Основной предпосылкой создания сети ISDN является организация цифрового абонентского доступа. В настоящее время, в ряде стран существуют различные протоколы сигнализации на абонентском доступе. Это связано с тем, что разработка их проводилась различными фирмами при отсутствии единого стандарта. В 1990 году были разработаны стандарты, регламентирующие систему сигнализации на абонентском участке сети ISDN. Эта система сигнализации была названа EDSS1 (Европейская цифровая система сигнализации №1), которая является единственной системой сигнализации используемой на сети общего пользования России на абонентском участке сети ISDN. Данная система сигнализации применяется как для базового, так и для первичного доступа. С помощью ЕDSS1 осуществляется установление соединение и происходит разъединение, производится заказ услуг пользователями, передача информации между абонентами. Все эти функции реализуются с помощью специальных аппаратно-программных средств, входящих в состав терминалов ISDN, сетевых окончаний и оборудования систем коммутации. Далее рассмотрим построение цифрового абонентского доступа и протоколы EDSS1.
Цифровой абонентский доступ характеризуется физическими параметрами интерфейса пользователь - сеть и абонентской сигнализацией. Основная конфигурация абонентского доступа приведена на рис. 2.5. Несколько абонентских устройств (ТЕ) подключаются к одному устройству сетевого окончания (NT), при этом оконечные устройства могут быть либо однотипными, либо разнотипными (устройства для передачи текста, данных, речи). Сетевое окончание предназначено для подключения абонентской установки к абонентской линии и для обеспечения совместного использования одной абонентской линии несколькими абонентскими установками. В связи с этим блок NT разделяется на два блока NT1 и NT2.
Рис. 2.5. Основная конфигурация абонентской линии.
Между функциональными блоками определяются контрольные точки (интерфейсы обмена информацией): точка S, точка Т и точка U (в протоколе EDSS1 эти точки обозначаются как S0, T, Uk0 соответственно). В этих точках образован стандартизованный физический стык.
NT1 - Блок сетевого окончания NT1 осуществляет прямое и обратное преобразование сигналов получаемых со стороны контрольной точки Т в сигналы, соответствующие передаче по абонентской линии.
NT2 - Данный блок необходим для обеспечения совместного использования одного сетевого окончания несколькими оконечными устройствами. Если функции NT2 не требуются, блок может отсутствовать. Примером NT2 может служить учрежденческая станция.
Задачей абонентской сигнализации является обеспечение взаимодействия между оборудованием пользователя и сетью (сигнализация пользователь - сеть). На сети ISDN допускается также в ограниченном объёме обмен информацией между двумя устройствами пользователя по D - каналу (сигнализация пользователь - пользователь). Протоколы абонентской сигнализации описываются в соответствии с семиуровневой моделью OSI. Согласно модели OSI процедуры, выполняемые при установлении соединения распределяются по семи уровням, располагающимся друг над другом. Сигнализация пользователь - сеть находится в пределах трёх нижних уровней OSI и выполняет следующие функции:
уровень передачи данных (физический уровень, 1 уровень) обеспечивает синхронизируемую сетью передачу информации по каналам одновременно в обоих направлениях и регулирует одновременный доступ нескольких оконечных устройств к совместно используемому D - каналу;
уровень защиты D - канала (уровень звена передачи данных, 2 уровень) обеспечивает защищённую от ошибок передачу сигнальной информации для 3 уровня и передачу пакетов данных, передаваемых в D - канале, в обоих направлениях между сетью и устройством пользователя;
уровень коммутации D - канала (сетевой уровень, 3 уровень) обеспечивает установление и управление соединением на участке пользователь - сеть. Третьим уровнем заканчивается сигнализация пользователь - сеть.
На примере основного доступа рассмотрим уровень 1.
S0 интерфейс представляет собой четырехпроводную шину и обеспечивает передачу информации в двух направлениях: от NT до терминального оборудования и от терминального оборудования до NT. В каждом из направлений информация передаётся со скоростью 192 кбит/с. Информация передаётся в виде фрейма длиной 48 бит, частота посылки фрейма 4000 раз в секунду, что и составляет 192 кбит/с.
48 бит организуются следующим образом: 16 бит на каждый В - канал; 4 бита на D - канал; 12 бит на синхронизацию и эхоподавление. Таким образом, функции S0 интерфейса заключаются в организации двух стандартных пользовательских каналов (В - каналов) со скоростью 64 кбит/с в каждом направлении и канала сигнализации (D - канала) со скоростью 16 кбит/с. Канал синхронизации требуется для передачи каналов в режиме временного уплотнения. С помощью синхронизации определяется расположение битов В и D каналов. По шине S0 осуществляется питание пользовательского оборудования.
Uк0 интерфейс. Абонентская линия как в разных странах, так и внутри одной страны может существенно различаться (по протяжённости, по характеристикам кабелей), поэтому МККТТ не определяет стандарты на способ передачи сигналов по абонентской линии (контрольная точка U не стандартизирована). Выбор интерфейса обмена производится с учётом национальных требований. Наиболее часто используется интерфейс называемый Uk0. Основная проблема, возникающая при передаче на основном доступе, состоит в использовании существующих медных проводов для двухсторонней цифровой передачи. При этом 1) необходимо обеспечение высокой скорости при двухсторонней передачи по проводу а/b; 2) провода а/b не обеспечивают скорости 160 кбит/с при использовании линейного псевдотроичного кода.
Для решения первой проблемы используется цифровой эхокомпенсатор, гарантирующий вероятность битовой ошибки менее 10-7 при расстоянии 8 км и диаметре поперечного сечения 0.6 мм. Для решения второй проблемы используются коды 2B/1Q или 4B/3T. 2В1Q означает, что два бита информации кодируются одним импульсом определённой полярности и амплитуды. Так как возможны четыре случая сочетаний двух бит, то импульс принимает четыре различных значения и называется четверичным символом.
Уровень 2. Протокол, используемый для уровня 2 в D канале при выполнении процедуры установления соединения называется LAPD (Link Access Procedure on the D channel). Данный протокол основывается на протоколе LAPB (рекомендация МККТТ Х.25). Однако особенности LAPD дают ему ряд важных преимуществ. Прежде всего, это мультиплексирование пакетов, имеющих собственные адреса 2 уровня, позволяющее существовать множеству процедур доступа на одном физическом соединении. Это позволяет нескольким терминалам (до 8) делить сигнальный канал между собой. Формат D - канального сообщения второго уровня представлен на рисунке 2.6.
Рис. 2.6. Формат D - канального сообщения второго уровня
Flag - каждая сигнальная единица начинается и заканчивается флагом, он отмечает начало сигнальной единицы и её конец. Флаг - это последовательность битов: 01111110. Флаг, предшествующий адресному полю называется открывающим флагом, а флаг, следующий за полем FCS называется закрывающим флагом.
Address - адресное поле состоит из двух байт. В нём определяется получатель управляющей сигнальной единицы и передатчик посланной единицы. В адресное поле входят бит расширения (ЕА), индикатор команда/ответ (C/R), идентификатор пункта обеспечивающего услуги звена передачи данных (второго уровня) - SAPI, индикатор терминального окончания (TEI).
Бит расширения адресного поля (ЕА) - 1 указывает на то, что байт последний в адресном поле.
Индикатор команда/ответ (C/R) - Индикатор указывает является ли данный пакет командой, или ответом на команду. Если пользователь посылает команду, то C/R установлен в 0, если ответ в 1. Со стороны сети наоборот, команда обозначается 1, ответ 0.
Идентификатор пункта обеспечивающего услуги звена передачи данных (SAPI) - Указывает класс передаваемой информации. Эти классы информации используются для распознавания сигнальной информации, административной информации уровня 2 и пакетов пользовательской информации. Например, цифровые телефоны и терминалы Х.25 могут быть подключены к одному стыку S0. Разные типы терминалов имеют разные типы доступа и могут иметь выход на различные сети. Пакеты, передаваемые разными типами терминалов (работающими по разным протоколам), идентифицируются с помощью индикатора SAPI. Шесть бит адресного поля отведённые под SAPI могут определить 64 класса информации, от 0 до 63.
Индикатор терминального окончания (TEI). В виду того, что к одному блоку сетевого окончания может быть подключено несколько пользовательских установок, станция ISDN присваивает каждой из них уникальный номер, который называется TEI. Таким образом, ТЕI предназначен для идентификации терминального оборудования. Комбинация SAPI и TEI идентифицирует процедуры звена передачи данных и обеспечивает уникальность адреса для уровня 2. Терминал будет использовать этот адрес во всех передаваемых им пакетах и принимать только те пакеты, которые имеют соответствующий ему адрес. Не должно существовать двух одинаковых TEI. Для этого сеть осуществляет специальное управление распределением TEI и следит за их правильным использованием.
Control field (поле управления). Поле управления определяет тип D - канального сообщения, которое может быть командой, или ответом на команду. Поле управления может состоять из одного или двух байтов, размер его зависит от формата. Существует три типа форматов поля управления: передача информации о номере пакета (I формат), функции надзора (S формат), ненумерованная информация и функции управления (U формат).
Information (информационное поле). Информационное поле может и не присутствовать в пакете (в этом случае пакет не несёт в себе информацию третьего уровня, а используется вторым уровнем, например, для управления звеном передачи данных); если оно присутствует, то находится за полем управления. Размер информационного поля может достигать 260 байт.
FCS (поле контрольных бит) - В виду того, что при передачи по сети пакеты могут искажаться шумами на первом уровне, в каждом из них присутствует поле контрольных бит (Frame Check Sequence field), оно состоит из 16 проверочных битов и используется для проверки ошибок в принимаемом пакете. Если пакет принят с неправильной последовательностью проверочных битов, то он сбрасывается.
Уровень 3 отвечает за установление и управление соединением. Он готовит сообщения для передачи их вторым уровнем, подготовленная информация помещается в информационное поле D - канального сообщения. Сообщения 3 уровня - это сообщения, передаваемые между терминалами пользователя и станцией и наоборот (например, процедуры для управления вызовами в режиме коммутации каналов, а также процедуры позволяющие использовать ISDN для осуществления вызовов в режиме коммутации пакетов по D – каналу). Структура сигнального сообщения 3 уровня представлена на рис. 2.7.
Рис. 2.7. Организация сигнального сообщения третьего уровня.
Идентификатор протокола. Цель идентификатора протокола состоит в отделении сообщений управления вызовом на участке пользователь - сеть от других сообщений. Идентификатор протокола - первая часть каждого сообщения 3 уровня.
Идентификатор вызова является третьим байтом сигнального сообщения 3 уровня и используется для определения того вызова, к которому относится данное сообщение. Таким образом, вызов может быть идентифицирован независимо от канала передачи, в котором он поддерживается. Это важно для идентификации информации, относящейся к разным вызовам одного терминала.
Тип сообщения предназначен для определения функции, которую выполняет посланное сообщение.
Каждое из передаваемых сообщений содержит идентификатор протокола, идентификатор вызова и поле типа сообщения. Данная информация заносится в соответствующие поля сигнального сообщения третьего уровня. Поле, отведённое для других информационных элементов, заполняется информацией, необходимой каждому конкретному типу сообщения.
Вся информация, передаваемая в сообщениях D - канала, преобразуется в сообщения подсистемы ISUP, или в сигналы других систем сигнализации, используемых на сети. Однако следует отметить, что при использовании других систем сигнализации, все преимущества и услуги, присущие абонентам ISDN, не могут быть реализованы.
ОКС № 7 (SS7)
Появление систем коммутации с программным управлением привело к идее принципиально новой системы сигнализации по общему каналу. В отличие от традиционных систем сигнализации система сигнализации по общему каналу (ОКС) позволяет передавать сигнальную информацию между системами коммутации не для одного конкретного разговорного канала, а для целого пучка объемом до 1000 разговорных каналов по одному общему сигнальному каналу. Использование общего канала сигнализации по сравнению с традиционными системами сигнализации обеспечивает улучшение качества телефонной связи благодаря упрощению линейных комплектов, сокращению времени установления соединения, и открывает возможности организации цифровых сетей с интеграцией обслуживания (ЦСИО - ISDN), сетей подвижной связи и интеллектуальных сетей. Система сигнализации №7 оказалась системой, обладающей огромным потенциалом. Она не только позволила обеспечить потребности передачи сигнальной информации для существующего к тому времени уровня развития связи, но и явилась одной из предпосылок появления новых услуг связи. Основополагающими документами, описывающими систему сигнализации №7, являются Рекомендации МККТТ (в настоящее время МСЭ) серии Q.
ОКС № 7 в соответствии с моделью OSI представлена следующим образом.
Функции звена данных сигнализации - уровень 1 - определяет физические, электрические и функциональные характеристики звена данных сигнализации и средства доступа к нему. Элементом уровня 1 является канал связи для звена сигнализации.
Функции звена сигнализации - уровень 2 - определяет функции и процедуры, относящиеся к передаче сигнальных сообщений по отдельному звену данных сигнализации. Функции уровня 2 и функции звена данных сигнализации уровня 1 образуют звено сигнализации, обеспечивающее надёжную передачу сигнальных сообщений между двумя пунктами. Сигнальное сообщение, поступающее от верхних уровней, проходит по звену сигнализации в виде сигнальных единиц переменной длины. Для надежной работы звена сигнализации сигнальная единица включает, помимо информации сигнального сообщения, информацию для управления передачей. Функциями звена сигнализации являются: деление на сигнальные единицы посредством флагов; предотвращение имитации флагов с помощью вставки битов; обнаружение ошибок с помощью проверочных битов, включённых в каждую сигнальную единицу; исправление ошибок посредством повторной передачи и контроля порядка следования сигнальных единиц с помощью явных порядковых номеров в каждой сигнальной единице и явных непрерывных подтверждений; обнаружение отказа звена сигнализации посредством контроля интенсивности ошибок в сигнальных единицах и восстановление звена сигнализации с помощью специальных процедур.
Функции сети сигнализации - уровень 3 - определяет функции и процедуры передачи, общие для различных типов звеньев сигнализации и независимые от работы каждого из них. Эти функции подразделяют на две большие категории: а) функции обработки сигнальных сообщений, которые при правильной передаче сообщения направляют его по звену сигнализации или в соответствующую подсистему пользователя; б) функции управления сетью сигнализации, которые на основе заранее определённых данных и информации о состоянии сети сигнализации управляют маршрутированием сообщений и конфигурацией средств сети сигнализации. В случае изменения состояний они обеспечивают также изменение конфигурации сети и другие меры, необходимые для обеспечения или восстановления нормальной работы сети сигнализации. Различные функции уровня 3 взаимодействуют друг с другом и с функциями других уровней посредством команд и индикаций.
Функции подсистемы пользователя - уровень 4 - состоит из различных подсистем пользователей, каждая из которых определяет функции и процедуры системы сигнализации, характерные для определённого типа пользователя системы. Набор функций подсистемы пользователя может значительно различаться для разных категорий пользователей системы сигнализации. Основными подсистемами пользователя являются: подсистема телефонного пользователя (TUP), обеспечивающая функционирование телефонной сети, подсистема пользователя ISDN (ISUP), обеспечивающая функционирование сети ISDN, подсистема управления сквозными сигнальными соединениями (SCCP), предоставляющая услуги сети, связанные или не связанные с установлением соединений для передачи сигнальной информации, относящейся или не относящейся к речевым каналам. Эта подсистема используется, в основном, для сетей подвижной связи и интеллектуальных сетей.
Информация в системе сигнализации №7 передается с помощью сигнальных единиц (СЕ), формат которых приведен на рис. 2.8.
Рис. 2.8. Формат сигнальных единиц
Для каждой подсистемы используются свои уникальные форматы СЕ. Сигнальные единицы бывают трех типов: заполняющие сигнальные единицы, сигнальные единицы состояния звена сигнализации и значащие СЕ. Заполняющие сигнальные единицы не содержат никакой пользовательской информации и служат для контроля работоспособности звена сигнализации. Сигнальные единицы состояния звена также не содержат никакой пользовательской информации и служат для управления работоспособностью сети сигнализации. Значащие СЕ необходимы для осуществления функций сигнализации в сети связи. Обработка значащих сигнальных единиц осуществляется следующим образом. На исходящей стороне информация, формируемая подсистемами пользователей, помещается в поле сигнальной информации (ПСИ) СЕ МТР, на входящей стороне анализируется байт служебной информации поступившей сигнальной единицы, определяется к какой подсистеме пользователя относится данная СЕ и информация ПСИ поступает в соответствующую подсистему пользователя.
Сигнальная единица начинается открывающим флагом. Открывающий флаг сигнальной единицы обычно является закрывающим флагом предшествующей сигнальной единицы. В некоторых случаях (например, при перегрузке звена сигнализации) между двумя следующими одна за другой сигнальными единицами может передаваться несколько флагов. Оконечное устройство звена должно всегда иметь возможность принимать последовательность сигнальных единиц, между которыми вставлены один или несколько флагов. Последовательность битов флага следующая: 01111110.
Каждая сигнальная единица содержит 16 проверочных битов, которые возникают при кодировании СЕ циклическим кодом и предназначены для обнаружения ошибок при передаче.
Поле сигнальной информации состоит из целого числа байтов, большего или равного 2 и меньшего или равного 272. Форматы и коды поля сигнальной информации определяются в каждой подсистеме пользователя.
Байт служебной информации делится на индикатор службы и поле подвида службы. Индикатор службы служит для установления соответствия сигнальной информации конкретной подсистеме пользователя и содержится только в значащих сигнальных единицах. Поле подвида службы содержит индикатор сети (биты C и D) и два резервных бита (биты A и B). Индикатор сети используется функцией обработки сигнальных сообщений (например, для определения применяемой системы нумерации пунктов сигнализации). Индикатор сети позволяет отличить международные сообщения от национальных.
Индикатор длины служит для указания количества байтов, следующих за байтом индикатора длины и предшествующих проверочным битам, и является одним из двоичных чисел в интервале от 0 до 63.
Прямой порядковый номер - это порядковый номер сигнальной единицы, в составе которой он передаётся. Обратный порядковый номер - это порядковый номер подтверждаемой сигнальной единицы.
Прямой бит-индикатор и обратный бит-индикатор совместно с прямым и обратным порядковыми номерами используются при основном методе защиты от ошибок для обеспечения правильной последовательности сигнальных единиц и для осуществления функций подтверждения.
Элементами сети сигнализации являются: звенья сигнализации и пункты сигнализации. Пункты сигнализации делятся на: оконечные пункты сигнализации (ПС); транзитные пункты сигнализации (ТПС); интегральные пункты сигнализации (ПС/ТПС); пункты обработки сообщений SCCP (SPR). Последовательность звеньев сигнализации между двумя оконечными пунктами сигнализации называется маршрутом сигнализации. Для обеспечения надежной передачи сигнальных сообщений между двумя пунктами сигнализации используется, как правило, два маршрута сигнализации (основной и резервный). Функционирование сети сигнализации может осуществляться в связанном и квазисвязанном режимах. В связанном режиме маршрут речевых каналов совпадает с маршрутом сигнализации, а в квазисвязанном режиме эти маршруты могут не совпадать.
Выбор маршрутов сигнализации в сети сигнализации №7 осуществляется в соответствии с таблицами маршрутизации, являющимися полупостоянными данными каждого пункта сигнализации. В таблицах маршрутизации указывается обычно два маршрута, один из которых, как правило используется при нормальных условиях, а второй - при отказе первого. Однако возможно использование обоих маршрутов в режиме разделения нагрузки.
Подсистема пользователя ISDN (ISUP) предназначена для управления соединениями пользователей на межстанционном участке. Данная подсистема включает в себя алгоритмы обработки сообщений, связанных с установлением соединений и разъединением. В состав этих сообщений входит множество индикаторов, позволяющих обеспечить все услуги, предоставляемые сетью ISDN. В настоящее время существует две основные версии ISUP: Q. 767 и ISUP'92. В большинстве развитых стран версия Q.767 уже внедрена и ведутся работы по переходу на версию ISUP'92, которая, однако, еще недостаточно апробирована.