СПОСОБ ГИБРИДНОЙ КОММУТАЦИИ ЦИФРОВЫХ КАНАЛОВ СВЯЗИ Российский патент 2002 года по МПК H04L12/64 

Изобретение относится к области информационно-вычислительных сетей и может быть использовано при проектировании цифровых сетей интегрального обслуживания.

Известен способ гибридной коммутации, позволяющий коммутировать каналы в режиме синхронной цепи и в режиме синхронного и асинхронного пакета (см. патент ЕПВ (ЕР) А1. 0403911, кл. H 04 L 12/64, 1991 г.). Данный способ основан на использовании режима разделения времени между абонентами, причем временной интервал доступа присваивается различным абонентам в режиме коммутации пакета, что ограничивает требуемую оперативную память центров коммутации. Однако данный способ не обеспечивает эффективного использования каналов связи, так как при подобном управлении неизбежно возникают паузы между моментом отправки сообщения и моментом выдачи отправителем очередного сообщения.

Известен способ адаптивной коммутации, обеспечивающей организацию на сети соединений в режиме коммутации каналов с одновременной передачей сообщений в режиме коммутации пакетов. При этом осуществляется динамическое перераспределение пропускной способности трактов сети между потоками сообщений, передаваемых в режимах коммутации каналов и пакетов (см. Самойленко С. И. Метод адаптивной коммутации. - "Электросвязь", 6, 1981 г.). Недостаток данного способа коммутации состоит в том, что сообщения разбиваются на блоки и записываются в общее поле памяти независимо от способа коммутации. Выбор того или иного способа коммутации осуществляется в режиме с отказами при отсутствии свободных ячеек памяти. Кроме того, различные блоки одного и того же сообщения могут передаваться с использованием различных методов коммутации, что приводит к нарушению масштаба времени всего сообщения.

Наиболее близким по технической сущности способом, выбранным в качестве прототипа, является способ гибридной коммутации, основанный на интеграции коммутационного оборудования, необходимого для реализации каждого метода коммутации: каналов и пакетов (Jenny Christian J., Kummerle Karl, Burge Helmut. Network node with integrated circuit /Packet switching capabilities. - "Communes. Networks Eur. Comput. Conf. , London, 1975". Oxbridge, 1975, 207-228).

Особенностью данного способа является использование модульной структуры при его реализации, где перераспределение ресурсов сети осуществляется центральным процессором. Однако при установлении режима коммутации каналов поток информации управляется без участия центрального процессора. Это означает, что переход от одного режима коммутации к другому происходит без учета текущего состояния сети, что может приводить либо к ее блокировкам, либо к неоправданным отказам в обслуживании, либо к неэффективному использованию ресурсов сети при передаче длинных сообщений. Кроме того, передача длинных сообщений в режиме коммутации пакетов неизбежно приведет к нарушению реального масштаба времени.

Цель изобретения - предотвращение блокировок сети, повышение эффективности использования каналов связи при заданном уровне отказов в обслуживании и сохранение масштаба времени при передаче длинных сообщении.

Поставленная цель достигается тем, что в результате диалога выясняют длину сообщения (L) и сравнивают эту длину с пороговым значением L_п=k•L_кр+b, где L_кр- заранее установленная для каждой конкретной сети критическая длина сообщения; k - коэффициент пропорциональности, учитывающий степень занятости объема памяти; b - величина, отражающая динамику изменения графика. Если длина сообщения превышает пороговое значение L>L_п, устанавливают реальное соединение и сообщение передают в режиме коммутации каналов, а если L<L_п, сообщение запоминают, разбивают на пакеты и устанавливают виртуальное соединение.

Таким образом, уведомление центра коммутации о длине подлежащего передаче сообщения в фазе установления соединения позволяет предотвратить коллизии в сети, связанные с переполнением памяти узлов коммутации, повысить эффективность использования каналов связи за счет передачи очень длинных сообщений в реальном масштабе времени и уменьшить общее число сообщений, получающих отказ в соединении по причине отсутствия свободных буферов памяти. При этом хранение длинных сообщений возложено на вызывающего абонента, причем время хранения не должно превышать некоторой величины τ в соответствии с рекомендацией Q.543 сектора JTU - Т (бывшего МККТТ).

Осуществление предлагаемого способа поясняется с помощью фиг.1-4.

Структурная схема устройства, реализующего данный способ, представлена на фиг.1. Предполагается использовать модульную структуру центра коммутации, включающего модуль управления 1, модуль идентификации 2, модуль промежуточной памяти 3, модули доступа и сопряжения линий связи с центром коммутации 4, 5, информационные входы и выходы которых соединены между собой посредством магистрали 6. Входящая линия 7 через модуль доступа 4 подключена к другому входу блока идентификации 2, другой выход которого подсоединен ко второму входу модуля промежуточной памяти 3, второй выход которого через модуль доступа и сопряжения 5 соединен с исходящей линией 8, при этом третий выход модуля идентификация 2 через модуль сопряжения 5 подключен к исходящей линии 9.

Пример реализации модуля идентификации 2 представлен на фиг.2. Он содержит первый цифроаналоговый преобразователь 10, вход которого является другим входом модуля идентификации 2, а выход соединен с первым входом схемы сравнения 11, выход которой подключен к S-входу управляющего триггера 12, прямой и инверсный выходы которого соединены с первыми входами первого 13 и второго 14 элементов И (логического умножения), соединенных вторыми входами с входом первого цифро-аналогового преобразователя 10. Выходы первого 13 и второго 14 элементов И подключены к другому и третьему выходам модуля идентификации 2, причем второй вход схемы сравнения 11 подключен к выходу суммирующего усилителя 15, один вход которого соединен с выходом второго цифроаналогового преобразователя 16 непосредственно, а другой вход - через дифференцирующий элемент 17, при этом вход цифроаналогового преобразователя 16 соединен с магистралью 6, a R-вход триггера 12 подключен к клемме "Установка" 18.

Предлагаемый способ состоит из последовательности взаимосвязанных операций. Центр коммутации осуществляет коммутацию каналов и пакетов, при этом предполагается интеграция коммутационного оборудования, необходимого для реализации каждого способа коммутации. В состав центра коммутации входит четыре вида модулей, выполняющих определенные функции:
модуль управления 1 служит для управления и контроля соединения исходящих и входящих линий, выполняет функции управления центром коммутации и маршрутизацией сообщений, а также функции по вычислениям, логике и другие, связанные с учетом и контролем текущего состояния сети;
модуль идентификации 2 распределяет сообщения по их длине с учетом текущего состояния сети и, по существу, является блоком принятия решения на осуществление того или иного метода коммутации;
модуль промежуточной памяти 3 выделяет буферную память для хранения пакетов и производит их обработку;
модули доступа и сопряжения линий связи 4, 5 осуществляют сопряжение входящих и исходящих линий с центром коммутации.

Все модули могут обмениваться информацией посредством магистрали 6. Такая структура центра коммутации позволяет осуществлять управление его работой простым процессором.

Центр коммутации работает в двух режимах.

В фазе установления соединения происходит диалог между вызывающим абонентом и центром коммутации, в ходе которого центр коммутации выясняет длину сообщения и адрес вызываемого абонента. В конце этой фазы выбирается метод коммутации посредством анализа длины сообщения и занятости буферной памяти. Если длина сообщения не превышает критическую величину, т.е. L<L_кр, а все буферы канала, установленного для передачи сообщения адресату, свободны, то сообщение передается на выход первого элемента И 13, первый вход которого в исходном состоянии находится под высоким потенциалом, снимаемым с инверсного выхода управляющего триггера 12, и далее поступает в модуль промежуточной памяти 3, где разбивается на пакеты и через модуль доступа и сопряжения 5 поступает в исходящую шину 8 для передачи по виртуальному соединению. Модуль управления 1 обеспечивает модуль промежуточной памяти 3 информацией, необходимой для формирования заголовков пакетов, размещает пакеты в выделенной части буфера памяти, пересылает адрес буфера в адресный регистр модуля 5, обрабатывающего выходящую линию 8. В центрах коммутации транзитных узлов и узла назначения также выделяется необходимый объем буферной памяти для каждого виртуального соединения под пересылку или сборку сообщения соответственно.

Если длина сообщения превышает пороговую величину, т.е. L>L_кр, то независимо от состояния буферной памяти и величины трафика принимается решение об установлении физического соединения и передаче сообщения в режиме коммутации каналов. В этом случае сообщение может быть передано непосредственно в модуль доступа и сопряжения 5 и без участия модуля управления 1 путем подачи соответствующего уровня потенциала на второй вход схемы сравнения 15 модуля идентификации 2. Функции модуля управления 1 в этом случае сводятся только к анализу адресной части сообщения и установлению физического соединения. Если часть буферной памяти занята и(или) недостаточна для размещения всего сообщения, то принятие решения об использовании метода коммутации каналов принимается в блоке идентификации 2 в соответствии с выражением L>k•L_кр+b путем подачи соответствующих потенциалов на первый и второй входы схемы сравнения 11.

Если информация о длине сообщения (L) и пороговое значение (L_п) задаются в двоичном коде, то в примере реализации блока идентификации 2 на фиг.2 цифроаналоговые преобразователи 10 и 16 непосредственно преобразуют код в напряжения, которые сравниваются в схеме сравнения 11. Если же значения L и L_п задаются каким-либо иным кодом, то перед элементами 10 и 16 необходимо поставить дешифраторы, преобразующие этот код в двоичный.

Код, соответствующий длине передаваемого сообщения, поступает на вход первого цифроаналогового преобразователя 10 по окончании диалога, в то время как на вход второго цифроаналогового преобразователя 16 поступают текущие значения L_п, вычисляемое процессором в течение всего времени функционирования сети с учетом состояния буферов памяти. В примере реализации схемы блока идентификации 2, представленном на фиг.2, пороговое значение L_п может быть рассчитано по формуле

где m - общий объем памяти; m_з(t) - текущее значение занятого объема памяти; - производная по времени от занятого объема памяти; β - коэффициент пропорциональности.

Если истинная длина сообщения, преобразованная в напряжение цифроаналоговым преобразователем 10, превысит порог U_п = α•L_п (α - коэффициент передачи цифроаналогового преобразователя), то на выходе схемы сравнения 11 появится высокий потенциал, при котором триггер 12 перейдет во второе устойчивое состояние и на его прямом выходе появится высокий потенциал. Первый элемент И 13 закроется, а второй элемент И 14 откроется. Модуль идентификации 2 готов к передаче сообщения через модуль 5 в исходящую линию 9. После установления сквозного канала до адресата центр коммутации инициирует передачу сообщения. В противном случае, если соединение не установлено, абонент получает отказ.

Учет динамики изменения трафика в схеме на фиг.2 реализован на суммирующем усилителе 15, на один вход которого подается U_п, а на второй вход - его производная ∂U_п/∂t, знак которой повышает или снижает порог U_п в зависимости от того, увеличивается или уменьшается число занятых буферов в данный момент, изменяя тем самым соотношение между обоими режимами коммутации (см. фиг.3).

После передачи сообщения управляющий триггер 12 возвращается в исходное состояние, например, путем подачи сигнала "Сброс" на его R-вход из модуля управления 1 через клемму 18.

Таким образом, согласно фиг.3 при длинных сообщениях и увеличивающемся трафике будет преобладать метод коммутации каналов и, наоборот, если будут поступать короткие сообщения при сильно пульсирующем трафике, передачу сообщений целесообразно осуществлять с использованием метода коммутации пакетов. Использование того или иного режима определяется выбором величины L_кр. Если число занятых буферов (m_з) и величина b могут контролироваться в пределах данного коммутационного узла или во всей сети в зависимости от принятого метода маршрутизации, то критическая длина сообщения (L_кр) является проектным параметром и устанавливается на стадии проектирования конкретной сети.

Общее число пакетов фиксированной длины (L_пак), которые могут быть сформированы из сообщения длиной L, определяется соотношением

т. е. не должно превышать объем буферной памяти, так как, в противном случае, сообщение получает отказ или должно разбиваться на блоки.

Таким образом, критическую длину сообщения можно определить из соотношения (1):
L_кр=L_пак•m. (2)
Для одноканальной сети как системы массового обслуживания с ожиданием вероятность получения сообщением отказа в обслуживании равна [1]

где ρ = λ/μ - коэффициент загрузки сети; λ - интенсивность поступления сообщений; μ - интенсивность обслуживания; Р_отк ^треб - требуемое значение вероятности отказа в обслуживании.

Решая уравнение (3) относительно m для предельного значения Р_отк, получим

Выражения (2) и (5) позволяют определить критическую длину сообщения с учетом загрузки сети и требуемого значения вероятности отказа:

Условие выбора критической длины сообщения (5) не учитывает структуру сети и такие ее показатели, как время задержки сообщения в сети, общий трафик сети, стоимость сети и другие показатели, являющиеся исходными данными при проектировании сети.

Исследования, проведенные авторами изобретения [2], позволяют провести более обоснованный выбор L_кр с учетом перечисленных показателей. Минимальное среднее время задержки сообщения в сети может быть вычислено из соотношения [2]

где γ - общий трафик сети; С_зад - стоимость передачи единицы количества информации; k - коэффициент пропорциональности;


- оптимальное значение коэффициента загрузки; n - общее число узлов сети.

Кривые зависимостей Tmincp

= f(ρ_опт) и P_отк = ϕ(ρ_опт), построенные в соответствии с выражениями (6) и (3), приведены на совмещенном графике фиг.4. Анализ кривых показывает, что требуемая вероятность отказа Р_отк ^треб=0,01 достигается при количестве буферов m=20 и коэффициенте загрузки сети ρ=0,9 (точка В). При этом для достаточно сложной сети, содержащей n=40 коммутационных узлов, и напряженном трафике γ=36 пакетов/с, среднее время задержки сообщений Т_cp ^min=7 с. (точка А) и не зависит от стоимости сети. В соответствии с выражением (5) критическая длина сообщения L_кр=20480 бит при длине пакета L_пак=1024 бит.

Таким образом, проведенный анализ подтверждает целесообразность передачи длинных сообщений методом коммутации каналов, так как это не только обеспечивает сохранение масштаба времени, но и служит достижению указанных целей изобретения.

ЛИТЕРАТУРА
1. Вентцель Е.С. Исследование операций. - М.: Наука, 1989. - 552 с.

2. Липец Г.И., Фомин. Л.А., Зданевич С.Н., Павленко Н.А., Будко П.А. Синтез сети передачи данных при ограниченных сетевых ресурсах. //Сб. науч. тр. : Системы обработки информации. - Харьков: НАНУ, ПАНИ, ХВУ, 2000. - Вып.1 (7). - С. 65-71.

Изобретение относится к области информационно-вычислительных сетей и может быть использовано при проектировании цифровых сетей интегрального обслуживания. Технический результат заключается в предотвращении блокировок сети, повышении эффективности использования каналов связи при фиксированном уровне отказов в обслуживании и сохранении масштаба времени при передаче длинных сообщений. В фазе установления соединения организуют диалог между центром коммутации и вызывающим абонентом, в результате диалога выясняют длину сообщения L, которую сравнивают с пороговым значением L_п=k•L_кp+b, причем если длина сообщения превышает пороговое значение, т.е. L>L_п, то устанавливают физическое соединение и передачу сообщения осуществляют в режиме коммутации каналов, а при L<L_п сообщение запоминают, разбивают на пакеты и передачу сообщения осуществляют в режиме коммутации пакетов с передачей их по виртуальному соединению. 4 ил.

Способ гибридной коммутации цифровых каналов связи, при котором в фазе установления соединения организуют диалог между центром коммутации и вызывающим абонентом, в результате которого принимают и обрабатывают информацию об адресе вызываемого абонента и устанавливают соединение в режиме коммутации каналов или пакетов, отличающийся тем, что, с целью предотвращения блокировок сети, повышения эффективности использования каналов связи при фиксированном уровне отказов в обслуживании и сохранения масштаба времени при передаче длинных сообщений, в результате диалога выясняют длину сообщения L, которую сравнивают с пороговым значением L_п= k*L_кр+b, где L_кp - заранее установленная для каждой конкретной сети критическая длина сообщения; k - коэффициент пропорциональности, учитывающий степень занятости объема памяти; b - величина, отражающая динамику изменения трафика, причем если длина сообщения превышает пороговое значение, т. е. L>L_п, то устанавливают физическое соединение и передачу сообщения осуществляют в режиме коммутации каналов, а при L<L_п сообщение запоминают, разбивают на пакеты и передачу сообщения осуществляют в режиме коммутации пакетов с передачей их по виртуальному соединению.