следовательно, число магистральных канатов зависит от шести факторов неравномерности суточной нагрузки, наличия очередей в узлах коммутации, двустороннего или одностороннего характера использования канала, возможности повышения скорости передачи по межузловым каналам, дробления пучков при КК, обусловленного разными скоростями передачи по каналам, необходимости в передаче служебных данных

Следует отметить, что приведенный анализ использования каналов предполагает постоянную загрузку канала сообщениями после установления соединения Такое условие далеко не всегда выполняется Так, при обмене данными оператора АП с ЭВМ активный период составляет 1 10% времени сеанса связи В этом случае закрепленный канал при КК будет в паузах простаивать При КП этого простоя может не быть, так как межузловые каналы закрепляются не за абонентом, а находятся в коллективном пользовании. Малое время установления соединения в цифровых сетях ПДС с КК достигается путем освобождения каналов или входов ИС (ЭВМ) или тех и других одновременно в паузах диалога Такой режим использования сети с КК получил название быстрой коммутации каналов (БКК)

Особенно эффективным является режим БКК, при котором на время пауз освобождаются абонентские линии, входы систем обработки данных, межузловые каналы В режиме БКК за счет высокого быстродействия ЭВМ в УК и высокоскоростных общих каналов сигнализации (ОКС) время установления соединения составляет около 1 с, что соизмеримо с сетями КП

Существенное влияние на эффективность сети ПДС оказывает использование абонентских линий, поскольку их удельный вес в общей стоимости сети при малой плотности абонентов весьма велик Система КС допускает весьма высокую загрузку абонентской линии — в среднем до 0,8 Эрл (по сравнению с 0,3 Эрл в системах с КК) Для сети с КС характерно также отсутствие загрузки линии повторными вызовами, возможными в сетях с КК и КП Это иногда позволяет в сети с КС сократить число абонентских линий и оконечных установок для абонентов, обладающих высокой загрузкой В телеграфной сети общего пользования, где загрузка оконечных установок обычно большая, последнее преимущество КС оказывается очень важным В сетях с КП использование абонентских линий вдвое лучше, чем в сетях с КК, за счет одностороннего характера передачи, но хуже, чем в сетях с КС

Таким образом, можно сделать вывод о том, что наилучшее использование пропускной способности магистральных каналов и абонентских линий обеспечивает система с КС, а наименьшее — система с КК Улучшить использование пропускной способности межузловых каналов в системе с КК можно, применяя многоканальные системы разделения сигналов с АВР и режим БКК

Преобразование скоростей, кодов, алгоритмов.

Весьма важным следствием наличия накопления сообщений или их частей в УК является возможность выдачи сообщений, отличающихся от принятых такими признаками, как код, скорость и др В сетях с КН каждый из абонентов независимо от скорости передачи и принятого в оконечной установке кода может связаться с любым другим В сетях с КК абонентские установки в зависимости от их скорости передачи включены в отдельные подсети

Верность передачи сообщений

Сети с КН обеспечивают большую верность передачи сообщений, чем сети с КК, так как повышение верности производится не в длинном сквозном канале, а в межузловых каналах В синхронных цифровых сетях ПД с КК благодаря регенерации сигналов во всех элементах сети (каналах, мультиплексорах, УК) обеспечивается высокая верность передачи (коэффициент ошибок меньше, чем 10 6 на знак), что удовлетворяет подавляющее большинство пользователей

Предоставляемые сетью услуги

Одна из особенностей сетей с КС — простота организации многоадресной (циркулярной) связи В сетях с КК можно также создать многоадресные соединения, но лишь в тех случаях, когда в оконечных установках не используется обратная связь для повышения скорости Низкое качество существующих каналов делает невозможным отказ от применения обратной связи, поэтому осуществление многоадресной связи в сетях с КК весьма ограничено Кроме того, установление многоадресной связи в сетях с КК требует незанятости всех абонентов, которые должны участвовать в соединении Это условие трудно выполнимо, особенно при значительном числе адресатов, поскольку вероятность незанятости всех требуемых абонентов резко падает с увеличением их числа

Радикальный способ уменьшения вероятности занятости абонентов заключается в резком снижении допустимой нагрузки абонентских линий (т. е. в реализации достаточно высоких скоростей передачи), что может быть обеспечено в цифровых сетях ПД К тому же цифровые сети с КК позволяют в большинстве случаев обходиться без специальных мер защиты от ошибок, что способствует дальнейшему улучшению перспектив многоадресной передачи на сетях с КК

Характерной особенностью метода КС является легкость введения категорий срочности, различаемых по допустимому времени доставки сообщения получателю («приоритет сообщений»). Эта особенность — прямое следствие того, что сообщение может быть задержано в УК значительное время. В сетях, в которых длительная задержка сообщения исключена (КК, КП), использование приоритетов сообщений практически невозможно. Единственная возможность введения приоритетов здесь состоит в предоставлении (или непредоставлении) соединения с УК («приоритет абонентов»). Это соединение может быть предоставлено немедленно, несмотря на загрузку сети, за счет отказа в соединении абонентам низшей категории. Часто используется ожидание освобождения занятого пути в течение небольшого отрезка времени.

Естественным следствием наличия большой памяти в узле КС является возможность задержанной доставки сообщения, т. е. выдачи сообщения получателю в удобное для него время (а не во время работы отправителя). Задержанная доставка — это услуга, полезная при организации сети на территориях большой протяженности, охватывающих ряд часовых поясов.

Память (и соответственно очереди) в УК оказывает непосредственное влияние не только на загрузку каналов, но и на способность работы узла в режиме диалога. Совершенно очевидно, что достаточно большой объем памяти приводит к появлению значительных задержек в передаче сообщений через УК. Вследствие этого узлы КС не способны передавать сообщения в режиме диалога. Наиболее близки требованиям работы в режиме диалога узлы КК. Узлы КП задерживают сообщения в своей памяти на большее время, чем узлы КК, однако суммарное время нахождения пакета в сети (доли секунд — единицы секунд) обычно приемлемо для диалоговой связи.

Время доставки сообщений.

По сравнению с сетями с КС сети с КК обеспечивают в принципе меньшее время передачи сообщений за счет исключения времени накопления сообщений в узлах. Однако это преимущество сетей с КК весьма относительно, если учитывать возможность передачи сообщений между узлами КС со скоростями, более высокими, чем скорости поступления сообщений от абонентов.

Основной целью при разработке системы КП было обеспечение малого времени доставки информации от ИС ее получателю. Для работы в интерактивном режиме время передачи пакета по сети КП в одном направлении не должно превышать 0,5 с. Если считать, что пакет в среднем проходит четыре УК транзитом, то с учетом оконечных УК цикл «запись — считывание» в ЗУ происходит 5 раз.

Рис. 3.18. Временная диаграмма прохождения сообщений по сети: а - с КС, б - с КП (на рисунке а, б, в, г — время прохождения пакетов по каналам связн между УК, А, Б, В, Г — время задержки пакетов в УК)

Полагая, что среднее время ожидания очереди в каждом УК равно времени передачи одного пакета, получим, что это время, равное циклу «запись — считывание» в ЗУ, составляет 0,05 с. При длине пакета 2000 бит скорость передачи на межузловом участке должна составлять 2000/0,05=40 кбит/с. Обычно используется стандартизованная скорость передачи 48 кбит/с. Время передачи по сетям с КП меньше, чем по сетям с КС. Это достигается в результате возможности передачи пакетов в УК КП сразу после его поступления, не дожидаясь приема всего сообщения, как это имеет место в УК КС. Это положение иллюстрируется рис. 3.18.

Необходимо отметить, что при КП малое время доставки данных обеспечивается для однопакетных сообщений, которые преобладают в сетях ЭВМ. Для длинных сообщений скорость передачи на сетях с КП снижается за счет большой удельной доли адресной и другой управляющей информации и перемешивания пакетов одних сообщений с пакетами других сообщений. Поэтому для передачи длинных сообщений более эффективными оказываются сети с КК.

Устойчивость сети к перегрузкам.

Понятие устойчивости сети к перегрузкам, вообще говоря, неоднозначно и может определяться по-разному. Если под устойчивостью к перегрузкам понимать обеспечение максимально возможной пропускной способности в условиях перегрузки, то сеть с КС наиболее устойчива вследствие практически неограниченной памяти в узлах коммутации. В случаях значительной перегрузки (например, при повреждениях или непредвиденном возрастании нагрузки) на сетях с КК и КП может быть обеспечена нормальная передача сообщений только для малой части абонентов, а большая часть абонентов будет получать отказы.

Из проведенного сравнения следует, что нет оснований противопоставлять разные системы коммутации, каждая из них имеет рациональные области применения, определяемые характером потоков нагрузки на сети и требованиями абонентов.

В то же время ни одна из систем коммутации не обеспечивает эффективного построения сети связи для достаточно широкого класса сообщений и разнообразных требований абонентов. Вследствие этого в последнее время начали разрабатываться гибридные сети, в которых используется не одна, а две или даже три системы коммутации.

Сочетание разных систем коммутации особенно целесообразно на сетях, объединяющих большое число абонентов с отличающимися друг от друга величинами нагрузки, характером ее распределения во времени, объемами сообщений, используемой оконечной аппаратурой. На таких сетях при небольшой средней нагрузке и передаче сообщений большими массивами в небольшое число адресов доля потери времени на установление соединений сравнительно невелика и предпочтительнее использовать систему с КК. При передаче же многоадресных сообщений, необходимости обеспечения приоритетности сообщениям высокой категории срочности и при большой загрузке абонентских установок более эффективно использовать систему с КС. При передаче коротких сообщений в интерактивном режиме наиболее целесообразна система с КП.

В качестве одного из вариантов такого совмещения рассмотрим сеть, построенную на основе систем КК и КП. Известно, что при отказах порядка 1 % использование пропускной способности каналов в системе КК не превышает 50%. Остальные 50% пропускной способности могут быть использованы для передачи пакетов при сравнительно небольшом увеличении отказов. Длинные сообщения в такой сети передаются методом КК, реализуемым на основе коммутации байтов, а короткие и многоадресные — методом КП. Последний в случае необходимости обеспечивает также преобразование скоростей, кодов и способов передачи. Достоинством рассматриваемой сети является использование общего пучка каналов для передачи сообщений всех видов.

Разрабатываются совмещенные сети ПДС, в которых предусматривается адаптивное перераспределение пропускных способностей между разными системами коммутации в зависимости от состояния входных потоков.