Введение
Система X — это цифровая система коммутации, установленная почти на всех телефонных станциях по всему Соединенному Королевству, начиная с 1980 года.
Разработка
Система X была разработана почтовым отделением (впоследствии ставшем British Telecom), GEC, Plessey и Standard Telephones and Cables (STC) и впервые представлена публике в 1979 году на выставке Telecom 79 в Женеве, Швейцария. STC вышла из проекта в 1982 году. В 1988 году телекоммуникационные подразделения GEC и Plessey объединились в GPT, после чего Plessey была выкуплена компаниями GEC и Siemens. В конце 1990-х годов GEC приобрела 40-процентную долю Siemens в GPT. В 1999 году GEC сменила название на Marconi. Когда Marconi была продана Ericsson в январе 2006 года, компания Telent plc сохранила System X и продолжает поддерживать и развивать её как часть своего бизнеса по предоставлению услуг в Великобритании.
Реализация
Первый блок системы X, поступивший в общественное пользование в сентябре 1980 года, был установлен в здании Baynard House в Лондоне и являлся «тандемным узлом», который коммутировал телефонные вызовы между примерно 40 местными станциями. Первая местная цифровая станция начала работу в 1981 году в Вудбридже, графство Саффолк (недалеко от научно-исследовательского центра BT в Мартлшем-Хит). Последняя электромеханическая магистральная станция BT (в городе Тёрсо, Шотландия) была выведена из эксплуатации в июле 1990 года, завершив переход магистральной сети Великобритании на полностью цифровую работу и став первой национальной телефонной системой, достигшей этого. Последние электромеханические местные станции – Кроуфорд, Кроуфорджон и Элванфут, все в Шотландии – были переведены на цифровую связь 23 июня 1995 года, а последние электронные аналоговые станции – Селби (Йоркшир) и Ли-он-Си (Эссекс) – переведены на цифровую связь 11 марта 1998 года. Помимо Великобритании, система X была установлена на Нормандских островах, а также несколько систем были установлены в других странах, однако значительных экспортных продаж достигнуто не было.
Малые биржи: UXD5
Отдельно от System X, BT разработала UXD5 ("unit exchange digital") – небольшой цифровой коммутатор, экономически эффективный для небольших и удаленных населенных пунктов. Разработанный компанией BT в Мартлшем-Хит и основанный на PABX Monarch, первый экземпляр был введен в эксплуатацию в Гленкинди, Шотландия, в 1979 году, за год до внедрения первой System X. Несколько сотен таких коммутаторов были изготовлены компанией Plessey и установлены в сельской местности, преимущественно в Шотландии и Уэльсе. UXD5 был включен в пакет предложений при продвижении System X на зарубежные рынки.
Единицы системы X
Система X охватывает три основных типа телефонного коммутационного оборудования. Концентраторы обычно размещаются в местных телефонных центрах, но могут быть установлены удаленно в малонаселенных районах. DLE и DMSU функционируют в крупных городах и обеспечивают маршрутизацию вызовов. В архитектуре сети BT узлы обозначались как DLE / DMSU / DJSU и т.д., но другие операторы настраивали свои узлы по-разному, в зависимости от архитектуры их сети. Надежность является ключевым аспектом проектирования, поэтому общий архитектурный принцип аппаратного обеспечения System X заключается в дублировании всей основной функциональности на двух "сторонах" (сторона 0 и сторона 1). Каждая сторона функционального ресурса может выступать в качестве "активной", а другая – в качестве "резервной". Ресурсы непрерывно осуществляют самоконтроль, и при обнаружении неисправности соответствующий ресурс помечает себя как "неисправный", после чего другая сторона мгновенно берет на себя нагрузку. Такая отказоустойчивая конфигурация позволяет производить замену аппаратного обеспечения для устранения неисправностей или выполнения обновлений без прерывания обслуживания. Некоторые критически важные компоненты, такие как коммутационные матрицы и генераторы сигналов, утроены и работают по принципу "любые 2 из 3". Процессоры в вычислительном кластере R2PU учетверены для сохранения 75% производительности при выходе одного из строя, вместо 50%, если бы они были просто дублированы. Линейные платы, обеспечивающие порты абонентских линий или оконечные устройства E1 со скоростью 2 Мбит/с на коммутаторе, не имеют резервирования "второй стороной", однако абонент может иметь несколько линий или соединение может использовать несколько линий E1 для обеспечения отказоустойчивости.
Концентратор
Концентраторная установка имеет четыре основные подсистемы: линейные модули, цифровой коммутатор концентратора, цифровые устройства завершения линии (DLT) и блок управления. Ее назначение – преобразование речи из аналоговых сигналов в цифровой формат и концентрация трафика для последующей передачи в цифровую локальную станцию (DLE). Она также принимает набранную информацию от абонента и передает ее процессорам станции для маршрутизации вызова к месту назначения. В нормальных условиях она не коммутирует сигналы между абонентскими линиями, но обладает ограниченной возможностью делать это в случае потери соединения с главным коммутатором. Каждый модуль аналоговой линии преобразует аналоговые сигналы от максимум 64 абонентских линий в сети доступа в цифровые двоичные сигналы со скоростью 64 килобит/с, используемые в магистральной сети. Это достигается путем дискретизации входящего сигнала с частотой 8 кГц и кодирования каждой выборки в 8-битное слово с использованием методов импульсно-кодовой модуляции (PCM). Линейный модуль также выделяет любую сигнальную информацию с абонентской линии, например, набранные цифры, и передает ее в блок управления. До 32 линейных модулей подключаются к цифровому коммутатору концентратора по каналам 2 Мбит/с, обеспечивая каждому концентратору пропускную способность до 2048 абонентских линий. Цифровой коммутатор концентратора мультиплексирует сигналы от линейных модулей с использованием временного мультиплексирования и концентрирует сигналы в до 480 временных слотов на линиях E1 для передачи на станционный коммутатор через цифровые устройства завершения линии. Два других временных слота на каждом канале используются для синхронизации и сигнализации – временные слоты 0 и 16 соответственно. В зависимости от используемого оборудования, концентраторы поддерживают следующие типы линий: аналоговые линии (одиночные или групповые), ISDN2 (базовая скорость ISDN) и ISDN30 (первичная скорость ISDN). ISDN может работать как с протоколами DASS2, специфичными для Великобритании, так и с протоколами ETSI (европейскими). При соблюдении определенных ограничений концентратор может поддерживать любую комбинацию типов линий, что позволяет операторам балансировать между корпоративными пользователями ISDN и бытовыми абонентами, обеспечивая более качественное обслуживание для обеих категорий и повышая эффективность работы оператора. Концентраторные установки могут работать автономно в качестве удаленных концентраторов или быть размещены совместно с ядром станции (коммутатором и процессорами).
Цифровой обмен
В цифровой локальной бирже (DLE) размещается несколько концентраторов и осуществляется маршрутизация вызовов в различные DLE или DMSU в зависимости от номера вызываемого абонента. Основным элементом DLE является подсистема цифрового переключения (DSS), состоящая из временных переключателей и пространственного переключателя. Входящий трафик с 30-канальных линий PCM от концентраторных блоков подключается к временным переключателям. Их задача – принимать любой входящий временной слот и подключать его к исходящему, выполняя тем самым функции коммутации и маршрутизации. Для обеспечения доступа к широкому спектру исходящих маршрутов отдельные временные переключатели соединяются друг с другом посредством пространственного переключателя. Информация о соединениях между временными слотами хранится в картах коммутации, которые обновляются программным обеспечением, работающим в подсистеме процессорных утилит (PUS). Архитектура, основанная на временных и пространственных переключателях, обеспечивает высокую надежность системы: отказ одного или нескольких временных или пространственных переключателей вряд ли повлияет на ее работу. Переключатель является "неблокирующим".
Цифровая главная коммутационная установка
Цифровой основной коммутатор (DMSU) обрабатывает вызовы, маршрутизированные DLE или другим DMSU, и является «транзитным коммутатором», то есть не содержит концентраторов. Как и DLE, DMSU состоит из подсистемы цифровой коммутации и подсистемы процессорного обеспечения, среди прочего. В британской сети PSTN каждый DMSU соединен со всеми другими DMSU в стране, обеспечивая практически неуязвимую к перегрузкам связь для вызовов в сети. В центральном Лондоне специализированные версии DMSU, известные как DJSU, обслуживают только внутригородской трафик. Сеть DMSU в Лондоне постепенно выводилась из эксплуатации и переводилась на более современные коммутаторы "NGS" по мере снижения спроса на телефонные линии PSTN и стремления BT освободить часть занимаемых площадей. Упомянутый коммутатор NGS представляет собой версию линейки продуктов AXE10 компании Ericsson, внедрявшуюся поэтапно с конца 1990-х до начала 2000-х годов. В крупных городах Великобритании часто можно встретить несколько станций (коммутаторов) в одном здании станции: DLE для непосредственных абонентов и DMSU для обеспечения связи с остальной частью Великобритании.
Комбинированный магистраль и местный обмен
Комбинированная магистральная и локальная станция (CTLE) – это станция, выполняющая функции как DLE, так и DMSU: она имеет собственных абонентов, подключенных напрямую, и одновременно служит транзитным коммутатором. Такие станции могут использоваться небольшими сетевыми операторами, располагающими небольшим количеством станций.
Подсистема "Процессорная служба"
Подсистема процессора (PUS) управляет операциями коммутации и является «мозгом» DLE или DMSU. Она размещает программное обеспечение для обработки вызовов, биллинга, коммутации и обслуживания (наряду с другими программными подсистемами). PUS разделена на до восьми «кластеров» в зависимости от объема телефонного трафика, обрабатываемого коммутатором. Каждый из первых четырех кластеров процессоров содержит четыре центральных процессора (CPU), основные хранилища памяти (STR) и два типа резервных хранилищ (первичная (RAM) и вторичная (жесткий диск)) память. PUS была разработана с использованием версии языка программирования CORAL66, известной как PO CORAL (Post Office CORAL), позднее как BTCORAL. Первоначальный процессор, введенный в эксплуатацию в Baynard House, Лондон, был известен как процессор MK2 BL. В 1980 году он был заменен на POPUS1 (Post Office Processor Utility Subsystem). Процессоры POPUS1 позднее были установлены в Lancaster House в Ливерпуле, а также в Кембридже. Позже они также были заменены на гораздо более компактную систему, известную как R2PU или Release 2 Processor Utility. Это была система с четырьмя CPU на кластер и до 8 кластеров, как описано выше. Со временем, по мере развития системы, были добавлены дополнительные кластеры "CCP / Performance 3" (кластеры 5, 6, 7 и 8) с использованием более современного оборудования, близкого к компьютерным технологиям конца 1990-х годов, в то время как оригинальные процессорные кластеры 0–3 были модернизированы, например, увеличением объема хранилища (больше оперативной памяти). Продвинутые функции этой отказоустойчивой системы помогают объяснить, почему они все еще используются сегодня – такие как самодиагностика и восстановление ошибок, оперативная память с резервным питанием, зеркальное хранение на диске, автоматическая замена неисправного блока памяти и возможность тестирования нового программного обеспечения (и отката, при необходимости) к предыдущей версии. Позднее жесткие диски в кластерах CCP были заменены твердотельными накопителями для повышения надежности. В настоящее время все коммутаторы System X имеют максимум 12 процессорных кластеров; 0–3 – это четыре CPU-кластера System X, а остальные восемь позиций могут быть заполнены кластерами CCP, которые обрабатывают весь трафик. Хотя стандартная конфигурация для крупного коммутатора System X – четыре основных и четыре CCP-кластера, существуют один или два коммутатора с четырьмя основными и шестью CCP-кластерами. CCP-кластеры ограничены только обработкой вызовов; существовала возможность переписать программное обеспечение коммутатора для поддержки CCP-кластеров, но от этой идеи отказались из-за высокой стоимости замены уже хорошо работающей системы. В случае отказа CCP-кластера System X автоматически перераспределит его долю обработки вызовов на другой CCP-кластер. Если CCP-кластеры недоступны, основные кластеры коммутатора начнут выполнять работу по обработке вызовов в дополнение к своим обычным функциям. По своей структуре процессор System X имеет конфигурацию «один главный, много подчиненных» – кластер 0 называется базовым кластером, и все остальные кластеры фактически зависят от него. Потеря подчиненного кластера приведет к потере обработки вызовов для всех маршрутов или концентраторов, зависящих от него; однако потеря базового кластера приведет к полной остановке работы коммутатора. Это очень редкое явление, поскольку System X спроектирована таким образом, чтобы изолировать проблемное оборудование и генерировать отчет об ошибке. Во время нормальной работы наиболее вероятным сбоем будет перезапуск базового кластера, при котором все функции коммутатора будут недоступны в течение 2–5 минут, пока базовый кластер и его подчиненные не вернутся в онлайн, после чего коммутатор продолжит работу с изолированным дефектным оборудованием. Коммутатор может и будет перезапускать («откатывать») отдельные процессы при обнаружении проблем. Если это не поможет, можно перезапустить кластер. Если базовый кластер или коммутатор не подлежат восстановлению путем перезапуска, последняя архивная конфигурация может быть вручную перезагружена с использованием процедуры восстановления. Это может занять несколько часов, чтобы полностью вернуть все в рабочее состояние, поскольку коммутатору необходимо перезагрузить все свои полупостоянные пути, а концентраторам – загрузить свои конфигурации. После 2020 года программное обеспечение коммутатора модифицируется для значительного сокращения времени восстановления. Во время нормальной работы загрузка процессорных кластеров коммутатора обычно составляет от 5 до 15%, за исключением базового кластера, который обычно загружен от 15 до 25%, с пиками до 45%. Это связано с тем, что базовый кластер обрабатывает гораздо больше операций и процессов, чем любой другой кластер в коммутаторе.
Издания Системы X
Система X прошла через два основных издания, Mark 1 и Mark 2, относящиеся к используемой матрице переключения. Первым был внедрен цифровой абонентский коммутатор (DSS) Mark 1. Это коммутатор по принципу «время-пространство-время» с теоретической максимальной матрицей 96x96 временных переключателей. На практике максимальный размер коммутатора составляет матрицу 64x64 временных переключателей. Каждый временной переключатель дублирован в две плоскости безопасности, 0 и 1. Это обеспечивает проверку ошибок между плоскостями и множественные варианты маршрутизации в случае обнаружения неисправностей. Каждый временной переключатель на одной плоскости может быть выведен из строя, и полная функциональность коммутатора может быть сохранена, однако, если один временной переключатель на плоскости 0 неисправен, а другой на плоскости 1 неисправен, то связь между ними теряется. Аналогично, если временной переключатель имеет неисправности на обеих плоскостях 0 и 1, то временной переключатель изолируется. Каждая плоскость временного переключателя занимает одну полку в группе из трех полок – нижняя полка соответствует плоскости 0, верхняя – плоскости 1, а средняя полка занята до 32 DLT (Digital Line Terminations). DLT – это 2048 кбит/с 32-канальный PCM-канал ввода-вывода на бирже. Пространственный переключатель является более сложной структурой, но ему присваивается имя от AA до CC (или BB в общем использовании), плоскость 0 или 1 и, в зависимости от его компоновки, четный или нечетный сегмент, обозначенный другим 0 и 1. Имя пространственного переключателя в программном обеспечении может выглядеть следующим образом: SSW H'BA 0 1. Пространственный переключатель обеспечивает логическое кросс-соединение трафика через коммутатор, а временные переключатели зависят от него. При работе с пространственным переключателем необходимо убедиться в исправности остальной части коммутатора, поскольку из-за его компоновки отключение четного или нечетного сегмента пространственного переключателя приведет к «выключению» всех его зависимых временных переключателей для данной плоскости. DSS Mark 1 управляется утроенным набором блоков управления соединениями (CCU), работающих по принципу 2/3 большинства для проверки ошибок, и постоянно контролируется дублированным блоком мониторинга аварийных сигналов (AMU), который сообщает об ошибках в процесс обработки DSS для принятия соответствующих мер. CCU и AMU также участвуют в диагностическом тестировании Mark 1 DSS. Система Mark 1 System X строится блоками, каждый из которых состоит из 8 стоек, и может быть 15 или более блоков. Соображения по поводу занимаемого пространства, энергопотребления и требований к охлаждению привели к разработке Mark 2. Mark 2 DSS ("DSS2") является более поздней версией, которая продолжает использовать ту же процессорную систему, что и Mark 1, но внесла серьезные и необходимые изменения как в физический размер коммутатора, так и в принцип его работы. Это коммутатор по принципу «время-пространство-время-пространство-время» на основе оптоволокна, соединяющий до 2048 PCM-систем со скоростью 2 Мбит/с, как и Mark 1; однако аппаратное обеспечение гораздо более компактное. Четырехстоечная группа CCU и AMU Mk1 исчезла и была аккуратно заменена единой стойкой управления соединениями, состоящей из внешних модулей переключения (OSM), центральных модулей переключения (CSM) и соответствующего оборудования интерфейса переключателя/процессора. Полки временных переключателей заменены полками Digital Line Terminator Group (DLTG), каждая из которых содержит два DLTG, состоящие из 16 плат Double Digital Line Termination (DDLT) и двух мультиплексоров линейной связи (LCM), по одному для каждой плоскости безопасности. LCM соединены оптоволокном через 40-мегабитную линию связи с OSM. В полностью оборудованном блоке Mk2 DSS имеется в общей сложности 64 DLTG, что аналогично 64 временным переключателям блока Mk1 DSS. Блок Mk2 DSS значительно меньше Mk1, и, следовательно, потребляет меньше энергии и выделяет меньше тепла. Также возможен прямой интерфейс с передачей SDH по оптоволокну со скоростью 40 Мбит/с, что снижает объем использования DDF и SDH-трибутарий на 2 Мбит/с. Теоретически, транзитный коммутатор (DMSU) может взаимодействовать с SDH по оптоволокну без использования DDF вообще. Кроме того, благодаря полностью переработанной конструкции и компоновке коммутатора, коммутатор Mk2 оказывается несколько быстрее, чем Mk1 (хотя фактическая разница на практике незначительна). Он также гораздо более надежен, поскольку в каждом из его разделов гораздо меньше дискретных компонентов, что означает, что вероятность возникновения проблем значительно ниже, и когда что-то все же выходит из строя, обычно требуется заменить плату, связанную с программным обеспечением, которое неисправно, а не проводить диагностику для определения возможных мест возникновения неисправности, как это происходит в случае с DSS Mk1. В начале 2020-х годов BT начала рационализацию своей инфраструктуры SystemX для экономии энергии, затрат, занимаемой площади и повышения надежности – устаревшие коммутаторы Mk1 становились головной болью для обслуживания. Снижение объемов трафика и количества абонентов означает, что инфраструктура System X имеет значительные возможности для уменьшения размеров. Этот процесс рационализации включает в себя перепрофилирование DMSU/DJSUs, оснащенных коммутаторами Mk2, в CTLE, переподключение к ним концентраторов с других бирж и отключение этих бирж. В результате получаются «супер CTLE» с большим (60+) количеством подключенных к ним концентраторов. Большое количество концентраторов приводит к длительному времени восстановления в случае серьезной неисправности на бирже, поэтому Telent переписала программное обеспечение биржи для улучшения времени восстановления. Ожидается, что эта крупная ревизия программного обеспечения продлится до тех пор, пока операторы сети не выведут из эксплуатации свою инфраструктуру SystemX, хотя планы по выводу из эксплуатации неизменно затягиваются из-за неспособности IP-сетей обрабатывать устаревшие сервисы, особенно машинные коммуникации.
Подсистема передачи сообщений
Процессоры System X обмениваются данными со своими концентраторами и другими станциями посредством подсистемы передачи сообщений (MTS). Соединения MTS устанавливаются между узлами путем повторного использования отдельных цифровых речевых каналов 64 кбит/с внутри коммутатора для создания постоянных путей маршрутизации сигнальных сообщений. Обмен сообщениями с концентраторами и от них осуществляется с использованием проприетарных протоколов, а обмен сообщениями между станциями – с использованием протоколов C7 / SS7. Поддерживаются протоколы, специфичные для Великобритании, и варианты протоколов ETSI. Также была возможность использования сигнализации, связанной с каналом, но поскольку станции Великобритании и Европы перешли на цифровую связь примерно в одно и то же время, она практически не использовалась.
Заменная система
Многие из систем System X, установленные в 1980-х годах, продолжают эксплуатироваться и в 2020-х годах. Система System X планировалась к замене оборудованием Next Generation softswitch в рамках программы BT 21st Century Network (21CN). Некоторые другие пользователи System X – в частности, Jersey Telecom и Kingston Communications – заменили свое оборудование System X с канальной коммутацией на softswitch Marconi XCD5000 (предназначенный в качестве замены System X для сетей нового поколения – NGN) и многосервисные узлы доступа Access Hub. Однако исключение Marconi из списка поставщиков 21CN компании BT и перенос акцента с телефонии на широкополосный доступ привели к тому, что большая часть оборудования System X была сохранена в эксплуатации.