2.6. Принципы построения центров коммутации сообщений

Назначение, основные характеристики и задачи  цент­ров коммутации сообщений

Центр коммутации сообщений (ЦКС) есть совокупность взаи­мосвязанных технических средств приема, обработки, распре­деления и передачи информации, объединенных общим устройством управления, с помощью которых осуществляется коммутация сообщений данных.

В качестве синонима ЦКС часто используется термин "узел коммутации сообщений" (УКС).

Как следует из определения, ЦКС является одним из важ­нейших элементов сети ПД. Ори описании структуры сети ПД в виде графа центры коммутации интерпретируются как вершины, а каналы связи как ребра этого графа.

Изменение парадигмы телевизионного производства произошло быстро – буквально в течение последних нескольких лет, и оно продолжает на безумной скорости. Первоначально, большинство производств осуществлялось в студии, и лишь нескольких кадров снималось за пределами ее границ. Телевизионное производство было делом очень дорогим, требовало проектирования и строительства дорогостоящих студий, со всеми теми же проблемами согласования проектов, которые сегодня успешно решаются. И, конечно, в те годы только избранные могли получить работу в этих малочисленных программах. 

Каналами связи к ЦКС могут подключаться абонентские пун­кты, ЭВМ и другие ЦКС. Кроме того, к ЦКС могут подключаться устройства ввода-вывода (оконечное оборудование данных) как местные абоненты.

В соответствии со спецификой функционирования сета ПД с коммутацией сообщений для ЦКС как элемента сети характерно:

• разделение во времени операций ввода и вывода;
• разделение во времени установления соединений на участках "абонентский пункт - ЦКС" и "ЦКС — абонентский пункт";
• наличие на ЦКС запоминающего устройства для хранения поступивших сообщений.

Центры коммутации сообщений могут быть классифицированы по следующим основным признакам (рис.2.7):

• по степени подвижности;
• по способу реализации;
• по степени резервирования;
• по способу организации обслуживания.

По степени подвижности ЦКС подразделяются на стационарные, полевые и подвижные в зависимости от их принадлежности соот­ветствующим узлам связи (узлы связи делятся на стационарные, полевые и подвижные).

Но способу реализации различают ЦКС с аппаратурой, програм­мной и аппаратурно-программной реализацией.

По степени резервирования ЦКС подразделяются на ЦКС с полный, частичным резервированием и без резервирования.

По способу организации обслуживания центры коммутации делятся на:

• ЦКС, в которых сообщениям приоритеты не присваивается (без приоритетов);
• ЦКС, в которых сообщениям в зависимости от категории срочности присваиваются приоритеты.

К основным характеристикам ЦКС относятся: пропускная способность, количество подключаемых к ЦКС каналов связи и их параметры, а также совокупность технико-эксплуатационных характеристик.

Пропускная способность численно оценивается максимальным количеством сообщений данных, проходящих через центр в единицу времени.
Так как ЦКС обрабатывает многоадресные и циркулярные сообщения, генерирует служебную информацию и т.д., то исходящая нагрузка как правило, превосходит входящую. Поэто­му пропускную способность целесообразно оценивать двумя параметрами:

• максимальная входящая и соответствующая ей исходящая нагрузка;
• максимальная исходящая и соответствующая ей входящая нагрузка.

Обязательной сопровождающей информацией при оценке пропускной способности является указание средней длины сообщений.

Численное значение пропускной способности зависит от способа реализации ЦКС, используемых алгоритмов обработки сооб­щений, их форматов и т.д.

Количество подключаемых каналов ПД регламентируется про­пускной способностью ЦКС.

Технико-эксплуатационные характеристики включают:

• вероятность искажения знаков в обрабатываемом сообщении, равную, как правило, 10-7 – 10-8 на знак;
• вероятность распределения сообщения по неправильному адресу, которая составляет примерно 10-8 – 10-9;
• вероятность потерь сообщения из-за выхода из строя технических средств ЦКС, которая должна находиться в пре­делах l0-7 – 10-8;
• коэффициент использования каналов ПД при наличии очереди на передачу, имеющий величину порядка 0,97 - 0,99 и другие.

В сетях с коммутацией сообщений можно выделить две груп­пы задач, решаемых ЦКС:

1. Задачи, выполняемые непосредственно а интересах приема, передачи, повышения достоверности по всем входящим и исхо­дящим направлениям обмена:

• поэлементный прием и передача сообщений;
• определение начала и конца сообщений;
• накопление знаков (блоков) данных;
• проверка принятой информации на достоверность;
• формирование сообщений для выдачи в канал связи и их выдача.

2. Задачи, связанные собственно с коммутацией сообщений, т.е. с управлением потоками данных:

• запись принятых сообщений в память ЦКС;
• организация из них приоритетной очереди на обслуживание;
• распределение каждого принятого сообщения с учетом его вида, категории срочности, состояния трактов передачи данных, оптимального на данный момент времени пути передачи;
• организация выдачи сообщений в канал связи.

Помимо решения указанных задач ЦКС также осуществляет периодический обмен служебной информацией с соседними цен­трами с целью получения и выдачи сведений о состоянии и загрузке трактов передачи данных, документирование информации, подтверждает прием сообщений от соседних центров и прочее.

Анализ задач первой группы показывает, что некоторые из них повторяются чаще и слабо зависят от реализуемых методов обмена информацией. К таким задачам относятся посимвольный прием и передача сообщений по каналам связи,  накопление знаков и т.д. Их целесообразнее реализовать аппаратными ме­тодами, что позволяет обеспечить высокую производительность ЦКС.

Задачи второй группы решаются в условиях постоянно ме­няющейся ситуации, которую априорно предугадать очень сложно.

Таким образом, для ЦКС характерными являются большой объем, разнообразие и сложность решаемых задач.

Исходя из деления решаемых ЦКС задач на две группы, имеются два основных варианта построения центров:

1. Однопроцессорный ЦКС, когда обе группы задач решаются в одном процессоре с унифицированными функциями.

2. Двухпроцессорный ЦКС, когда задачи приема-передачи сообщений решаются в процессоре обмена информацией (групповом комплексе обмена информацией с ЭВМ ЦКС), структура и логика которого специально ориентированы для решения этого класса задач, и задачи управления потоками сообщений - в процессе коммутации сообщений (групповом комплексе коммутации сооб­щений), наиболее приспособленном для решения этих задач.

В многопроцессорных ЦКС каждый групповой комплекс может включать два и более процессоров (как правило  3).

Аппаратная реализация ЦКС встречается редко, так как обладает такими недостатками как большой объем оборудования, малая гибкость в процессе изменения и наращивания решаемых задач и высокая стоимость. Поэтому основу современных ЦКС составляют процессоры на базе  как специализированных, так и универсальных ЭВМ.

При выборе ЭВМ для ЦКС необходимо учитывать производитель­ность процессора, емкость ОЗУ и ВЗУ, быстродействие устройств ввода-вывода и т.д. Кроме того, на выбор ЭВМ оказывает влияние организация обмена информацией и распределение выпол­няемых операций между аппаратурой сопряжения и каналами связи, процессорами и ОЗУ.

Наиболее важным является требование отсутствия потерь сообщений на приеме, который осуществляется в реальном мас­штабе времени. Другие же задачи первой и все задачи второй групп могут выполняться с временной задержкой.

На рис. 2.8 графически представлены зависимости времени

Рис.2.8

выполнения операций по обработке сообщений как функции вида этих операций для процессоров с полностью записанной программой, с полностью замонтированной (жесткой) программой и комбинацией этих двух видов задания программ.

Основные операции обозначены:

цикловая синхронизация - 1;
регистрация - 2 ;
сборка знаков - 3;
контроль знаков - 4;
сборка сообщений - 5;
запись сообщений в память - 6;
анализ заголовка - 7;
организация обслуживания - 8;
разборка сообщения - 9;
разборка знаков - 10.

Анализ зависимостей показывает, что при решении задач первой группы лучшие показатели имеют процессоры с жесткой программой, а при решении задач второй группы среднее время для процессоров с жесткой и записанной программой существен­но не отличаются.

Поэтому при выполнении простых: и часто повторяющихся процедур, реализующихся в групповом комплексе обмена инфор­мацией, целесообразно выбирать процессор с жесткой програм­мой.

При выполнении же задач, связанных с коммутацией сооб­щений и характеризующихся большей изменчивостью, необходи­мостью адаптации к состоянию сети, а также возможностью коррекции алгоритмов (например, при смене адресов), предпочтительным является использование ЭВМ с накопленной прог­раммой.

Условно весь комплекс технических средств ЦКС можно разделить на три функциональные группы: комплекс аппаратуры каналов передачи данных, групповой комплекс обмена информа­цией и групповой комплекс коммутации сообщений.

Структура ЦКС

Структурная схема ЦКС представлена на рис. 2.9.

Комплекс аппаратуры каналов передачи данных при числе обслуживаемых каналов, не превышающем , включает индивидуальные УПС и УЗО, реализующих ряд задач первой группы. Обмен информацией с центральной ЭВМ ЦКС осуществляется через блок опроса (БО) и блок сопряжения (БС).

При числе обслуживаемых каналов  комплекс аппаратуры включает только канальные УПС, а функции повышения достоверности и групповой обработки информации в интересах задач приема-передачи реализуется программным способом непосредственно ЭВМ ЦКС при  или процессором обмена информацией. В последнем случае ЦКС становится двухпроцессорным, а центральная ЭВМ решает только задачи, связанные с управлением потоками сообщений.

Групповой комплекс обмена информацией (ГКОИ) в первую очередь предназначен для сопряжения каналов с ЭВМ центра. В зависимости  от принятого алгоритма обмена и возможностей ЭВМ при сопряжении здесь применяются поэлементный, позначный обмен и обмен с предварительным накоплением массива информации .

Групповой комплекс включает в себя блоки поэлементного сопряжения и накопления массивов.

Блок поэлементного сопряжения (БПС) предназначен для записи очередного разряда кодовой комбинации, поступающей из канала (в канал) связи, управляющих, синхронизирующих и других сигналов по каждому из каналов и обеспечивает сопряжение с УПС. Один БПС может быть рассчитан на несколько каналов (обычно до 16).

Блок накопления знаков (БНЗ) осуществляет накопление знаков при приеме и их разделение при передаче сообщений в канал.

Блок опроса (БО) осуществляет приоритетный опрос, а блок сопряжения – обмен информацией между ЭВМ и ГКОИ в соответствии с требованиями на стандартный стык.

Блок накопления (БНМ) при приеме осуществляет накопление в МОЗУ массива слов по каждому каналу, а при передаче разделение массива на знаки или разряды.

Спецвычислитель (СВ) решает задачи приёма-передачи, в частности, выполняет функции по защите от ошибок, цикловой и межканальной синхронизации.

Характерной особенностью СВ является то, что решаемые задачи стабильны во времени и сообщения различных каналов обрабатываются, как правило, по одному алгоритму. Используются в основном операции сдвига, логических поразрядных операций сравнений, инвертирования и т.п.

Групповой комплекс коммутации сообщений строится, как правило, на основе ЭВМ и отличается большой сложностью, разнообразием и объемом решаемых задач. Поэтому для решения подобных задач привлекаются универсальные ЭВМ с высоким быстродействием, большой оперативной памятью,  широким набором внешних устройств, способные работать в мультипрограммном режиме и обладающие высокой надежностью.

При приеме сообщений в массивах памяти ЭВМ комплекса коммутации сообщений происходит накопление кодовых комбинаций и составление информационных блоков. Одновременно происходит контроль правильности формата сообщений. По результатам анализа сообщение ставится в очередь на обслуживание, при котором учитывается присвоенный приоритет, номер сообщения в очереди, номер исходящего канала и адрес сообщения в памяти ЭВМ.

Таблица очередности периодически просматривается и если требуемый канал свободен, то сообщение передается в соответствии с принятым алгоритмом передачи. ОЗУ обеспечивает начальное накопление и сшивку сообщений из поступающих блоков информации, хранение формуляров сообщений, организацию и хранение оперативных списков сообщений с учетом их приоритетов и времени ожидания в очереди, хранение данных о состоянии элементов сети ЦКС, используемой для выбора оптимальных путей передачи сообщений.

Накопители на магнитных барабанах (НМБ) предназначены в основном для хранения сообщений в процессе обработки и последующей передачи их на другие ЦКС.

Накопители на магнитных лентах (НМЛ) используются для записи каждого сообщения, проходящего через ЦКС (накопитель-архив), временного хранения сообщений (накопитель-перехватчик), записи входящих сообщений при переполнении НМБ (накопитель переполнения), постоянного хранения диагностических программ, проверочных тестов и т.д.

Алфавитно-цифровые печатающие устройства (АЦПУ) позволяют вывести на широкоформатную печать любую информацию по запросу оператора.

Управление всем аппаратурным комплексом ЦКС осуществляется с центрального пульта управления (ЦПУ).

Для обеспечения заданной надежности принимаются дополнительные меры, к которым прежде всего следует отнести:

• резервирование центрального процессора;
• резервирование процессора обмена информацией;
• применение скользящего резерва для однотипного оборудования.

На рис. 2.10 представлена упрощенная структурная схема с дублированием обоих процессоров. Такой ЦКС обеспечивает работоспособность при выходе из строя одного ТОИ, ТКС и внешних запоминающих устройств (ВЗУ) одного из каналов. Межмашинный обмен осуществляется с помощью комплекса оборудования межмашинного обмена (КОМО).

При построении ЦКС с дублируемыми процессорами в настоящее время реализуются два основных режима их совместного функционирования:

• Параллельная обработка сообщений.
• Разделение нагрузки.

В режиме параллельной обработки сообщений один из процессоров является основным и с его выхода осуществляется выдача сообщений, а с другой – резервным. Контроль за идентичностью результатов в процессе обработки сообщений может осуществляться на уровне команд, модулей программ и сообщений.

Первый режим нашел наибольшее распостранение. Его недостатком является недостаточно эффективное использование производительности ЭВМ (не более 50%).

Режим распределения нагрузки характеризуется большей пропускной способностью ЦКС.

Принцип распределения нагрузки предполагает, что при исправности каждая ЭВМ обрабатывает сообщения для своей группы каналов. При выходе из строя ЭВМ нагрузка перераспределяется между исправными ЭВМ.

Программное обеспечение ЦКС

Программное обеспечение (ПО) ЦКС является частью математического обеспечения и представляет собой программную реализацию математических моделей и алгоритмов, обеспечивающих эффективное функционирование ЦКС.

Структура ПО ЦКС, состав и назначение программ в существенной степени определяется принципами построения ПО сети ПД, элементом которой является ЦКС.

Анализ задач, решаемых ЦКС, позволяет выделить основную особенность ПО – ориентацию его на выполнение большинства процедур в реальном масштабе времени.

К ПО ЦКС предъявляются следующие основные группы требований, обусловленных целевым предназначением сети ПД.

Требования к структуре ПО:

• обеспечение возможности наращивания и развития;
• адаптация к изменению состава технических средств, отказам оборудования ЦКС, неполноте исходных данных и т.д.;
• обеспечение оптимального распределения функций между оператором и ПО;
• обеспечение совместимости с другими техническими средствами сети ПД.

Требования к процессу реализации программ:

• обеспечение функционирования программ, решающих задачи приема-передачи в реальном, а задачи по управлению потоками в относительном ( с выполнением заданных нормативов) масштабе времени;
• обеспечение приоритетных прерываний;
• оптимальное (рациональное) формирование очередей на выполнение запросов и т.д.

Программное обеспечение ЦКС делится на общее и специальное ПО.

Общее ПО включает операционную систему, библиотеки, системы подготовки программ, сервисные, диагностические, служебные и стандартные программы.

Операционная система представляет собой часть ПО, предназначенную для организации вычислительного процесса в ходе функционирования ЦКС.

Операционная система обеспечивает начальный ввод программ, обработку прерываний, запуск технологических программ в заданной последовательности, распределение памятей, обмен данными с внешними запоминающими устройствами и т.д. Операционная система является одной из наиболее машинно-ориентированных компонент общего ПО, обладающей достаточной универсальностью и имеющей значительное количество элементов адаптации.

Специальное ПО состоит из системы технологических программ, системы функционального контроля и средств автоматизации программирования.

Технологические программы и программы функционального контроля являются основными действующими программами ЦКС.

Структура системы технологических программ ПО ЦКС соответствует структуре ПО сети ПД и является четырехуровневой. Иерархическое построение позволяет обеспечить разработку, отладку и маршрутеризацию ЦКС за счет относительной самостоятельности программ различных уровней.

Рассмотрим состав технологических программ на каждом из уровней.

К первому уровню относятся программы управления дискретными каналами связи: программы модуляции и демодуляции, поэлементной синхронизации, регистрации и контроля качества канала. Эти программы реализуются в комплексе аппаратуры каналов ПД (в УПС).

Ко второму уровню относятся программы управления каналами передачи данных: программы цикловой и межканальной синхронизации, защиты от ошибок, накопления знаков (блоков), формирования массивов, выдачи сообщений данных в каналы, обмена информацией с ЭВМ ЦКС и контроля дискретных каналов связи. Программы второго уровня могут быть реализованы в зависимости от структуры ЦКС в комплексе аппаратуры ПД (в УЗО), в ГКОИ или в групповом комплексе коммутации сообщений.

К третьему (сетевому) уровню относятся программы управления обменом в сети: программы формирования и обработки очередей, маршрутизации, межузлового обмена, локального управления потоками, документирования.

К четвертому (транспортному) уровню относятся программы управления обменом данными между верхними функциональными уровнями (АП – АП, АП – ЭВК): программы адресования, управления внешними потоками (ограничения нагрузки), контроля потерь и задержек сообщений, мультиплексирования.

Совокупность процедур взаимодействия программ одноименных уровней называется протоколом, а разноименных уровней интерфейсом. По соответствию протокола определенному структурному уровню ПО сети различают протоколы дискретного канала связи, канала передачи данных, сетевые и транспортные протоколы.

Система программ функционального контроля представляет собой совокупность программ, предназначенных для контроля исправности групповых комплексов обмена информацией и коммутации сообщений и комплекса аппаратуры каналов ПД, обнаружения и локализации отказов и сбоев, а также для обнаружения, устранения или снижения последствий программных ошибок и искажений данных на работу ЦКС.
Автоматизация программирования представляет собой совокупность программ, предназначенных для автоматизации процесса разработки прграмм, т.е. перевода исходных алгоритмов на машинный язык, используемый в ЭВМ.

Особенности построения центров коммутации пакетов

Центр коммутации пакетов (ЦКП) представляет собой совокупность взаимосвязанных технических и программных средств приема, обработки, распределения и передачи информации, объединенных общим устройством управления, с помощью которых осуществляется коммутация пакетов в сетях ПД.

В сетях ПД с коммутацией пакетов ЦКП решает две группы задач, выполняемых в интересах приемо-передачи и коммутации пакетов, причем этот комплекс задач включает в себя все задачи, решаемые ЦКС, и дополнительные задачи, содержание которых определяется спецификой функционирования таких сетей.

К дополнительным задачам относятся:

• В датаграммном режиме:

разбиение сообщений, поступающих от ООД или АП, или ЭВМ, на пакеты;
восстановление (сшивка) сообщений;

• В режиме образования виртуального канала:

разбиение сообщений на пакеты;
формирование и запоминание смежных ЦКП при составлении виртуального канала;
анализ пакетов с целью определения принадлежности к сообщению, для передачи которого составлен канал;
разрушение виртуального соединения после окончания передачи сообщения;
восстановление (сшивка) сообщений.

Следует отметить, что процедуры разбиения и сшивки сообщений могут отсутствовать, если они реализованы в ЭВМ АП.

Так как функции, выполняемые ЦКС и ЦКП в сетях ПД, в основном совпадают, то структура и принципы построения технических комплексов ЦКС и ЦКП идентичны.

Структурная схема ЦКП представлена на рис. 2.9 (в данном случае групповой комплекс, построенный на базе центральной ЭВМ,  называется групповым комплексом коммутации пакетов).

Структура системы технологических программ ПО ЦКП является также четырехуровневой, причем состав программ уровней дискретного канала и канала ПД совпадают с ПО ЦКС.

Для решения задач, специфичных для сетей с коммутацией пакетов, к программам сетевого уровня добавляется ( по сравнению с ЦКС) совокупность программ по составлению виртуального канала и идентификации пакетов, а к программам транспортного уровня – программы разбиения и сшивки на пакеты.