К дискуссии о коммутации

В. И. Нейман, главный научный сотрудник ИППИ РАН, д. т. н.

Статья В. О. Шварцмана [1] с предисловием главного редактора В. А. Шамшина, опубликованная в журнале "Электросвязь" (2003, № 8) начала очень важную и интересную дискуссию о коммутации. Как известно, сеть связи состоит из двух дорогостоящих составных частей: линий связи и узлов коммутации, и весь ход истории развития сетей определялся соотношением затрат на каждую из этих составляющих. Относительная стоимость линейных сооружений (в пересчете на один условный канал) неуклонно снижалась, тогда как стоимость узлов коммутации (опять-таки на один условный вход или порт) -увеличивалась. Когда линии были сравнительно дорогими, сеть строилась по иерархической схеме организации узлов, так как при этом использование линий повышалось за счет коммутации. В качестве примера можно вспомнить о пяти уровнях узлов коммутации телефонной сети (оконечные станции, узловые, зоновые, междугородные, международные). Однако впоследствии с учетом снижения стоимости каналов специалисты стали обращаться к неиерархическим схемам, при которых сеть состоит только из магистральной сети и сетей доступа. Это вело к дальнейшему удорожанию узлов, но уменьшало их количество. Вот почему дискуссия о методах коммутации сегодня особенно актуальна. Вместе с тем, как совершенно правильно указано уже в заголовке статьи [1], задачи коммутации неразрывно связаны с задачами передачи. Поэтому целесообразно начать обсуждение этой темы именно с техники передачи.

Эпоха К. Шеннона. В середине XX в. К. Шеннон [2] установил классическое неравенство H < С, которое говорит о том, что если энтропия Н источника сообщения меньше пропускной способности С канала связи, то это сообщение может быть достоверно передано по такому каналу. До К. Шеннона ранее считалось, что при наличии помех в канале абсолютно достоверная передача информации невозможна, но Шеннон доказал, что при выполнении приведенного неравенства сообщение может быть передано со сколь угодно высокой достоверностью при любом уровне помех в канале. Обсуждаемое положение было сформулировано и доказано как теорема о существовании. Что же касается путей конструктивной реализации этой возможности, то К. Шеннон мог только указать общее направление (перевод всех средств связи на цифровую технику) и решить лишь некоторые конкретные задачи. На более подробные расспросы он отвечал, что нужно работать дальше (автору довелось лично слышать такие слова из уст К. Шеннона). Вторая половина XX столетия ознаменовалась широчайшими исследованиями проблем передачи информации по каналам связи и получением многих замечательных результатов. Если сформулировать итог всех этих работ в нескольких словах, то суть может быть выражена так: чем ближе мы приближаемся к возможностям, указанным К. Шенноном, тем более сложные вычисления нужно выполнять в приемопередающих устройствах.

Рассмотрим реализацию идеи К. Шеннона на наиболее популярном примере телефонной сети общего пользования. Как известно еще со времен Гельмгольца, аналоговый канал коммерческой телефонной связи требует полосу частот 300...3400 Гц. При переводе этого канала на цифровую технику с помощью импульсно-кодовой модуляции (ИКМ) получается цифровой поток со скоростью передачи 64 кбит/с. Грубо говоря, это в 10 раз больше, чем требовалось для аналоговой передачи (считая по 2 бита на герц, получим полосу 32 кГц). Однако техническая общественность всего мира была не очень обеспокоена такой расточительностью. Несмотря на огромное количество успешных исследований, посвященных сокращению полосы частот передачи речи, никто в мире не ставил вопроса о широкомасштабном переходе на более экономную систему передачи речи по проводным каналам связи. Такое положение объясняется только снижением стоимости проводных каналов, так как усложнение аппаратуры для более экономной передачи оказывается дороже самого канала. Таким образом, в смысле снижения стоимости каналов качественные перемены в сознании специалистов произошли еще в 70-х годах в эпоху медных линий. Появление же оптоволоконных линий лишь закрепило эти перемены количественно. Поэтому вряд ли можно говорить о каких бы то ни было заблуждениях на этот счет. Но снижения стоимости каналов проводной связи еще недостаточно для полного решения проблем предоставления современных услуг связи. Например, известна формулировка проблемы универсальной персональной связи: предоставление информации любому пользователю в любом месте и в любое время. Для решения этой проблемы необходимы еще и радиоканалы.

Возобновляемые и невозобновляемые сетевые ресурсы. В последнее десятилетие большое распространение получила мобильная телефонная связь, для которой требуется радиоканал. В отличие от проводной линии, которая является возобновляемым ресурсом, радиолиния – ресурс невозобновляемый. Радиочастоты распределены на международном уровне, и никаких способов возобновления этого ресурса, кроме дробления сот, не существует. Однако широчайший спрос на мобильные услуги не может быть удовлетворен только за счет уменьшения размеров сот и повторного применения частот за пределами каждого сотового кластера. Единственный выход – снижение скорости передачи за счет усложнения обработки информации. В современном мобильном телефоне 2-го поколения скорость цифровой передачи речи удалось понизить, грубо говоря, в 10 раз по сравнению со скоростью ИКМ-передачи в фиксированной сети за счет применения компьютера, работающего со скоростью 10 млн. операций в секунду. Скорость передачи речи может быть понижена еще в несколько раз, если воспользоваться микрокомпьютером с производительностью 100 млн. операций в секунду и больше. Но радиоканал работает только в пределах соты. Мобильная телефонная связь более широкого масштаба требует связать между собой базовые станции сотовой сети. Если это сделать через фиксированную телефонную сеть общего пользования, то на каждой соединительной линии необходимо установить отдельный согласующий компьютер со скоростью работы 10 или 100 млн. операций в секунду. Учитывая перспективы таких крупных затрат, наиболее дальновидные менеджеры сначала предлагали вообще отказаться от услуг фиксированной телефонной сети и связать базовые станции через спутники. Так возник известный проект Iridium, получивший свое название от химического элемента, в атоме которого на орбитах находятся 77 электронов. Именно такое количество спутников предполагалось запустить на низкие орбиты, чтобы создать сеть, обеспечивающую пропуск всей мировой нагрузки мобильной связи. Проект был запущен, но впоследствии себя не оправдал и был свернут. Конечно, с самого начала можно было ожидать, что нагрузку из густонаселенных регионов не очень удобно направлять через спутники. Что же касается малонаселенных регионов и мирового океана, то для них еще более 25 лет назад была запущена спутниковая система "Инмарсат", которая успешно работает и сейчас. Созданы и некоторые другие специализированные системы спутниковой связи, которые себя вполне оправдывают. Но глобальная сеть подвижной связи общего пользования, как показал опыт, должна быть ориентирована на применение фиксированной сети.

Однако если нагрузку мобильных телефонов направлять через фиксированную проводную сеть, то, естественно, возникает вопрос, зачем нужно преобразование потоков пакетов, принимаемых от мобильных телефонов, в каналы, если многие из каналов потом опять придется превращать в пакеты? По-видимому, разговор об особом пути России здесь вряд ли уместен. Сотовые телефоны в нашей стране покупают в не меньших объемах, чем в других странах, а, может быть, даже и в больших вследствие недостаточного развития фиксированных телефонных сетей. Поэтому обсуждение путей дальнейшего развития фиксированных проводных сетей связи без учета современных тенденций развития услуг связи вряд ли можно признать вполне корректным. Здесь важно заметить, что пока обсуждение касается только телефонной связи, которую можно назвать моносервисной. Расширение же номенклатуры услуг потребует введения дополнительных коррективов, связанных, прежде всего, с расширением номенклатуры каналов.

Современные понятия коммутации. В литературе часто можно встретить сопоставление методов коммутации каналов и коммутации пакетов как двух равноправных технологий. Такое сопоставление если и допустимо, то только на самом элементарном уровне, так как в действительности это две совершенно разные технологии. Чтобы разобраться в этом вопросе, нужно, прежде всего, уточнить понятия канала и пакета. Если канал связи – это совокупность аппаратных и программных средств, служащих для организации передачи конкретного вида сообщений от отправителя к получателю, то коммутация канала – это процесс, относящийся ко 2-му уровню архитектуры современной цифровой сети. Но есть еще и 1-й уровень сетевой архитектуры, на котором может коммутироваться физическая линия. Такую коммутацию можно назвать коммутацией цепей, но для традиционной местной телефонной связи это то же самое, что и коммутация каналов. Однако с более широкой точки зрения это совсем не одно и то же. Ведь существует понятие многоканальной связи. Существуют иерархии аналоговых и цифровых систем многоканальной связи, предусматривающие несколько уровней группообразования каналов. Иногда такие группы каналов называются трактами и, в принципе, каждый тип тракта может коммутироваться в узлах по правилам коммутации каналов. Поэтому между 1-м и 2-м уровнями сетевой архитектуры можно представить себе еще несколько промежуточных подуровней. Рассмотрим, например, тракт, передающий цифровой поток со скоростью 1 Гбит/с. Если следовать определению канала, приведенному выше, то названный тракт никак нельзя назвать каналом, так как практически не существует источника информации, который мог бы с такой скоростью генерировать информацию. Чтобы сформировать подобный поток, нужно объединить (мультиплексировать) тысячи или десятки тысяч цифровых каналов, причем не обязательно одинаковых. А ведь в волоконно-оптической линии связи с разделением по длинам волн могут быть организованы сотни таких трактов, несущих самостоятельные потоки. Поэтому в зарубежной литературе к системам коммутации подобных потоков применяют термин "кроссовая коммутация". Расширение понятия "коммутация каналов" требует уточнения терминологии.

Аналогично обстоит дело и с термином "пакет". Согласно традиционному определению, пакет – это блок данных 3-го уровня сетевой архитектуры и, следовательно, коммутация пакетов – функция 3-го уровня. Но пакетом называют еще и блок данных 4-го (транспортного) уровня. В частности, заголовок наиболее распространенного транспортного протокола сети Интернет – TCP имеет поле метки, которая однозначно идентифицирует пакет. Поэтому можно говорить и о коммутации на 4-м (транспортном) уровне и даже на 5-м (сеансовом) уровне, который, по существу, является заказчиком сеанса связи. Например, именно к функции 5-го уровня относится организация сеанса многоадресной передачи. Таким образом, понятие коммутации пакетов охватывает процедуры более высоких уровней сетевой архитектуры. Эти процедуры должны разумно сочетаться с процедурами низших уровней, которые часто не совсем корректно объединяют общим названием "коммутации каналов". Примером такого разумного сочетания является коммутация протокольных меток в сети Интернет (по-английски – MPLS), которая работает не на 4-м уровне, а переносится на 2-й уровень. Аналогично обстоит дело с так называемой обобщенной коммутацией протокольных меток (GMPLS), которая переносит функции коммутации меток на оптический уровень. Однако фактически в таких случаях речь идет не о коммутации каналов, а о коммутации крупных мультиплексированных потоков.

Требуют уточнения также понятия быстрой коммутации каналов и быстрой коммутации пакетов. Первый из них, по-видимому, чисто российский термин, означающий, что за рубежом называют интерполяцией речи с распределением времени (по-английски – TASI). Этот метод был применен еще в середине XX столетия для повышения пропускной способности трансатлантического телефонного кабеля, а сейчас представляет чисто исторический интерес. В эпоху волоконно-оптических кабелей такая сложная система совершенно бессмысленна даже на самых дальних и дорогостоящих проводных линиях. Что же касается термина "быстрая коммутация пакетов", то он в нашей литературе часто употребляется не в том смысле, в каком его понимают за рубежом. Дело в том, что коммутация пакетов – это полная запись поступающего пакета, расшифровка его заголовка и последующее воспроизведение пакета для его передачи по очередному участку сети в нужном направлении. При быстрой же коммутации пакетов узел расшифровывает заголовок и, не дожидаясь окончания записи пакета, начинает тут же его воспроизводить для дальнейшей передачи. У нас же некоторые авторы называют быстрой коммутацией пакетов просто коммутацию коротких пакетов (якобы, если пакет очень короткий, то он и быстро коммутируется). Фактически этот термин применяется к технологии ATM. Но технология ATM – это не коммутация пакетов!

Технология ATM представляет собой компромисс между коммутацией каналов и коммутацией пакетов. Ее предложили именно в качестве такого компромисса сотрудники французского научно-исследовательского центра связи CNET в 1984 г. По решению совещания глав европейских государств на острове Корфу в 1994 г., на основании результатов крупного научно-исследовательского европейского проекта RACE эта технология была принята на вооружение странами-членами Европейского сообщества. Поэтому она получила наибольшее распространение именно в европейских странах. Вместе с тем многие зарубежные авторы отмечают чрезмерную сложность этой технологии. В печати появлялось немало публикаций, посвященных сравнению технологии ATM с "бескомпромиссной" коммутацией пакетов (т. е. с коммутацией полномерных пакетов). Все эти результаты говорят в пользу последнего решения. Поэтому одной из центральных тем обсуждений на международных конгрессах по телетрафику МКТ-17 (Бразилия, 2001) и МКТ-18 (Берлин, 2003) как раз и была проблема повышения качества услуг Интернета, который, как известно, работает с коммутацией пакетов и претендует на роль универсальной сети связи общего пользования.

Мультсервисные сети. Излагавшиеся до сих пор соображения по поводу коммутации пакетов относились, в основном, к телефонным сетям, т. е. сетям моносервисным. В таких сетях применяется единственный стандартный тип канала. Казалось бы, именно здесь и должна оправдать себя коммутация каналов, однако даже в этом случае чаще утверждается обратное. При переходе же к мультисервисным сетям целесообразность коммутации каналов подвергается еще большим сомнениям. Ведь предоставление мультисервисных услуг связано с применением каналов разных типов. Применение же системы коммутации разнотипных каналов означает дробление сетевых ресурсов на отдельные группы, в которых общее использование ресурсов снижается. Мультиплексировать разнообразные каналы в общие пучки и коммутировать такие пучки гораздо дешевле, удобнее и целесообразнее на пакетном уровне, т. е. на одном из более высоких уровней сетевой архитектуры. Особую важность пакетная передача и коммутация представляют именно для волоконно-оптических сетей, так как без такого мультиплексирования средства оптической передачи будут использоваться на ничтожные доли процента.

Литература

1. Шварцман В. О. Выбор технологии передачи и коммутации в мультисервисных сетях на основе оптических кабелей // Электросвязь. – 2003. – № 8.
2. Шеннон К. Работы по теории информации и кибернетике. – М.: Издательство иностранной литературы, 1963.

Статья опубликована в журнале "Электросвязь" №1, 2004 г., стр. 24.
Перепечатывается с разрешения редакции.