Сети связи и системы коммутации
..pdfМинистерство образования и науки Российской Федерации
Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники
В.М. Винокуров
СЕТИ СВЯЗИ И СИСТЕМЫ КОММУТАЦИИ
Учебное пособие
Рекомендовано Сибирским региональным отделением учебно-методического объединения по образованию
вобласти радиотехники, электроники, биомедицинской техники
иавтоматизации для межвузовского использования
вкачестве учебного пособия для студентов, обучающихся по радиотехническим направлениям подготовки
Томск Томский государственный университет
систем управления и радиоэлектроники
2012
ÁÁÊ
Â49
Рецензент Аржанов С.Н., зам. директора НПФ «Микран»,
êàíä. òåõí. íàóê, ñò. íàó÷. ñîòð.
Винокуров В.М.
В49 Сети связи и системы коммутации : учеб. пособие / В.М. Винокуров ; Федер. агентство по образованию, Томск. гос. ун-т систем упр. и радиоэлектроники. – Томск : Томск. гос. ун-т систем упр. и радиоэлектроники, 2012. – 304 с.
ISBN 5-86889-215-1
Описаны принципы построения современных телекоммуникационных сетей, приведена терминология, принятая в сетях связи, рассмотрены способы стандартизации в телеинформатике, протокольные принципы формирования, передачи и обработки сообщений, стеки протоколов глобальных, корпоративных и локальных сетей. Много внимания уделено изучению современных телекоммуникационных сетей (телефонной, узкополосной и широкополосной сетей ISDN, интеллектуальных сетей, сетей на основе технологии MPLS, режима АТМ). Подробно описаны методы коммутации в сетях связи, принципы сигнализации цифровых сетей и методы сигнализации в телефонных сетях общего пользования, в том числе ОКС-7.
Для студентов специальности 201100 «Радиосвязь, радиовещание и телевидение» по направлению «Телекоммуникации», а также 200700 — «Радиотехника», 201800 — «Защищенные системы связи», 071700 — «Физика и техника оптической связи», 075500 — «Комплексное обеспечение информационной безопасности». Рекомендуется студентам соответствующих специальностей очной, заочной и дистанционной форм обучения.
ÓÄÊ
ÁÁÊ
ISBN 5-86889-215-1 |
♥ Томск. гос. ун-т систем упр. |
|
и радиоэлектроники, 2012 |
|
♥ Винокуров В.М., 2012 |
Оглавление
Введение ............................................................................................. |
6 |
Глава 1. Принципы построения телекоммуникационных сетей ................. |
8 |
1.1. Основные определения и терминология................................... |
8 |
1.2. Классификация информационных сетей ................................ |
13 |
1.3. Характеристики качества информационных сетей.................. |
19 |
Контрольные вопросы ................................................................ |
20 |
Глава 2. Стандартизация (нормализация) в телеинформатике ................. |
22 |
2.1. Структура служб стандартизации ......................................... |
22 |
2.2. Ведущие производители систем ............................................ |
24 |
2.3. Сектор стандартизации связи ITU-T ..................................... |
24 |
2.4. Международная организация по стандартизации ................... |
26 |
2.5. Эволюция стандартов .......................................................... |
27 |
2.6. Открытые информационные системы .................................... |
27 |
2.6.1. Эталонная модель взаимодействия открытых систем .... |
28 |
2.6.2. Функциональные среды............................................. |
30 |
2.6.3. Функции, выполняемые уровнями ЭМВОС .................. |
32 |
2.6.4. Стандарты ЭМВОС .................................................... |
34 |
2.7. Примеры использования сетевых протоколов ........................ |
35 |
2.8. Терминология в сетях передачи данных ................................ |
38 |
2.9. Протоколы Internet ............................................................. |
53 |
2.10. Соответствие популярных стеков протоколов модели OSI ...... |
59 |
2.11. Особенности стандартизации протоколов |
|
для локальных сетей ........................................................ |
61 |
2.12. Сетевые структуры для глобальных сетей ............................ |
66 |
Контрольные вопросы ................................................................ |
71 |
Глава 3. Введение в теорию телетрафика .............................................. |
73 |
3.1. Основные определения теории телетрафика ........................... |
73 |
3.2. Основные свойства случайных потоков вызовов ..................... |
75 |
3.3. Параметры сообщений и показатели качества обслуживания .. |
75 |
3.4. Математическая модель телетрафика .................................... |
79 |
3.4.1. Исходные посылки модели......................................... |
79 |
3.4.2. Пуассоновский входной поток требований |
|
на обслуживание ...................................................... |
79 |
3.4.3. Модель Эрланга системы с потерями .......................... |
80 |
3.4.4. Распределение нагрузки от конечного числа |
|
источников .............................................................. |
85 |
3.4.5. Система с ожиданием ................................................ |
91 |
Контрольные вопросы ................................................................ |
99 |
Глава 4. Российская телекоммуникационная сеть общего пользования ... |
101 |
4.1. Классификация сетей ......................................................... |
101 |
4.2. Телефонная сеть общего пользования................................... |
101 |
4.2.1. Состояние ТФОП ..................................................... |
101 |
4.2.2. Автоматическая коммутируемая международная |
|
телефонная сеть ...................................................... |
103 |
4.2.3. Автоматическая коммутируемая междугородная |
|
сеть России ............................................................. |
104 |
4 |
В.М. Винокуров. Сети связи и системы коммутации |
|
|
4.2.4. Автоматические коммутируемые внутризоновые |
|
|
телефонные сети...................................................... |
105 |
|
4.2.5. Системы нумерации в ТФОП РФ ............................... |
109 |
|
4.2.6. Распределение затухания на междугородной |
|
|
и зоновой телефонных сетях ..................................... |
112 |
|
4.2.7. Стратегия перехода от аналоговых |
|
|
телефонных сетей к цифровым ................................. |
114 |
|
4.3. Цифровая сеть с интегрированным обслуживанием ............... |
116 |
|
4.3.1. Основные показатели ISDN ....................................... |
116 |
|
4.3.2. Службы ISDN .......................................................... |
118 |
|
4.3.3. Функциональные блоки и интерфейсы ISDN .............. |
119 |
|
4.3.4. Доступ BRA ............................................................ |
121 |
|
4.3.5. Варианты доступа к сети ISDN.................................. |
123 |
|
4.3.6. Преимущества и недостатки сетей ISDN .................... |
124 |
|
4.3.7. Сигнализация в ISDN............................................... |
125 |
|
4.3.8. Примеры использования протоколов ITU-T в ISDN ..... |
131 |
|
4.4. Интеллектуальные сети ...................................................... |
132 |
|
4.4.1. Общие положения.................................................... |
132 |
|
4.4.2. Услуги ИС .............................................................. |
139 |
|
4.4.3. Недостатки первого набора услуг и будущее ИС.......... |
145 |
|
4.5. Широкополосная цифровая сеть с интегрированным |
|
|
обслуживанием Ш-ЦСИО (B-ISDN) ..................................... |
146 |
|
4.5.1. Общие положения.................................................... |
146 |
|
4.5.2. Архитектура Ш-ЦСИО ............................................. |
147 |
|
4.5.3. Асинхронный режим передачи .................................. |
149 |
|
4.5.4. Протокольная модель Ш-ЦСИО ................................. |
159 |
|
4.5.5. Категории и классы сервиса Ш-ЦСИО ....................... |
164 |
|
4.5.6. Виды услуг, предоставляемые пользователям Ш-ЦСИО165 |
|
|
4.6. Сети на основе технологии MPLS ........................................ |
167 |
|
Контрольные вопросы ............................................................... |
170 |
Глава 5. Синхронизация цифровых сетей ............................................ |
174 |
|
|
5.1. Общие положения.............................................................. |
174 |
|
5.2. Современная концепция построения систем синхронизации ... |
177 |
|
5.2.1. Структура системы межузловой синхронизации ......... |
179 |
|
5.2.2. Структура системы внутриузловой синхронизации ...... |
183 |
|
5.2.3. Подсистемы QoS и TMN ........................................... |
184 |
|
Контрольные вопросы ............................................................... |
185 |
Глава 6. Принципы коммутации в сетях связи .................................... |
186 |
|
|
6.1. Основные понятия и определения. |
|
|
Обзор методов коммутации................................................. |
186 |
|
6.2. Коммутация в ТФОП ......................................................... |
198 |
|
6.2.1. Общие положения.................................................... |
198 |
|
6.2.2. Ступени искания ..................................................... |
201 |
|
6.2.3. Коммутационные приборы и их |
|
|
условные обозначения .............................................. |
201 |
|
6.2.3. Структуры коммутационного поля............................. |
203 |
|
6.2.4. Коммутационное поле АТСК ..................................... |
206 |
|
6.2.5. Коммутационное поле АТСКЭ ................................... |
209 |
|
6.2.6. Принципы построения управляющих устройств .......... |
212 |
|
6.2.7. Коммутационное поле АТСЭ ..................................... |
217 |
Оглавление |
5 |
6.2.8. Коммутационный модуль станции АХЕ-10 ................. |
225 |
6.2.9. Оптическая коммутация ........................................... |
234 |
Контрольные вопросы ............................................................... |
236 |
Глава 7. Принципы сигнализации в ТФОП .......................................... |
239 |
7.1. Классификация систем сигнализации .................................. |
240 |
7.2. Классификация видов сигналов .......................................... |
242 |
7.3. Способы передачи линейных сигналов ................................. |
244 |
7.4. Способы передачи сигналов управления ............................... |
244 |
7.5. Передача информационных сигналов ................................... |
248 |
7.6. Международные системы сигнализации ............................... |
249 |
7.7. Система сигнализации R2 .................................................. |
251 |
7.8. Специфика российских систем сигнализации ....................... |
256 |
7.9. Общий канал сигнализации ................................................ |
260 |
7.9.1. Структура сигнальных единиц в блоке МТР ............... |
265 |
7.9.2. Подсистема ISUP ..................................................... |
267 |
Контрольные вопросы ............................................................... |
270 |
Заключение ...................................................................................... |
271 |
Использованные русскоязычные сокращения ....................................... |
272 |
Использованные англоязычные сокращения ........................................ |
277 |
Литература ....................................................................................... |
290 |
Приложение. Задачи для практических занятий по теме |
|
«Телетрафик» ............................................................................... |
293 |
6 |
В.М. Винокуров. Сети связи и системы коммутации |
|
|
Введение
Современный этап развития взаимоувязанной сети связи России характеризуется широким внедрением и развитием новых информационных цифровых технологий, слиянием компьютерных и телекоммуникационных систем, внедрением волоконно-оптической техники, развитием цифровых методов
èустройств передачи, хранения и обработки информации. Наиболее интенсивно данный процесс совершается в течение последнего десятилетия, что вызывает определенные трудности в обучении специалистов данной отрасли. Во-первых, весьма проблематично отразить огромный объем информации в рамках одного издания или курса. Во-вторых, развитие отрасли настолько интенсивно, что длительности процессов старения и освоения информации выравниваются.
Содержание учебного пособия отвечает требованиям ГОС специальности 210401 (071700) «Физика и техника оптической связи» и соответствует программе курса «Сети связи и системы коммутации», читаемого на радиотехни- ческом факультете ТУСУРа. Учебное пособие составлено на основе курсов лекций, прочитанных автором для студентов специальностей 210401 (071700) «Физика и техника оптической связи» и 21044 (201100) «Радиосвязь, радиовещание и телевидение» по направлению «Телекоммуникации», а также для студентов смежных специальностей (210302 (200700) «Радиотехника», 210403 (201800) «Защищенные системы связи», 090105 (075500) «Комплексное обеспечение информационной безопасности автоматизированных систем», 210402 (201200) «Средства связи с подвижными объектами»), может быть полезно для студентов старших курсов других специальностей телекоммуникационного профиля и смежных с ним направлений.
Âпервой главе описаны основные принципы построения телекоммуникационных сетей и систем, дана классификация сетей и осуществляемых ими телеинформационных и телематических услуг, производится ознакомление с терминологией, принятой в первичных и вторичных сетях связи, а также в транспортных сетях и сетях доступа.
Вторая глава посвящена проблематике стандартизации в телеинформатике. Описана структура служб стандартизации. Много внимания уделено описанию концепции открытых информационных систем и модели их взаимодействия, описаны стеки протоколов МСЭ-Т и МОС, приведены примеры использования сетевых протоколов, обширный обзор основных терминов, применяемых в телекоммуникационной практике, описание Госпрофиля ВОС России, являющегося основным нормативным документом отечественных сетей связи. Глава содержит описание основных популярных стеков сетевых протоколов, а также сетевых структур, применяемых для локальных, глобальных
èкорпоративных сетей. Приводится достаточно объемное описание наиболее распространенного стека сетевых протоколов TCP/IP.
Третья глава посвящена знакомству с теорией телетрафика. Приведено достаточно детальное обсуждение теории СМО с потерями и ожиданием.
Конкретизация различных сетей и сетевых технологий, применяемых на территории РФ, проводится в четвертой главе. Рассматривается ТФОП
Введение |
7 |
(телефонная сеть общего пользования), ее иерархическая структура, системы нумерации абонентских телефонов (как ныне действующей, так и перспективной, готовящейся к внедрению). Подробно рассмотрены также обе версии сети ISDN, как узкополосной (18 страниц), так и широкополосной (23 страницы). Параллельно с широкополосной версией описан ее базовый транспортный механизм — асинхронный режим передачи (АТМ). Описаны также интеллектуальные сети IN, применение которых предопределилось появлением сетей ISDN. Описана структура IN и услуги, оказываемые сетью потребителям. В заключении главы описан новый перспективный сетевой стандарт MPLS (многопротокольная коммутация с использованием меток), на применение которого в сетевых технологиях возлагаются большие надежды.
Âпятой главе описана современная концепция построения систем синхронизации цифровых сетей. Глава содержит также рекомендации по организации и проектированию систем внутри- и межузловой синхронизации совместно с подсистемой контроля и анализа качества QoS и подсистемой управления TMN.
Шестая глава содержит описание основных методов коммутации в телекоммуникационных сетях — от коммутации каналов до коммутации пакетов, в том числе методов коммутации в режиме АТМ. Подробно описаны методы коммутации в телефонных сетях общего пользования. Описаны коммутационные приборы, структуры коммутационных полей, принципы построения управляющих устройств АТС разного типа: координатных, квазиэлектронных и электронных. Содержится также описание устройств опти- ческой коммутации.
Достаточно полное в методическом плане краткое описание принципов и систем сигнализации в ТФОП приведено в главе 7. Содержится классификация сигналов, способы их передачи и управления, приведена классификация международных и российских систем сигнализации, отмечена специфика российских систем.
Текст каждой главы сопровождается списком контрольных вопросов, призванных привлечь внимание обучающегося к некоторым важным аспектам предлагаемого к изучению материала и проконтролировать степень его усвоения.
Приложение содержит 15 задач, сопровождаемых необходимыми пояснениями для решения, что делает главу пригодной для проведения практи- ческих занятий по теме «Теория телетрафика». Здесь же приведены 16 задач для контроля полученных знаний.
Âтексте учебного пособия используется большое количество общепринятых в теории и технике связи аббревиатур на русском и английском языках, их расшифровка приводится в конце издания.
8 |
В.М. Винокуров. Сети связи и системы коммутации |
|
|
Глава 1. Принципы построения телекоммуникационных сетей
1.1. Основные определения и терминология
Телекоммуникационная система в технике связи определяется как комплекс технических и программных средств с физической средой, используемый для передачи данных [1]. Примеры систем: абонентская, ретрансляционная, административная, аналоговая, дискретная и т.д.
Сеть связи — множество связанных друг с другом систем [1]. Примерами могут служить сети: коммуникационная, информационная, локальная, глобальная, корпоративная, аналоговая, цифровая, и т.д. В рекомендациях МККТТ (ныне МСЭ-Т) J.112 и Q.9 [2, 3] сеть связи определена как «совокупность узлов и соединительных трактов, предусматривающая организацию соединений между двумя или более точками с целью обеспечить связь между ними». При этом оконечное устройство (терминал), определяемое как «оборудование, подключенное к сети электросвязи для обеспечения доступа к одной или нескольким определенным службам», не входит в состав сети.
Телекоммуникационная станция — конструктивно оформленная в виде отдельного устройства часть системы, предназначенная для выполнения функций взаимодействия [1]. Примерами могут служить телефонные станции, NT (сетевые оконечные станции ISDN) и т.д.
Первичная сеть — совокупность устройств систем передачи, включающая соответствующие здания и гражданские сооружения [4–7].
Различают следующие виды (классы) первичных сетей.
1. Магистральные первичные сети соединяют областные и региональные центры.
2. Внутризоновые первичные сети представляют собой часть первич- ных сетей на территории одной зоны, совпадающую, как правило, с административными границами области, края, автономии.
3. Местные первичные сети ограничены территорией города или сельского района, например городская телефонная сеть (ГТС), сельская телефон-
íàÿ ñåòü (ÑÒÑ). |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Структурные элементы первичной |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ËÏ |
ÑÓ |
|
|
|
|||||
сети показаны на рис. 1.1. Табл. 1.1 со- |
|
|
|
||||||
ÑÑ |
|
|
|
|
|
|
|
||
держит классификацию сетевых узлов и |
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
станций в составе первичных сетей раз- |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
личных классов [4]. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Первичная сеть образуется совокуп- |
|
|
|
|
|
|
ÑÑ |
||
|
ÑÓ |
|
|
||||||
|
|
|
|||||||
ностью систем передачи с любым спосо- |
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
бом разделения каналов (частотным, |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
временным, кодовым) по любым линиям |
Рис. 1.1 — Структура первичной |
||||||||
передачи (воздушным, кабельным, воло- |
|
сети: СУ — сетевые узлы; |
|||||||
конно-оптическим, радиорелейным, тро- |
|
СС — сетевые станции; |
|||||||
посферным, спутниковым, метеоритным, |
|
ЛП — линии передач |
Глава 1. Принципы построения телекоммуникационных сетей |
9 |
ионосферным и т.д.). Первичная сеть может быть аналоговой, цифровой или сетью смешанного типа — аналогово-цифровой. Диапазон рабочих частот и быстродействие систем передачи регламентируются соответствующими иерархиями и устанавливаются на основе типового канала тональной частоты (канала ТЧ) с полосой пропускания 0,3−3,4 кГц.
Передача осуществляется между ССТ и СУ; ССТ и СС; СУ и ССТ.
|
|
|
|
|
Таблица 1.1 |
|
Классификация сетевых узлов и станций |
|
|||
|
|
|
|
|
|
Класс сети |
|
Сетевые узлы |
|
Сетевые |
|
|
|
|
|
станции ССТ |
|
|
территориальные |
|
переключения |
выделения |
|
|
|
|
|
|
|
|
Располагаются |
|
|
|
|
I класс |
на пересечении |
|
|
|
|
Магистральные |
нескольких |
|
|
|
|
первичные сети |
достаточно мощ- |
|
|
|
|
|
ных кабельных |
|
|
|
|
|
и радиорелейных |
|
Осуществляет- |
Выделение |
Оконечные |
|
линий. На узлах |
|
ся коммутация |
каналов |
точки соот- |
|
|
||||
II класс |
все линии закан- |
|
и усиление |
потребите- |
ветствую- |
чиваются оконеч- |
|
сигналов |
ëÿì |
ùèõ ïåð- |
|
Внутризоновые |
ной каналообразу- |
|
|
вичных |
|
первичные сети |
ющей аппара- |
|
|
|
сетей |
|
турой системы |
|
|
|
|
|
передачи |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
III класс |
Отсутствуют |
|
|
Отсутствуют |
|
Местные |
|
|
|
|
|
первичные сети |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Приведем некоторые основополагающие определения, указанные в документах Министерства связи Российской Федерации [8, 9], принятых в 1996 г.
Взаимоувязанная сеть связи РФ (ÂÑÑ ÐÔ) — комплекс технологически сопряженных сетей электросвязи на территории РФ, обеспеченный общим централизованным управлением.
Система передачи — комплекс технических средств, обеспечивающий образование линейного тракта, типовых групповых трактов и каналов передачи первичной сети.
Канал передачи (Transmission Сircuit) — комплекс технических средств и среды распространения, обеспечивающий передачу сигнала электросвязи в полосе частот или со скоростью передачи, характерных для данного канала передачи, между СУ и ССТ, СУ и ОУ (оконечным устройством), ССТ и СУ. Виды каналов передачи: аналоговый, цифровой, смешанный, канал передачи тональной частоты (основной канал), первичный, вторичный, третичный, четвертичный.
Линейный тракт — комплекс технических средств системы передачи, обеспечивающий передачу сигналов электросвязи в полосе частот или со скоростью, соответствующей системе передачи.
Групповой тракт — комплекс технических средств системы передачи, предназначенный для передачи сигналов электросвязи нормализованного числа каналов тональной частоты (или основных цифровых каналов) в полосе
1 0 |
В.М. Винокуров. Сети связи и системы коммутации |
частот (или со скоростью передачи), характерных для данного группового тракта.
Типовой групповой тракт — групповой тракт, структура и параметры которого соответствуют нормам ВСС РФ.
Тракт сетевой — типовой групповой или несколько последовательно соединенных типовых групповых трактов с включенной на входе и выходе аппаратурой образования тракта.
Транзит — соединение одноименных каналов передачи или трактов, обеспечивающее прохождение сигналов электросвязи без изменения полосы частот или скорости передачи.
Устройство оконечное первичной сети — техническое средство, обеспе- чивающее образование типовых физических цепей или типовых каналов передачи для их предоставления абонентам вторичных сетей и другим потребителям.
Первичная сеть служит основой для создания вторичных сетей. Вторичная сеть электросвязи — совокупность каналов передачи, ор-
ганизованных на базе каналов первичной сети, выделяемых временно или закрепляемых за некоторой службой связи, станций коммутации и другого оборудования в узлах связи, а также оконечных устройств в оконечных пунктах.
Терминология первичных сетей справедлива в применении ко вторич- ным сетям. Однако здесь присутствует собственная лексика [8, 9].
Канал электросвязи (Bearer Сircuit) — путь прохождения сигналов электросвязи, образованный последовательно соединенными каналами и линиями вторичной сети при помощи станций и узлов вторичной сети. Виды каналов электросвязи: телефонный, телеграфный, канал передачи данных, междугородный, зоновый, местный.
Вторичные сети подразделяются:
по виду передаваемой информации — на сети передачи данных (СПД), телефонные сети и др.;
по принадлежности — на сети общего пользования (например, ТФОП — телефонная сеть общего пользования) и ведомственные (частные, выделенные) сети;
по способу распределения информации — на коммутируемые и некоммутируемые (выделенные, арендованные) сети;
по способу организации — на специализированные (созданные на базе технических средств, специально предназначенных для их организации, например сеть абонентского телеграфирования) и неспециализированные (использующие технические средства, входящие в состав другой сети; такие сети носят название наложенных сетей, например сеть передачи данных через ТФОП).
Коммутируемая вторичная сеть обеспечивает передачу информации по требованию абонента по каналам электросвязи от одного оконечного пункта к любому другому. В зависимости от применяемого метода коммутации различают сети с коммутацией каналов, сообщений и пакетов. При коммутации каналов каждой паре абонентских или административных систем на время сеанса связи предоставляются в монопольное использование последовательности каналов, соединенных в единый канал, проходящий через всю коммуникационную систему. Коммутация сообщений обеспечивает переда- чу через сеть сообщений с промежуточным хранением в узлах коммутации.