• Основы коммуникаций
  
• Цифровые коммуникации
  
• Преобразование из аналоговой формы в цифровую (и обратно)
  
• Переход к интегрированной цифровой сети (IDN)
  
• Стандарты ISDN
  

Цифровые коммуникации и ISDN

    Всему есть свои причины. Сочетание обстоятельств, случайностей и событий, конвергенция культур, действий и реакций индивидуумов или природных сил, создают то, что раньше никогда не существовало. В природе происходят и революционные изменения, но по существу, если взять большой отрезок времени, все меняется эволюционным путем.
    Технология существует со времени зарождения человечества. История цивилизации идет рука об руку с развитием технологии. Естественное стечение обстоятельств и продуманных потребностей привело нас от каменного топора, рычага и колеса к электронным гитарам, холодильникам и цифровым коммуникациям. То, что мы называем новейшей технологией, уходит своими корнями глубоко в человеческую историю.
    Какое отношение все эти философские отступления имеют к ISDN (Integrated Services Digital Network)? Важно понять, что технология ISDN, являясь революционным методом коммуникаций, представляет собой естественный результат эволюционных процессов, которые начались еще тогда, когда цифровые коммуникации ограничивались поднятием двух пальцев и указанием на стадо мамонтов.
    За время существования человечества вычислительные и коммуникационные системы постепенно эволюционировали от простого к сложному. Нельзя отрицать важности невербальных цифровых коммуникаций в каменном веке, но их рассмотрение определенно выходит за рамки данной книги. Цель этой главы - показать, что цифровая сеть с предоставлением комплексных услуг стала результатом эволюционных процессов в области коммуникаций и технологии обработки информации.

Основы коммуникаций

     В сущности ISDN представляет собой неизбежную конвергенцию двух родственных технологий: коммуникаций и современных распределенных вычислений. Каждая из них развивалась более или менее независимо от другой, однако со временем преимущества их объединения становились все более очевидными и превратились в назревшую необходимость.
     Технология коммуникаций (в основном телефонная связь) развивалась в ответ на необходимость общения между людьми на больших расстояниях. Создатели телефона разработали технологию телефонии , позволяющую передавать речь на большое расстояние и воспроизводить ее в точке приема. Спустя немногим более 100 лет телефонная технология привела к созданию современной всемирной телефонной сета, которой мы более или менее успешно пользуемся сегодня.
     Развитие компьютерных технологий стало ответом на необходимость в обработке и хранении больших объемов информации. Проблема хранения и распространения информации всегда волновала человечество - со времен наскальных рисунков до сегодняшних систем корпоративных вычислений. В настоящее время ее решением стала разработка и совершенствование все более гибкой и мощной компьютерной технологии. Всего за 40 лет она стремительно эволюционировала от больших ЭВМ на электронных лампах с пакетной обработкой заданий до современных локальных (LAN) и глобальных (WAN) сетей, поддерживающих новейшие распределенные системы

Аналоговые коммуникации

     Телефонная связь разрабатывалась для передачи человеческой речи. Первоначально цель изобретателей телефона состояла в достаточно качественной передаче голоса па большие расстояния. О цифровой телефонии тогда никто и не думал. В ранних практических реализациях телефонных систем использовался исключительно человеческий голос, передаваемый и затем воссоздаваемый на приемном узле.
     Человеческая речь генерирует звуки - колебания воздуха. Такие волны называются аналоговыми сигналами. Аналоговые "речевые сигналы" вызывают колебание перепонки в ухе и преобразуются в распознаваемый звук. Неудивительно, что приемная часть телефонной трубки работает аналогично уху человека. Передаваемая по телефону речь транслируется в непрерывные электрические волны. На приемном конце эти электрические импульсы воссоздают соответствующие звуковые волны по возможности близко к оригиналу (насколько это позволяют характеристики оборудования).
     Так как данные электрические импульсы аналогичны генерирующим их звуковым волнам, говорят, что телефония основана на аналоговой передаче (подобна человеческой речи).

Компьютерная архитектура

     К тому времени как телефонная сеть охватывала уже весь мир, начались разработки современных компьютерных систем. Все коммуникации внутри ЭВМ, между компьютерами и их периферийными устройствами, а также между самими компьютерами осуществляются в цифровой форме.
     Если телефонная система основывалась на аналоговой передаче и развивалась на ее основе, то в компьютерной среде аналоговая передача не применялась. Компьютеры всегда использовали цифровую информацию и команды.

Построение телефонной сети

     Первоначально телефонная система состояла из одной передающей системы, одной приемной системы и одной линии (связывающего их провода). В ранних коммерческих телефонных системах можно было общаться только с теми местами, с которыми абонент был непосредственно связан телефонной линией. Со стремительным ростом популярности телефонного сервиса стали появляться базовые компоненты, составляющие сегодня международную телефонную сеть.
     Первым дополнением телефонной сети стали центральные телефонные узлы или центральные АТС (СО - Central Office ), обеспечивающие коммутацию со всеми телефонными линиями в данном географическом районе. Все телефонные системы и конечные пользователи были связаны с АТС абонентскими линиями ( subscriber loop ), а звонок поступал на АТС, которая обеспечивала соединение с принимающим абонентом. Сначала эти соединения осуществлялись вручную операторами, вставлявшими шнуры в соответствующие гнезда коммутационных панелей и устанавливавших тем самым прямую связь между абонентами.
     На следующем этапе АТС были соединены друг с другом магистральными каналами связи, а несколько АТС связывались промежуточными ( тандемными ) телефонными узлами. Такой узел содержал тандемный коммутатор, обслуживающий магистральные линии и маршрутизирующий (посылающий по определенному маршруту) звонки между АТС. Тандемные коммутаторы снизили стоимость телефонных разговоров, обеспечивая соединения между АТС, не требующие выделенной телефонной линии.
     С 1984 г. США были разделены на 161 область локального доступа и передачи (LATA - local access and transport area ), состоящие из местных линий связи (local loop), АТС и тандемных коммутаторов. Междугородные звонки между областями локального доступа и внутри них обслуживаются соответствующими коммуникационными компаниями. Коммутаторы АТС или тандемные коммутаторы передают звонки между LATA точно так же, как они передают и коммутируют звонки между АТС. Все это кажется немного сложным (что во многих отношениях соответствует истине), но суть в том, что в США любой звонок между вызывающим и принимающим абонентами обслуживают не менее шести участников: две локальные абонентские линии, две области локального доступа (LATA) и одна-две коммуникационные компании, обеспечивающие взаимодействие IATA. Логически все это выглядит как сложная и всеохватывающая "коммуникационная паутина". "

Цифровые коммуникации

     В компьютерах для управления локальными устройствами и для коммуникаций через локальные шины всегда использовались методы цифровой передачи сигналов. Разработка локальных сетей породила несколько более сложную форму цифровых коммуникаций - коммуникации между компьютерами. Локальные сети позволили реализовать новые мощные приложения и найти новое применение компьютерной технологии. Многие отраслевые эксперты считают, что развитие технологии локальных сетей стало важным шагом, способствующим расширению применения компьютеров, и основой для соединения их в глобальные сети.
     Распространение глобальных сетей привело к крупномасштабному использованию телефонных сетей для соединения удаленных друг от друга машин (компьютеров). Узлы глобальной сети можно связать не только локальными кабелями, но и с помощью телефонных линий.
     Обычно это требует преобразования цифровых сигналов компьютера в аналоговые сигналы, передаваемые телефонными системами, а затем обратного их преобразования на приемном конце в цифровую форму. Такое преобразование - модуляция и демодуляция - осуществляется модемами. Хотя оно вызывает ощутимые задержки и увеличение непроизводительных потерь в сети, преимущества глобальных сетей делают такое преобразование необходимым и практичным. Расширение использования телефонных линий для передачи данных породило новые варианты применения телефонного оборудования для коммутации и передачи сигналов, а также стало ключевым фактором, стимулирующим переход на полностью цифровые телефонные системы

Эволюция цифровых сетей: предоставлением комплексных услуг

     Развитие технологии цифровых вычислений революционным образом изменило методы создания, хранения и передачи информации в организациях. Многие новаторские решения, изначально предназначавшиеся для компьютерной технологии, были быстро адаптированы для применения в телефонной сети.

Преобразование из аналоговой формы в цифровую (и обратно)

     Функционирование телефонных сетей зависит от координации многих разнородных компонентов, развитие которых традиционно концентрировалось в двух основных областях: передаче и коммутации. Разработки в компьютерной технологии обычно адаптировались для применения в телефонной сети. Они позволяли снизить стоимость, повысить качество и надежность сервиса.
     Первым крупным применением компьютерной (цифровой) технологии в телефонной сети стала передача данных. Хотя многие местные абонентские линии в США все еще являются аналоговыми, наиболее сложные функции передачи информации в телефонии реализуются уже в цифровой форме. Первые цифровые линии США были линиями Tl ( digital first carrier system - первая система с цифровой несущей), состоящими из двух пар проводов, одна из которых использовалась для передачи, а другая - для приема. Линии Т1 были введены в телефонных сетях для обмена большими объемами информации между АТС и промежуточными коммутаторами. Аналоговые сигналы в них преобразуются в цифровой поток битов, предаваемый по линии Т1. На приемном конце этот поток снова преобразуется в аналоговую форму.

Передача аналоговых сигналов

     Аналоговые сигналы имеют вид непрерывных циклов (волн). Примерами таких сигналов являются речь, видео и музыка. Частота аналогового сигнала измеряется в герцах (Гц) - циклах в секунду. Полоса пропускания ( passband ) аналогового канала определяется как диапазон частот, которые можно одновременно передавать по этому каналу. Шириной полосы частот ( bandwidth ) называют ширину полосы пропускания, необходимую для передачи сигнала. В разных каналах могут использоваться различные полосы пропускания и диапазоны применяемых для передачи частот.
     Полоса пропускания аналоговой телефонной линии составляет примерно от 300 до 3400 Гц. Человеческая речь содержит частоты от 50 до 1500 Гц. Очевидно, что полоса пропускания физической телефонной линии не адекватна полному диапазону голосовых частот. Но исследования показывают, что большая часть речевых частот лежит в диапазоне от 300 до 3400 Гц. Телефонные линии оптимизированы для передачи этих частот, достаточных для воспроизведения четко различимой речи.
     Ширина полосы частот речевых коммуникаций ограничена телефонной сетью - по одному физическому каналу (или линии) можно передавать одновременно лишь несколько телефонных разговоров.

Передача цифровых сигналов

     Для цифровой передачи по линиям Т1 и для использования преимуществ цифровой коммутации аналоговый речевой сигнал нужно преобразовать в цифровой битовый поток. Непрерывно меняющиеся значения аналогового сигнала дискретизируются с частотой 8000 раз в секунду и преобразуются в цифровые значения с помощью специального алгоритма кодирования µ-типа (µ-law). Группа из 8 битов передает одно цифровое значение. На приемном конце оно преобразуется в одно из 254 различных цифровых значений напряжения (амплитуды сигнала).
     Обычно аналоговый сигнал генерируется, преобразуется в цифровой поток, передается, а затем на приемном конце снова конвертируется в аналоговый. К сожалению, при применении компьютерных модемов на каждом конце потока добавляется еще один вид преобразований: цифровые данные конвертируются в аналоговые (для начальной передачи по местной линии связи), а на приемном конце местной линии - обратно в цифровые.

Мультиплексирование

     Использование общей коммуникационной линии для одновременного обслуживания нескольких соединений называется мультиплексированием . Мультиплексирование в телефонной сети позволяет организовывать соединение множества абонентов по одному физическому соединению.
     Аналоговые и цифровые сигналы мультиплексируются по-разному. В аналоговой телефонной сети применяется мультиплексирование с разделением частот (FDM - frequency division multiplexing ), при котором общая ширина полосы частот делится на каналы (полосы), выделяемые пользователю на время соединения. При передаче речи каждому разговору предоставляется своя полоса пропускания с шириной полосы частот 3100 Гц.
     Цифровые сигналы передаются по линии с помощью мультиплексирования с разделением по времени (TDM - time division multiplexing ), при котором весь диапазон частот канала делится на очень малые кванты времени, а после обслуживания одной передачи канал переключается на следующего ожидающего абонента. Именно поэтому TDM называют иногда методом с разделением времени - ни одна из участвующих в коммуникациях сторон не получает линию на все время, но всем предоставляется свой квант времени.

Коммутация

     Первыми коммутационными устройствами в телефонной сети были электромеханические шаговые коммутаторы. Такой коммутатор реагировал на каждую набираемую пользователем цифру и осуществлял физическое соединение, маршрутизируя звонок. Следующим этапом в разработке коммутаторов стала реализация общей функции управления коммутацией. Общее управление коммутацией основано на группе электромеханических реле с командами, которые выполняют функции, статически заданные внутренней схемой коммутатора.
     С появлением транзистора были созданы коммутаторы с хранимой программой , допускающие простое перепрограммирование соединений и управления звонками в телефонной сети. Первые такие устройства были установлены в 70-х годах. По существу это цифровые коммутаторы, поэтому их включение в телефонную сеть, наряду с линиями Т1, ознаменовало собой начало эволюции ISDN.
     Внедрение цифровых коммутаторов и линий передачи больших объемов цифровой информации потребовало выполнения значительных аналого-цифровых и цифро-аналоговых преобразований в сети. Учитывая эволюцию телефонной сети, эти преобразования практичны и необходимы, но добавляют существенные непроизводительные потери и увеличивают стоимость передачи телефонных звонков. Причем такие соединения не предлагают пользователям новых ценных функций. Для снижения непроизводительных потерь и связанного с ними повышения стоимости за счет уменьшения числа необходимых соединений инженеры по телефонным сетям немедленно приступили к преобразованию все большего числа функций передачи информации из аналоговой формы в цифровую.

Локальные и глобальные сети

     Между тем разработка и реализация компьютерных технологий продолжались стремительными темпами. Предлагались новые способы конструирования и использования компьютеров. В непрерывных поисках более эффективных и быстрых технологий они совершенствовались и заменялись прогрессивными методами.      Одним из самых значительных изменений в вычислительной технике стал переход от пакетно-ориентированной обработки к распределенным вычислениям. Вслед за этим новаторские решения привели к децентрализации вычислительного процесса и хранения информации. В основном данный сдвиг стал результатом развертывания локальных сетей, объединяющих Вновь развертываемые локальные сети соединялись друг с другом с помощью телефонных каналов и образовывали глобальные сети, значительно расширяющие доступ пользователей ПК к обработке, хранению данных и источникам информации.      Все это создало дополнительную нагрузку на системы телефонной связи. Спроектированные и построенные в основном для аналоговой передачи речи, телефонные сети все чаще применялись для обмена цифровыми данными.      Как уже говорилось выше, на передающем конце цифровые компьютерные сигналы преобразуются в аналоговые (модулируются), а на приемном - конвертируются обратно в цифровые (демодулируются). Эти преобразования выполняют модемы. Постепенный переход телефонной сети от аналоговых методов коммуникаций к цифровым привел к тому, что компьютерам приходится неизбежно сталкиваться с дополнительным этапом модуляции/демодуляции - вместо того, чтобы просто использовать в качестве основной цифровую среду передачи данных

Переход к интегрированной цифровой сети (IDN)

     Сегодня все больше телефонных каналов применяется для обмена цифровыми компьютерными данными. Новые разработки и эволюция цифрового аппаратного и программного обеспечения продолжают снижать стоимость передачи и коммутации, а также сокращают непроизводительные потери, связанные с осуществлением операций в телефонной сети. Между тем с самого начала было очевидно, что из соображений экономии, целесообразности и точности количество преобразований аналоговых/цифровых сигналов в сети следует свести к минимуму.
     Еще в 1959 г., когда тестировались и отлаживались первые экспериментальные реализации цифровой телефонной технологии, был предложен перевод глобальной телефонной сети с аналоговой основы на цифровую - ее преобразование в интегрированную цифровую сеть (IDN - integrated digital network) с комбинированными (для повышения эффективности) средствами коммутации и передачи данных.
     Пользователи глобальной сети всегда признавали ее ценность и искали методы организации сквозных (от отправителя до получателя) цифровых соединений для передачи цифровой информации. Специалистам в области телефонных сетей нужно было сократить расходы, увеличить допустимую нагрузку и усилить контроль, а для этого - исключить аналого-цифровые преобразования в системе.

ISDN

     Слово "интегрированная" в IDN подразумевает интеграцию коммутации и передачи данных. IDN рассматривается в контексте телефонной сети и воплощает такую цель, как тотальный перевод телефонной технологии на цифровые методы.
     Концепция ISDN несколько шире. В ISDN "интегрированная" означает, что передача данных разного типа - речи, видео, звука и данных - может эффективно обслуживаться цифровой коммутацией и средствами передачи в сети IDN.

Стандарты ISDN

     Стандарты определяются как "заданный набор правил, условий или требований, касающихся определения терминов, классификации компонентов, спецификации материалов, функциональных характеристик или операций, описания процедур, измерения качественных и количественных параметров материалов, продуктов, систем, услуг или методов".
     Определением стандартов для предложенной спецификации ISDN занимается несколько организаций стандартизации. Среди них выделяется Консультативный комитет по международной телефонной и телеграфной связи (CCITT - International Telegraph and Telephone Consultative Committee).
     CCITT определяет ISDN как сеть, общие принципы которой эволюционировали на основе телефонной сети IDN. ISDN обеспечивает сквозные цифровые соединения для поддержки широкого спектра услуг, включая речевой и неречевой сервис. Пользователи могут обращаться к этой сети с помощью ограниченного набора многоцелевых интерфейсов "пользователь-сеть".
     В 1984 г. Консультативный комитет по международной телефонной и телеграфной связи определил следующие принципы ISDN:

1. ISDN должна поддерживать ряд речевых и неречевых приложений. Интеграция служб для ISDN осуществляется с помощью ограниченного набора типов соединений и интерфейсов "пользователь-сеть".
2. ISDN поддерживает различные приложения, в том числе коммутируемые и некоммутируемые соединения. Коммутируемые соединения должны включать в себя соединения с коммутацией каналов и с коммутацией пакетов.
3. Новые службы, включаемые в ISDN, должны быть совместимы с коммутируемыми цифровыми соединениями 64 Кбит/с.
4. ISDN будет содержать интеллектуальные средства для предоставления сервисных функций, обслуживания и управления сетью. Для некоторых новых служб этих средств может оказаться недостаточно, и потребуется дополнить их другими интеллектуальными средствами сети или совместимыми средствами пользовательских оконечных устройств.
5. Для спецификации доступа к ISDN следует использовать многоуровневую структуру протоколов. Доступ пользователя к ресурсам ISDN зависит от требуемого сервиса и состояния реализации национальных служб ISDN.
6. Допускается реализация ISDN в разных конфигурациях, определяемых конкретными условиями.

1. ISDN будет основываться на принципах, разработанных для телефонных сетей ISDN. Для предоставления существующих и новых видов сервиса будут развиваться дополнительные функции и сетевые средства, включая средства любых других выделенных сетей, например сетей с коммутацией каналов и коммутацией пакетов (для передачи данных).
2. При переходе от прежних сетей к сетям ISDN необходимо разработать правила взаимодействия при реализации служб в сетях ISDN и служб в других сетях.
3. На более поздних этапах эволюции ISDN может произойти увеличение скорости передачи в коммутируемых соединениях, которая будет превышать 64 Кбит/с.

Воплощение в реальность