Зачем ОКС-7: общеканальная сигнализация против CAS

Вы уже знаете, как станции договариваются о вызове по CAS: четыре бита abcd в TS16 или тоны R2. Это работает, но у такой сигнализации есть пределы (урок 48 курса pstn). Этот урок открывает курс ss7 и отвечает на вопрос «что придумали вместо неё». Идея проста: один общий канал сообщений на много разговорных каналов. Её называют общеканальной сигнализацией, а конкретную систему — ОКС-7 (по-английски Signalling System No. 7; те же названия: SS7 = CCS7 = No.7 = N7). Разберём, что она даёт, чем отличается от канала D в ISDN и сколько разговорных каналов экономит.

Цель и что нужно знать

После урока вы сможете:

• назвать четыре предела CAS и сказать, что даёт против каждого общий канал сигнализации;
• объяснить идею ОКС-7: одно звено сигнализации на много разговорных каналов, сообщения с полями вместо сигналов, отдельная сеть сигнализации со своими узлами;
• отличить канал D в ISDN (общий канал на абонентском участке) от ОКС-7 (общий канал между станциями);
• назвать четыре выгоды ОКС-7: быстрее установление, больше сведений, запросы к базам данных, сигнализация без занятия разговорного канала;
• посчитать число разговорных каналов у N потоков E1: 30 × N при CAS и 31 × N − 1 с одним звеном сигнализации;
• сказать, что можно передать сообщением ОКС-7, а чего нельзя передать четырьмя битами abcd.

Что нужно знать заранее: из курса telbasics — TS16, CAS и CCS (урок 33); из курса pstn — виды сигнализации, CAS, биты abcd, R2 MFC и пределы CAS (уроки 42–48, особенно 43, 44, 45 и 48); из курса isdn — канал D (урок 2) и уровни протоколов ISDN (урок 5). Из курса ss7 — ничего: это урок 1.

Задача из жизни

Айтен — инженер оператора. Ей нужно проложить направление Баку — Гянджа на 490 разговорных каналов. По CAS на каждый поток E1 приходится 30 каналов: 490 / 30 = 16.3, значит, нужно 17 потоков. Руководство добавляет три пожелания. Первое: чтобы принимающая станция видела не только «канал занят», но и номер звонящего, его категорию и причину отбоя. Второе: чтобы станция перед соединением могла спросить базу данных, не перенесён ли номер (урок 27 курса pstn). Третье: чтобы направление, если получится, уложилось в 16 потоков. Все три пожелания упираются в одно — как устроена сигнализация между станциями.

Второй пример — такси. У каждой машины на крыше своя лампа: «свободна» или «занята». Диспетчер знает только это, и только если смотрит именно на эту машину. Теперь у парка одна радиосвязь на всех. Каждая фраза начинается с номера машины и может быть какой угодно подробной: «машина 12, такой-то адрес, заказ отменён». Диспетчер проверяет адрес по базе до того, как отправит машину, а радио работает, даже когда машина стоит пустой. Лампа на крыше — это CAS. Радио на весь парк — общеканальная сигнализация. К концу урока вы сопоставите эту картинку с потоком E1.

Что мы уже знаем: CAS и его пределы

В уроке 33 курса telbasics вы видели два способа использовать TS16. При CAS у каждого из 30 каналов своя доля TS16 — четыре бита abcd, 2 кбит/с на канал, а канал узнают по месту, где лежит сигнал. При CCS весь TS16 — один общий канал, и каждое сообщение само называет канал, о котором речь. Урок 48 курса pstn назвал четыре предела CAS. Повторим их вместе с ответом общего канала.

Подробный разбор каждого предела — в уроке 48. Здесь важен общий вывод: CAS говорит о состоянии канала, а станциям нужно говорить о вызове.

Общеканальная сигнализация и ОКС-7

Общеканальная сигнализация (common-channel signalling, CCS) — способ, при котором один канал переносит помеченные сообщения о многих разговорных каналах, а при необходимости и другие сведения, например для управления сетью (так определяет её рекомендация Q.700). Аналогия — радио парка такси: одна связь, в каждой фразе названа машина.

ОКС-7 — конкретная система общеканальной сигнализации, описанная рекомендациями ITU-T серии Q.7xx; одно и то же имя пишут по-разному: ОКС-7 = SS7 = CCS7 = No.7 = N7. Её задачи по Q.700: универсальная общеканальная система для цифровых сетей и станций с программным управлением; она обслуживает телефонную связь, ISDN и передачу данных с коммутацией каналов, а также надёжно переносит и другие сведения между станциями и специализированными центрами. Надёжно — значит в правильном порядке, без потерь и без дублирования. Откуда взялись разные названия и какие бывают варианты стандарта, расскажет урок 2.

У ОКС-7 три главных составляющих. Разберём их по очереди.

1. Звено сигнализации (signalling link) — канал, по которому идут сообщения. В потоке E1 это один таймслот на 64 кбит/с. Стандартная скорость звена на цифровом тракте — 64 кбит/с; стандартное место в потоке E1 — TS16, а если он недоступен, годится любой таймслот, пригодный для канала 64 кбит/с (Q.702, п. 5.1). Таймслот отдают звену целиком: ничего, кроме сигнализации, в нём не ходит (Q.702, п. 1.6). Одно звено обслуживает сразу много разговорных каналов. На каждом звене есть обнаружение и исправление ошибок (Q.700, п. 1.2).
2. Сообщение — порция сведений с типом и полями. Вместо одной комбинации из небольшой таблицы (как в CAS) сообщение несёт несколько полей, и среди них — номер разговорного канала, к которому оно относится.
3. Сеть сигнализации (signalling network) — узлы, в которых работает ОКС-7, и звенья между ними (Q.700, п. 2.1). Это вторая сеть поверх сети разговорных каналов, со своими узлами.

Сообщение вместо сигнала

Сигнал CAS — это состояние: канал свободен, занят, ответил. Четыре бита abcd не вместят номер, категорию или причину, и никакого поля в них нет. Сообщение ОКС-7 устроено иначе: у него есть тип и набор полей. Для вызова в ISUP (это имя, оно впереди: урок 35) такие поля есть: номер вызываемого, номер вызывающего, категория вызывающего, причина отбоя. Они описаны в Q.763 (п. 3.9–3.12).

Разбор примера: два сообщения вместо двух сигналов

message 1 (set up the call)         message 2 (end the call)
  channel     12                      channel     12
  called      5550123                 cause       called party busy
  caller      5550100
  category    ordinary subscriber

Это условная запись для понимания идеи, а не формат стандарта. Построчно:

1. channel 12 — в каждом сообщении назван разговорный канал. В CAS номера нет, а канал определяет место, где лежит сигнал.
2. called 5550123 — номер вызываемого целиком. В CAS его передают по цифре в отдельных обменах.
3. caller 5550100 и category ordinary subscriber — сведения о звонящем. Для четырёх бит такого места нет. В R2 номер звонящего есть только в национальных вариантах (урок 47 курса pstn).
4. cause called party busy — причина отбоя. «Отбой» в CAS — это просто смена бита, без причины.

💡 Хорошая проверка «CAS это или общий канал»: можно ли в сигнале найти номер канала? Если нет — канал определяет место, это CAS. Если номер назван в самом сообщении, это общий канал.

Сеть сигнализации

В CAS сигнал канала едет по тому же кабелю, что и голос, и путь у них один. В ОКС-7 это не так. Звенья и узлы образуют отдельную сеть, и путь сообщения не обязан совпадать с путём голоса. Узлами бывают станции, транзитные узлы, которые только пересылают сообщения дальше (их называют STP: урок 3), узлы с базами данных и центры эксплуатации и обслуживания сети (Q.700, п. 2.2.1). Сообщение от станции A к станции B может пройти через такой транзитный узел, а голос идёт напрямую по своему пучку каналов. Какими бывают пути сообщений, расскажет урок 4.

Схему читают по номерам, как шаги вызова: ① станция A пишет сообщение о новом вызове на канале 12; ② оно идёт по звеньям сигнализации, в этой схеме через транзитный узел STP; ③ станция B отвечает сообщением; ④ голос идёт по каналу 12 напрямую между станциями. У каждого узла сети сигнализации есть свой уникальный адрес (Q.700, п. 2.2.1); как он устроен, расскажут уроки 10–12.

Канал D и ОКС-7: один приём в двух местах

В уроке 5 курса isdn канал D назван общим каналом сигнализации на абонентском участке: один канал на все каналы B линии. ОКС-7 — тот же приём между станциями. Идея одна, места разные.

Вызов между двумя ISDN-абонентами проходит три участка: канал D с одной стороны, ОКС-7 между станциями, канал D с другой. На каждом участке свои сообщения, и станция на границе переводит одно в другое (этому посвящён урок 54).

💡 «Канал D — это тоже ОКС-7?» Нет. Идея одинаковая (общий канал сообщений), но канал D работает на абонентской линии и несёт сообщения Q.931, а ОКС-7 работает между станциями.

Четыре выгоды ОКС-7

1. Быстрее установление. Цифры номера идут обычно одним сообщением, а не по одной в отдельных обменах (бывает и частями: урок 39). Секунды здесь не называются: время зависит от линии и узлов, а проверенной общей цифры у нас нет. Поэтому считаем обмены (пример ниже).
2. Больше сведений. В сообщение входят номер вызываемого, номер вызывающего, категория, причина отбоя — и всё, что добавят позже: новое поле не требует новой комбинации из таблицы.
3. Запросы к базам данных. Станция может спросить базу и получить ответ сообщением: например, куда перенесён номер (урок 27 курса pstn). Такие запросы используют бесплатные номера, перенос номера и мобильная связь — эти названия вам ещё встретятся. Q.700 (п. 1.1) называет в числе применений обращение к сетевым базам данных и мобильные сети.
4. Сигнализация без занятия разговорного канала. Сообщение не обязано относиться к вызову: Q.700 (п. 1.1) говорит, что ОКС-7 охватывает и сигнализацию, связанную с каналами, и не связанную с ними. Вопрос к базе или сообщение для управления сетью идут, не занимая ни одного голосового канала.

Пример для первой выгоды: число обменов при номере из 12 цифр.

number of 12 digits
CAS (R2 MFC):   13 handshakes one after another (12 digits + category)
common channel:  1 message with the whole number

Цена общего канала — в том, что он общий. Звено сигнализации одно на много разговорных каналов, и если оно откажет, сигнализация перестанет проходить для всех этих каналов сразу. Поэтому ОКС-7 обычно применяют с резервными звеньями и автоматическим переводом сообщений на обходные пути (Q.700, п. 1.2). Как это устроено, расскажут уроки 5–7 и 28.

Расчёт: сколько каналов дают N потоков E1

Поток E1 — 32 таймслота. TS0 служит для синхронизации (урок 32 курса telbasics), а остальные 31 могут нести каналы по 64 кбит/с. При CAS в каждом потоке TS16 занят сигнализацией, а голос получает 30 таймслотов. При ОКС-7 звену нужен один таймслот на всю группу потоков. Например, TS16 первого потока. В остальных потоках TS16 можно отдать голосу: G.704 (п. 5.1.2) допускает в ряде случаев использовать TS16 как канал 64 кбит/с, если сигнализация в нём не нужна.

E1 stream = 32 timeslots; TS0 is synchronization, 31 can carry 64 kbit/s

CAS:  every stream spends its TS16 on signalling
      voice channels = 30 x N

SS7:  one signalling link = one timeslot (for example TS16 of stream 1)
      voice channels = 31 x N - 1
      gain           = (31 x N - 1) - 30 x N = N - 1

Числа для небольших N (расчёт скриптом):

N   CAS (30 x N)   SS7 (31 x N - 1)   gain
1   30             30                 0
2   60             61                 1
4   120            123                3
8   240            247                7
16  480            495                15

При N = 1 выигрыша нет: единственный TS16 всё равно занят звеном.

Разбор примера: Айтен считает направление

need: 490 voice channels

CAS:  30 x N >= 490        N = 17   (17 x 30 = 510)
SS7:  31 x N - 1 >= 490    N = 16   (16 x 31 - 1 = 495)

check: CAS, N = 16: 480 < 490;  SS7, N = 15: 15 x 31 - 1 = 464 < 490
saved: 1 E1 stream

Построчно:

1. Для CAS каналов должно быть не меньше 490: 490 / 30 = 16.3, округляем вверх до 17 потоков (510 каналов).
2. Для ОКС-7 31 × N − 1 ≥ 490, то есть N ≥ 491 / 31 ≈ 15.84 — тоже округляем вверх: 16 потоков дают 16 × 31 − 1 = 495.
3. Проверка границ: 16 потоков по CAS дают всего 480 каналов, а 15 потоков по ОКС-7 — 464. Меньше не получится.
4. Итог: направление уложилось в 16 потоков вместо 17. Выигрыш — целый поток E1.

⚠️ Выигрыш в каналах невелик (N − 1) и не гарантирован: для 480 или 600 каналов число потоков в обоих случаях одинаковое. Главная причина перехода на ОКС-7 — четыре выгоды выше. И считали мы идеально: одно звено на всю группу. На практике звенья обычно резервируют (Q.700, п. 1.2), а каждое дополнительное звено занимает ещё один таймслот: при двух звеньях в разных потоках каналов будет 31 × N − 2.

Что может сломаться и как это найти

⚠️ Частая ошибка новичка — считать, что чистый поток E1 с голосом означает исправную сигнализацию. В ОКС-7 голос и сигнализация живут отдельно: поток может быть в порядке, а звено — не работать. Состояние звена смотрят отдельно.

Практика

1. Предскажите. Сколько разговорных каналов дадут 8 потоков E1 при CAS и при одном звене сигнализации в TS16 первого потока?
2. Проверьте. Посчитайте по формулам 30 × N и 31 × N − 1. Совпал ли выигрыш с N − 1?
3. Объясните. Какие из этих сведений можно передать четырьмя битами abcd, а какие — только сообщением: занятие канала, номер звонящего, ответ вызываемого, причина отбоя, вопрос к базе данных?
4. Измените. Звено продублировали вторым, в TS16 другого потока. Сколько каналов теперь у 8 потоков?
5. Сделайте сами ⭐. Заказчик просит 480, 490 и 600 каналов. Сколько потоков нужно при CAS и при одном звене? Для каких заказов ОКС-7 экономит поток?

Самопроверка

Вопрос 1. Канал D в ISDN — это тоже ОКС-7?

Разбор. Нет. Идея общая: один канал сообщений на много разговорных каналов. Но канал D работает на абонентском участке и несёт сообщения Q.931 по Q.921, а ОКС-7 работает между станциями.

Вопрос 2. Потоки E1 исправны, аварий нет, но ни один новый вызов не проходит. Почему при ОКС-7 это возможно?

Разбор. Звено сигнализации — отдельный объект. Оно может не работать при чистом потоке, и тогда сообщения о новых вызовах не доходят ни по одному каналу. При CAS сигнализация каждого канала едет в том же потоке, что и голос, так что исправный поток — хороший знак. При ОКС-7 состояние звена смотрят отдельно.

Ответы к практике. 1 — CAS: 30 × 8 = 240; одно звено: 31 × 8 − 1 = 247. 2 — выигрыш 247 − 240 = 7, то есть N − 1. 3 — битами abcd можно передать занятие, ответ (состояния канала); номер звонящего, причину отбоя и вопрос к базе — только сообщением. 4 — 31 × 8 − 2 = 246: второе звено занимает ещё один таймслот. 5 — 480 каналов: CAS 16 потоков (480), ОКС-7 тоже 16 (495); 490: CAS 17, ОКС-7 16; 600: CAS 20, ОКС-7 тоже 20 (619). Поток экономится только при 490.

Повторение и критерий перехода

Переходите к следующему уроку, если без подсказки можете:

• назвать четыре предела CAS и сказать, что делает против каждого общий канал сигнализации;
• объяснить, чем сообщение с полями отличается от сигнала из четырёх бит, и что такое звено сигнализации и сеть сигнализации;
• сказать, где работает канал D, а где ОКС-7;
• посчитать число разговорных каналов у N потоков E1 при CAS и при одном звене и сказать, почему при N = 1 выигрыша нет.

Дальше — урок 2: названия ОКС-7 и стандарты ITU-T. В уроке 3 вы познакомитесь с узлами сети сигнализации.

Стандарты и источники

• ITU-T Q.700 (03/93), «Introduction to CCITT Signalling System No. 7»: п. 1.1 (задачи ОКС-7, области применения, 64 кбит/с, сигнализация, связанная и не связанная с каналами), п. 1.2 (определение общеканальной сигнализации, резервирование звеньев), п. 2.1 (сеть сигнализации), п. 2.2.1 (узлы сети сигнализации), п. 2.2.3 (сообщение идёт либо напрямую между двумя узлами, либо через другие узлы).
• ITU-T Q.702 (11/88), «Signalling data link»: п. 1.6 (канал звена не несёт ничего, кроме сигнализации), п. 2.1.1 (стандартная скорость 64 кбит/с), п. 5.1 (звено в потоке 2048 кбит/с: TS16 — стандартный таймслот, иначе любой подходящий).
• ITU-T G.704 (10/98): п. 5.1.2 (TS16 как канал 64 кбит/с, если сигнализация не нужна), п. 5.1.3.1 (TS16 для общеканальной сигнализации).
• ITU-T Q.763 (12/99): п. 3.9–3.12 — форматы параметров: номер вызываемого, номер вызывающего, категория вызывающего, причина.
• Из прошлых уроков: TS16 — урок 33 курса telbasics; CAS и его пределы — уроки 42–48 курса pstn; канал D — уроки 2 и 5 курса isdn.
• Расчёты 30 × N и 31 × N − 1 и условная запись сообщений — это расчёт и иллюстрация этого урока, а не текст стандарта. Времена установления соединения не приводятся: у нас нет проверенной цифры.