Лекция 2. Состав и функциональная архитектура управляющих комплексов.
Исторически управление средствами связи развивалось следующим образом. На механо-электрических средствах связи с индивидуальными коммутационными приборами (приборами искания), таких как АТС декадно-шагового типа, применялось индивидуальное управление. Здесь сигналы управления – цифры набора номера – поступали непосредственно от абонента на приборы искания. В механо-электрических средствах связи с групповыми приборами искания, такими как многократные координатные соединители появились групповые управляющие устройства, выполненные по аппаратной логике, в виде последовательно соединенных реле («пирамиды реле») – т.н. схемное управление. Управляющие устройства, такие как групповой искатель, абонентский регистр могли только принимать и обрабатывать цифры набора номера абонентов, но и обмениваться сигналами занятия, разъединения с помощью передачи электрических сигналов по специальным проводам управления. Такое управление можно охарактеризовать как «жесткое», реализующее только один алгоритм управления установлением соединения. Впрочем, решение по схемному управлению соответствовало уровню применяемой коммутационной техники. Решительный переворот в развитии управляющих комплексов средств связи произошел с началом внедрения электронных и квазиэлектронных коммутационных элементов, программного управления, что потребовало применения вычислительных машин для управления процессами коммутации и передачи.
Под управлением понимается любое изменение состояния средства связи, его компонента, процесса, ведущие к достижению поставленной цели. Целью, здесь является поддержание средства связи в состоянии, соответствующему штатному режиму эксплуатации с показателями, соответствующими паспортным показателям.
Программное управление работой некоторого объекта осуществляется системой автоматического управления (на основе микропроцессора или электронной вычислительной машины) по заданной программе для ЭВМ, в результате чего вырабатываются сигналы, воздействующие на исполнительные органы управляемого объекта для целенаправленного изменения его режима работы или состояния. В средствах связи для реализации системы автоматического управления используется управляющий комплекс средств связи.
Управляющий комплекс (УК) средства связи – совокупность технологически сопряженных управляющих устройств, предназначенных для автоматического управления процессами преобразования сигналов электросвязи, коммутацией и передачей каналов и пакетов, а также для реализации автоматизированных функций технической эксплуатации средств связи, учета и контроля трафика.
Управляющее устройство (УУ) – функционально и конструктивно законченное изделие, вырабатывающее из потока поступающей информации последовательность управляющих сигналов или машинных команд для целенаправленного воздействия на аппаратуру и приборы средства связи. Под аппаратурой понимаются технические средства определенного класса.
Управляющий комплекс средства связи включает следующие виды устройст управления:
Индивидуальные управляющие устройства (контроллеры);
Групповые управляющие устройства;
Центральное управляющее устройство (см. рис.1)
Рис.1 – Общая функциональная схема управляющих устройств средства связи.
Под модулем на рис.1 понимается сборочная единица средства связи, состоящая из одной или нескольких деталей, соединенных на предприятии изготовителе, установленная на монтажном месте (позиции) и предназначенная для обеспечения паспортных функций средства связи, включая функции технической эксплуатации. Модули могут объединяться в блоки с общим функциональным назначением – блок соединительных линий (блок СЛ), блок линий доступа (блок ЛД). На рисунке 1 модуль соединительных линий, модуль линий доступа и цифровое коммутационное поле (матрица коммутации) выполняют свои стандартные функции для создания сквозного канала связи между пользователями услуг электросвязи или организации маршрута коммутации кадров/пакетов в процессе сеанса связи. Одной из основных функций модуля является реализация интерфейса между средством связи и внешней средой.
Интерфейс с внешней средой предоставляет следующие услуги:
Интерфейс человек-компьютер (человек – машина);
Информационный обмен с внешней средой;
Прием/передача сигнала электросвязи.
Для системы передачи, в случае использования схемы рис.1, модули линий доступа могут отсутствовать. Пунктиром на рисунке показаны управляющие устройства, которые могут, как присутствовать, так и отсутствовать в конструкции конкретного средства связи.
В современных средствах связи микропроцессоры используются практически во всех аппаратах модулях и блоках систем коммутации и передачи. Это также обусловлено повсеместным применением программного управления. Программы управления средствами связи могут загружаться в физическую память микропроцессора управления с внешнего источника (накопитель на жестком магнитном диске, оптический накопитель).
Программы управления могут применяться в виде замонтированного программного обеспечения firmware, т.е. постоянно храниться в постоянных запоминающих устройствах с возможностью стирания и перезаписи или без такой возможности.
Рассмотрим функции управляющих устройств более подробно.
Индивидуальные управляющие устройства (ИУУ) – предназначены для управления данным модулем. Выполняют ограниченный набор функций, как правило относящихся к управлению физическим и канальным уровнем модели взаимосвязи открытых систем. В частности ИУУ осуществляет:
Отслеживание момента изменения состояния линии или канала/тракта для определения момента занятия, разъединения, поступления новой информации;
Обмен данными по управлению и взаимодействие с другими ИУУ;
Обмен данными по управлению с ГУУ и/или ЦУУ;
Запуск и прием результатов стандартных тестов технического состояния линий, каналов и трактов;
Мультиплексирование и демультиплексирование;
Мониторинг оборудования, самотестирование и самопроверка (в рамках технической эксплуатации).
Часть указанных функций может осуществляться с помощью специальных микросхем/микросхемных наборов, т.е. на основе управления с жесткой логикой. ИУУ может принимать программную команду управления от ГУУ и на ее основе формировать функциональный сигнал управления для аппаратуры связи.
Сигналы управления – это изменения показателей, признаков, переменных величин некоторых физических объектов, используемые в системе управления для передачи информации или для воздействия на объект управления. Сигнал управления в средствах связи – электромагнитный сигнал, передаваемый между управляющими устройствами средств связи, для целенаправленного воздействия на объект управления. Функциональный сигнал управления – сигнал, передаваемый управляющим устройством средства связи или МПр, для реализации требуемой функции на объекте управления. Функция – совокупность действий средства связи или его компонента, направленная на достижение определенной цели.
Программная команда управления – кодированное описание операции или обозначение программы (процедуры), которая должна быть исполнена управляющим устройством в процессе осуществления требуемой функции средства связи. Программными командами управления обмениваются не МПр, а программные средства управления.
В случае отсутствия в конструкции ИУУ, часть его функций может быть реализована аппаратно, а функции мониторинга, запуска и приема результатов тестов может быть передана ИУУ или ЦУУ. ИУУ относится к 1-му уровню управления средством связи.
Групповые управляющие устройства (ГУУ) предназначены для управления одним или несколькими блоками (модулями). Также ГУУ осуществляют координацию и взаимодействие с другими ГУУ. Благодаря развитию микропроцессорной техники и программного обеспечения, современные ГУУ могут самостоятельно вырабатывать управляющие программные команды или функциональные сигналы управления. ГУУ выполняют следующие функции:
Поддержка процедур сетевых и коммуникационных протоколов (запрос-ответ, разбиение и сборка пакетов, анализ заголовков и цифр набора номера);
Обработка данных систем сигнализации;
Анализ ошибок приема-передачи;
Управление и контроль ИУУ;
Взаимодействие с другими ГУУ при занятии свободных путей/трактов между заданными блоками для установления соединения или сеанса связи;
Обмен данными по управлению с ЦУУ.
В части функций технического управления и эксплуатации ГУУ выполняют функции тестирование и самопроверки, сбор данных по технической эксплуатации от ИУУ и передача этих данных в ЦУУ. Групповое управляющее устройство не является обязательным для средств связи малой мощности/емкости. Групповые управляющие устройства, если они реализованы на достаточно мощных МПр, могут одновременно выполнять функции ИУУ.
В случае отсутствия ИУУ, ГУУ может осуществлять преобразование команд центральных управляющих устройств в функциональные сигналы управления, поступающие на оборудование блоков, на цифровое коммутационное поле (матрицу коммутации). К примеру, на выходе центрального управляющего устройства может быть программная команда управления, а ГУУ преобразует эту команду в электрические импульсы определенной формы и уровня – функциональный сигнал управления – вызывающий срабатывание конкретного прибора в блоке соединительных линий или в боке линий доступа. ГУУ относятся ко 2-му уровню управления средством связи.
Центральное управляющее устройство (ЦУУ), как правило, включает в себя комплекс управляющих устройств (УУ). Эти УУ могут быть одинаковыми по конструкции, но за счет различия загружаемых программ для ЭВМ выполняют разные функции. Это ещё одно доказательство в пользу преимуществ программного управления средствами связи.
Центральное управляющее устройство выполняет наиболее сложные, «интеллектуальные», функции управления средством связи и процессами, осуществляемыми средством связи. Например, центральное управляющее устройство выполняет функции маршрутизации сообщений и пакетов, функции технического обслуживания и эксплуатации, функции администрирования доступом абонентом или пользователей, управляет данными о трафике, управляет процессами ввода-вывода с внешних устройств и управляет обменом с персоналом по эксплуатации. В случае отсутствия в конструкции средства связи ГУУ или ИУУ, ЦУУ также выполняет и функции нижестоящих управляющих устройств. ЦУУ относиться к 3-му уровню управления средством связи.
Сначала микропроцессоры применялись только в центральном управляющем устройстве. В последствии микропроцессоры, однокристальные микро-ЭВМ (микроконтроллеры) стали применяться в групповых и индивидуальных управляющих устройствах. В настоящее время в составе современного средства связи МПр или однокристальной микро-ЭВМ оборудован практически каждый функциональный блок (модуль). Большое распространение получают управляющие комплексы, в которых МПр в составе ГУУ и ЦУУ обладают сходными техническими характеристиками, хотя функционально выполняют различные задачи. В этом заключается очевидное преимущество программного управления, когда для реализации новой функции управления достаточно изменить загружаемую программу управления.
С точки зрения функций и организации связей между УУ в составе управляющего комплекса, различают централизованную, иерархическую, квази-распределенную и распределенную функциональную архитектуру управляющих комплексов средств связи.
Под архитектурой управляющего комплекса понимается совокупность принципов и подходов, структурных, функциональных, технических решений, определяющих концепцию взаимосвязи управляющих устройств. Архитектура включает компоненты функциональной, физической, программной организации УК.
В случае централизованной функциональной архитектуры УК существует четко выделенное ЦУУ, в состав которого входит основной управляющий процессор или группа процессоров, которые выполняют все функции управления средством связи, как показано на рисунке 2.
Здесь ЦУУ имеют прямые интерфейсы с коммутационным полем и функциональными блоками, вплоть до абонентского или линейного интерфейса/стыка. Как только от пользователя поступает запрос на установление соединения, сигнал об изменении состояния абонентской линии сразу передается в центральный процессор. Далее начинается процесс установления соединения или начинается процесс организации сеанса связи, где все этапы контролируются ЦУУ.
Рис.2 – Централизованная функциональная архитектура УК средства связи
ЦУУ выполняет анализ цифр набора номера, выбор исходящего тракта или направления связи, анализ абонентских данных на предмет разрешения или запрещения оказания тех или иных услуг связи. Данные по каждому этапу установления соединения, состоянию тракта и разъединению записываются в оперативную память ЦУУ. В процессе соединения ЦУУ обрабатывает сигналы внутри- или межстанционной сигнализации в соответствии с установленным стандартным протоколом, например ОКС№7, R1.5, SIGTRAN.
Установка приоритетов вызовов и соединений означает, что ЦУУ контролирует наличие приоритетов той или иной группы пользователей на основе абонентских данных. Заявки от пользователей с высшим приоритетом обслуживаются ЦУУ в первую очередь.
Управление маршрутами передачи трафика означает возможность выбора ЦУУ прямого или транзитного (альтернативного) маршрута переноса сигнала или трафика по сети связи.
Администрирование и техобслуживание предусматривает, что ЦУУ осуществляет контроль и управление станционными данными, хранение и обработку информации о правах и паролях персонала эксплуатации, выполняет функции техобслуживания. В частности, в процессе устранения последствий отказов, осуществляется ввод оборудования в рабочий режим, вывод оборудования из рабочего режима, конфигурация оборудования.
Диагностика, мониторинг и восстановление системы предусматривают, что ЦУУ постоянно проводит тестирование аппаратного и программного комплекса средства связи. В случае обнаружения сбоя или отказа ЦУУ последовательно запускает процедуры тестирования и устранения неисправностей. В наиболее критичных случаях, например при длительном отсутствии электропитания, производится автоматический останов с последующим перезапуском программного обеспечения управления. Также автоматически создается резервная копия баз данных и программ управления на внешних запоминающих устройствах ЦУУ.
Управление сетевыми элементами предусматривает, что данное средство связи, и соответственно ЦУУ, может выполнять функции узла управления и контроля по отношению к другим средствам связи. Здесь возможны процедуры удаленного запуска, перегрузки и блокировки аппаратных и программных компонент управляемых средств связи.
Достоинством централизованной архитектуры управления является простота реализации управляющего комплекса. Недостатком является невозможность масштабирования и, следовательно, ограничения «сверху» по обслуживанию поступающей нагрузки примерно до 6…8 тысяч абонентских номеров или портов. Другой проблемой централизованной схемы управления является надежность и живучесть. Для обеспечения надежности и живучести централизованной архитектуры управления нередко приходится дублировать ЦУУ на 100%, т.е. создавать второй управляющий комплекс, который работает параллельно основному, что увеличивает стоимость системы. Указанные недостатки частично преодолеваются в более сложной системе с распределенным управлением.
При иерархической функциональной архитектуре управления ЦУУ предоставляет возможность реализации некоторых функций управления групповым управляющим устройствам, как показано на рисунке.
Рис.3 – Иерархическая функциональная архитектура УК средства связи
Каждое ГУУ достаточно «интеллектуально», и в состоянии самостоятельно выполнять функции, переданные ему ЦУУ. В итоге ЦУУ не нагружается рутинными, стандартными задачами, что в целом обеспечивает увеличение числа обслуживаемых вызовов в единицу времени с помощью распределения нагрузки по ГУУ. В результате абонентская емкость средств связи увеличивается до 10 тысяч и более номеров или портов. Также существенно улучшаются возможности по наращиванию мощности управляющего комплекса при увеличении поступающего трафика за счет масштабируемости технического решения. При появлении новых абонентов увеличивается число ГУУ, причем блоки соединительных линий и блоки линий доступа находятся под непосредственным управлением ГУУ, выполняют все функции обслуживания вызовов организации сеансов связи. Линейные и абонентские интерфейсы находятся под контролем ИУУ. В иерархической архитектуре ЦУУ постоянно диагностирует и контролирует техническое состояние ГУУ, выводит из эксплуатации отказавшие ГУУ, в случае необходимости осуществляет перезапуск ГУУ.
Иерархическая архитектура обладает ещё одним достоинством – при выходе из строя какого-либо из ГУУ производится автоматическое перераспределение выполняемых заданий и система управления в целом продолжает функционирование.недостатком средства связи с иерархической архитектурой явялется необходимость координации работы многих ГУУ, например при работе с общими станционными данными, с абонентскими данными, которые хранятся в ЦУУ. Выход из строя ЦУУ может привести к останову средства связи в целом.
В квази-распределенной функциональной архитектуре управления на рис.4, ЦУУ по прежнему контролирует ГУУ, а ГУУ в свою очередь осуществляют практически все функции управления средством связи. В квази-распределенной архитектуре ГУУ могут быть назначены для управления отдельными группами блоков соединительных линий, блоков линий доступа. Иными словами, ГУУ могут быть сходными по функциональности, но отличаться друг от друга номерами обслуживаемых периферийных блоков. ГУУ поддерживают большую часть данных, необходимых для функционирования управляемой группы блоков, например сведения об абонентах.
В квази-распределенной функциональной архитектуре ГУУ отвечает за обработку цифр набора номера, определение маршрутов соединений, поддержание и обработку общестанционных данных, включая сведения обо всех абонентах, диагностику. За мониторинг и восстановление всей системы в целом и управление сетевыми элементами по-прежнему отвечает ЦУУ. Существует вариант, при котором одно из определенных заранее ГУУ, передавая сигналы управления по сквозной внутренней шине управления или через цифровое коммутационное поле, может управлять и перезагружать другие ГУУ.
Рис. 5 – Квази-распределенная функциональная архитектура УК средства связи
В результате абонентская емкость средства связи увеличивается до 300 тысяч номеров.
Квази-распределенная функциональная архитектура, отличается повышенной надежностью и живучестью. Имеется достаточно высокая степень масштабируемости. Сложность с координацией и управлением ГУУ решается за счет ЦУУ. Недостатком является наличие в архитектуре ЦУУ, отказ которого приводит к частичному или полному отказу всего средства связи в целом. Даже если функции ЦУУ при этом будет исполнять одно из ГУУ, его вычислительной мощности все равно не хватит на поноценную замену ЦУУ. С другой стороны, делать одно из ГУУ равноценным ЦУУ означает увеличение стоимости системы. Тем не менее, квази-распределенную функциональную архитектуру можносчитать компромиссом между сложностью исполнения, стоимостью решения и надежностью.
Наконец, рассмотрим предельный случай – распределенную функциональную архитектуру системы управления средством связи на рис.6.
Рис.6 – Распределенная (полностью децентрализованная) функциональная архитектура УК средства связи.
В этой функциональной архитектуре полностью отсутствует ЦУУ. Все базовые функции средства связи выполняются независимыми ГУУ. При этом может сохраняться «закрепление» ГУУ за функциональными блоками.
Групповые управляющие устройства в рассматриваемой схеме являются практически автономными и поддерживают все функции, необходимые для штатного функционирования средства связи. При обслуживании вызовов и установлении сеансов связи ГУУ обмениваются друг с другом программными командами управления через цифровое коммутационное поле. Абонентская емкость средства связи составляет до 500 тысяч номеров. Данная архитектура, как и все распределенные архитектуры, отличается высокой надежностью и живучестью. Также архитектура отличается высокой степенью масштабируемости. Недостатком является достаточно высокая сложность координации действий равноправных ГУУ.
В заключении следует отметить, что в настоящее время емкость средств связи определяется количеством эквивалентных портов. Порт эквивалентный – условная единица, соответствующая физическому порту с нормализованной скоростью передачи (200 бит/с, 64 кбит/с, 1 Мбит/с). Порт физический – аппаратное средство для реализации интерфейса, в том числе с внешней средой, на физическом уровне. Физический порт также реализует интерфейс со средой распространение сигнала электросвязи.