Коммутация в электросвязи и электротехнике¶

Коммутация — процесс соединения, разъединения или переключения электрических цепей, каналов связи либо логических путей передачи данных, обеспечивающий установление, поддержание и завершение соединения между абонентами или устройствами. Термин применяется в электротехнике, телекоммуникациях и вычислительной технике; в широком смысле обозначает совокупность операций и технических средств, с помощью которых сигнал или поток данных направляется от источника к получателю по выбранному маршруту.

¶Этимология и общее значение

Слово происходит от латинского commutatio — «изменение, перемена». В русский язык понятие вошло через техническую литературу XIX века, первоначально обозначая переключение в электрических машинах и цепях. Со временем значение расширилось: сегодня коммутацией называют и механическое замыкание контактов, и программно-аппаратное управление потоками пакетов в сетях.

¶Коммутация в электротехнике

В электротехнике коммутация — это изменение состояния электрической цепи: замыкание, размыкание или переключение с одной ветви на другую. Выполняется коммутационными аппаратами:

• Рубильники и выключатели — механические устройства для ручного размыкания цепей.
• Контакторы и реле — аппараты дистанционного управления, срабатывающие под действием тока в управляющей обмотке.
• Автоматические выключатели — защитные устройства, разрывающие цепь при перегрузке или коротком замыкании.

Особый раздел — коммутация в электрических машинах, где под ней понимают процесс переключения секций обмотки якоря коллектором. При этом в короткозамкнутой секции возникает добавочный ток, вызывающий искрение на коллекторе. Для уменьшения искрения применяют добавочные полюса и компенсационные обмотки.

¶Коммутация каналов в связи

Классическая телефонная сеть построена на принципе коммутации каналов: на время разговора между абонентами создаётся непрерывный физический или логический канал, закреплённый исключительно за этой парой. Этапы установления соединения:

1. Запрос на соединение (набор номера).
2. Проключение пути через узлы коммутации.
3. Разговор с занятием канала на всё время сеанса.
4. Разъединение и освобождение ресурсов.

Достоинства метода — постоянная скорость передачи и малая задержка; недостаток — неэффективное использование канала при паузах, поскольку ресурс занят даже при молчании абонента. Коммутация каналов реализуется на координатных и электронных АТС, а также в сетях ISDN.

¶Коммутация пакетов

В компьютерных сетях доминирует коммутация пакетов: сообщение разбивается на небольшие блоки — пакеты, каждый из которых передаётся независимо и может идти по своему маршруту. Различают два режима:

• Дейтаграммный — каждый пакет маршрутизируется самостоятельно, порядок прибытия не гарантируется (пример — IP-сети).
• Виртуальный канал — предварительно устанавливается логическое соединение, и все пакеты потока идут по одному маршруту (пример — технологии Frame Relay, ATM).

Коммутация пакетов экономичнее канальной: канал используется коллективно, а ресурсы расходуются по мере передачи данных. Именно на этом принципе построены интернет, локальные сети и большинство современных телекоммуникационных систем.

¶Коммутационные устройства

Устройства, выполняющие коммутацию, называют коммутаторами. В зависимости от области применения выделяют:

Сетевой коммутатор работает на канальном уровне, направляя кадр только в тот порт, где находится получатель, что снижает нагрузку по сравнению с концентратором, транслирующим трафик во все порты.

¶История развития

Первые телефонные станции с ручной коммутацией появились в конце XIX века: телефонистки вручную соединяли гнёзда шнурами. В 1891 году Алмон Строуджер запатентовал автоматическую телефонную станцию (АТС) с шаговым искателем, что положило начало автоматической коммутации. В XX веке появились координатные АТС, затем электронные и цифровые. С 1960–1970-х годов развивается коммутация пакетов: работы Пола Бэрана и Дональда Дэвиса легли в основу сети ARPANET, предшественницы интернета. В России цифровизация телефонных сетей активно шла в 1990–2000-е годы, а пакетная коммутация стала основой для IP-телефонии и магистральных каналов.

¶Значение и современное состояние

Коммутация — базовая технология любых сетей и систем управления. От её эффективности зависят пропускная способность, задержка и надёжность связи. Современные тенденции — программно-конфигурируемые сети (SDN), где функции коммутации и управления разделены, и виртуализация сетевых функций. В электротехнике развитие связано с применением вакуумных и элегазовых выключателей, полупроводниковых коммутационных аппаратов, что повышает быстродействие и снижает износ контактов.

Источники: технические справочники по электротехнике и электросвязи, учебные пособия по сетям передачи данных, материалы по истории телефонной связи.