TCEs und ACEs arbeiteten in Ulrich Links Projekterfahrung als Moore-Automaten. Generic Messages und Directed Messages verbanden die kleinen Einheiten, ohne ihre jeweilige Zuständigkeit aufzulösen. Das historische Quellenmaterial belegt die dafür tragende verteilte Hardware-, Netz- und Softwarearchitektur.
1. Einordnung
SYSTEM12 — ursprünglich als ITT 1240 bezeichnet — war eine volldigitale, speicherprogrammgesteuerte Vermittlungsplattform. Die Entwicklung begann ab 1977 im Advanced Technology Center der ITT in Connecticut. Das erste Produktivsystem wurde 1982 durch die belgische ITT-Tochter BTM in Brecht installiert. SEL passte das System anschließend an die Anforderungen der Deutschen Bundespost an. Nach dem Verkauf des ITT-Telekommunikationsbereichs wurde es als Alcatel S12 beziehungsweise Alcatel 1000 S12 weitergeführt.
Architektonisch bemerkenswert war nicht allein die digitale Vermittlung, sondern vor allem die konsequente Verbindung von:
- modularer Hardware,
- verteilter Verarbeitung,
- dezentraler Verbindungssteuerung,
- einem auch für Steuerinformationen verwendeten Koppelnetz
- und einer hierarchisch abstrahierten Softwarearchitektur.
2. Grundprinzip
SYSTEM12 besitzt keinen zentralen Koordinationsprozessor, der sämtliche Gespräche und Koppelwege verwaltet. Stattdessen befinden sich Prozessoren unmittelbar bei den Anschluss- und Funktionsmodulen.
Das Digital Switching Network (DSN) verbindet diese Module miteinander. Dabei transportiert es nicht nur Nutzkanäle, sondern auch Nachrichten zwischen den Prozessoren. Das Patent beschreibt ausdrücklich, dass Sprache, Daten und Steuersignale über gemeinsame Übertragungswege geführt werden.
Das Koppelnetz ist somit gleichzeitig:
- Nutzkanalnetz,
- Prozessor-Kommunikationsnetz,
- Zugangsweg zu zentral beziehungsweise gemeinsam genutzten Funktionen.
US-Patent 4,201,889 · Distributed control digital switching system
3. Modularchitektur
Eine SYSTEM12-Vermittlungsstelle besteht aus funktional spezialisierten Modulen mit standardisiertem DSN-Anschluss. Typische Module waren:
- analoge, digitale und ISDN-Teilnehmermodule,
- analoge, digitale und ISDN-Leitungs- beziehungsweise Trunkmodule,
- Schnittstellen zu abgesetzten Einheiten,
- Module für Zentralkanalzeichengabe, insbesondere CCITT Nr. 6 und Nr. 7,
- Service-Circuit-, Operator- und Bedienmodule,
- Wartungs- und Peripheriemodule,
- Takt- und Tonmodule,
- zusätzliche Verarbeitungs- und Datenbankmodule.
Eine zeitgenössische US-Regierungsstudie beschreibt jedes Funktionsmodul in zwei Schichten:
- Terminal Hardware: die physische Anschluss-, Übertragungs- oder Dienstefunktion;
- Terminal Control Element (TCE): der zugeordnete Prozessor mit Speicher und DSN-Schnittstelle.
Dadurch bildet ein Modul eine relativ autonome Einheit. Seine interne Realisierung kann verändert werden, solange seine Schnittstelle zum DSN und das Nachrichtenverhalten erhalten bleiben.
4. Verteilte Steuerung
Es gibt zwei grundlegende Arten von Control Elements:
| Element | Funktion |
|---|---|
| TCE — Terminal Control Element | Steuert unmittelbar ein Teilnehmer-, Leitungs- oder Funktionsmodul; verarbeitet terminalnahe Signale und beteiligt sich an der Wegesteuerung. |
| ACE — Auxiliary Control Element | Besitzt normalerweise keine externe Teilnehmer- oder Leitungsschnittstelle; stellt gemeinsam genutzte Verarbeitung, Datenbanken und übergeordnete Funktionen bereit. |
Ein Control Element besteht im Kern aus Mikroprozessor, lokalem Speicher, Terminal- beziehungsweise DSN-Schnittstelle, Firmware und zugeordneten Softwarepaketen.
Die Steuerung ist damit funktional verteilt, aber nicht völlig gleichförmig: Terminalnahe Aufgaben liegen in den TCEs, während übergreifende oder gemeinsam genutzte Funktionen auf ACEs verteilt werden können. Das Patent unterscheidet entsprechend zwischen einer ersten Prozessorgruppe für terminalnahe Funktionen und Wegaufbau und einer zweiten Gruppe für gemeinsam genutzte Funktionen wie Call Control.
5. Digital Switching Network
Das DSN besteht aus paarweise ausgeführten Access Switches, einem mehrstufigen Group Switch und mehreren parallelen Koppelnetzebenen beziehungsweise Planes.
Digital Switching Element
Der elementare Baustein wird in der NTIA-Darstellung als DSE — Digital Switching Element bezeichnet:
- 16 Eingänge und 16 Ausgänge,
- je Port 32 Kanäle,
- 16 Bit je Kanal,
- 8-kHz-Rahmenfrequenz,
- daraus 4,096 Mbit/s je PCM-Link,
- insgesamt 512 Eingangs- und 512 Ausgangskanäle pro DSE-Baugruppe.
Die eigentliche Schaltfunktion wurde durch ein standardisiertes VLSI-Bauelement, den Switch Port, realisiert.
Netzstruktur
Eine große Konfiguration umfasste paarige Access Switches, bis zu vier Group-Switch-Planes, drei Schaltstufen innerhalb des Group Switch und den Access Switch als zusätzliche vierte Stufe. Jedes Control Element war aus Zuverlässigkeitsgründen mit beiden Access Switches eines Paares verbunden; von dort bestanden Zugänge zu den Group-Switch-Planes.
6. Endgesteuerte Wegesuche
Der technisch charakteristische Begriff ist end-controlled network. Die Koppelwege werden nicht von einem zentralen Koppelnetzrechner gesucht. Ein beteiligtes TCE sendet Steuerinformationen in-band in das DSN. Die Switch Ports beteiligen sich schrittweise an der Auswahl und Belegung eines freien Weges.
TCE A ──▶ DSN ──▶ TCE B Suche und Belegung des Simplexwegs A → B TCE B ──▶ DSN ──▶ TCE A unabhängige Suche des Simplexwegs B → A TCE A ◀══════════▶ TCE B Duplexverbindung über zwei getrennte Wege
Hin- und Rückweg sind also getrennte Simplexverbindungen, unabhängig gesucht und nicht notwendigerweise topologisch identisch. Das beseitigt die zentrale Wegesuche und vermeidet einen zentralen Engpass, verlangt dafür aber ein wohldefiniertes verteiltes Protokoll für Suche, Reservierung, Quittierung und Freigabe.
7. Kommunikation und Verbindungssteuerung
Die Prozessoren kommunizieren über das DSN, anstatt ein vollständig separates zentrales Steuerungsnetz zu benötigen. Daraus ergibt sich ein rekursives Architekturprinzip:
Dieselbe digitale Infrastruktur verbindet sowohl die zu vermittelnden Nutzkanäle als auch die Steuerelemente, die diese Vermittlung organisieren.
Ein typischer Gesprächsaufbau lässt sich funktional so zerlegen:
- Das Teilnehmer-TCE erkennt die Belegung und wertet anschlussnahe Signale aus.
- Über DSN-Nachrichten werden erforderliche Call-Control- oder Datenbankfunktionen erreicht.
- Ziel, Berechtigung, Leitweg und Ressourcen werden bestimmt.
- Das Ursprungs-TCE baut einen Simplexweg zum Ziel auf.
- Das Ziel-TCE richtet unabhängig den Rückweg ein.
- Die Verbindung wird überwacht und abgerechnet.
- Bei Gesprächsende geben die beteiligten Control Elements ihre Ressourcen frei.
Die genaue Aufgabenverteilung konnte je Produktstand, Netzbetreibervariante und Anwendung unterschiedlich sein.
8. Softwarearchitektur
Die Software lag verteilt in den TCEs und ACEs. Die NTIA-Studie beschreibt ein Virtual-Machine-Konzept mit vier Abstraktionsebenen:
| Ebene | Inhalt |
|---|---|
| 1 — Systembasis | Betriebssystem, Gerätetreiber beziehungsweise Device Handler und Datenbankgrundfunktionen |
| 2 — Telefonie-Grundfunktionen | Umsetzung physischer Signale in Nachrichten, Ressourcenverwaltung, Leitungs- und Gebührenfunktionen |
| 3 — Anwendungen | Gesprächsbehandlung, Wartung und Erzeugung administrativer Daten |
| 4 — Administration | Betriebs- und Verwaltungsprogramme auf Basis der Gesprächs- und Systemdaten |
Die Software wurde überwiegend in CHILL formuliert und abhängig von der Aufgabe eines Control Elements auf die Prozessoren verteilt. Höhere Ebenen sollten von den Implementierungsdetails tieferer Ebenen entkoppelt bleiben.
Spätere Übersichten gliedern die Software funktional in Operating System, Telephonic Support, Call Handling, Maintenance und Administration.
9. Ausfallsicherheit
Die Verfügbarkeit beruht nicht auf einem einzigen Redundanzmechanismus, sondern auf mehreren Architekturentscheidungen:
- kein zentraler Koordinationsprozessor als systemweiter Single Point of Failure,
- paarige Access Switches,
- mehrere Group-Switch-Planes,
- verteilte Control Elements,
- lokale Begrenzung von Modul- und Prozessorfehlern,
- alternative Wege durch das Koppelnetz,
- modulare Erweiterung und Reparatur,
- Trennung von Hin- und Rückweg.
Ein Fehler kann dadurch einen Teilnehmerblock, ein Modul, einen Prozessor oder einen Netzweg beeinträchtigen, ohne zwangsläufig die gesamte Vermittlungsstelle stillzulegen. Allerdings ist „voll verteilt“ nicht mit „ohne gemeinsam genutzte Abhängigkeiten“ gleichzusetzen: Taktversorgung, gemeinsame Datenbestände, Softwarefehler oder mehrere gleichzeitig betroffene Planes bleiben systemisch relevant.
10. Skalierbarkeit
Das System skaliert durch Hinzufügen von Teilnehmer- und Trunkmodulen, Control Elements, Access-Switch-Paaren, DSEs, Schaltstufen, Group-Switch-Planes und ACE-Verarbeitungskapazität.
Die NTIA-Quelle nennt eine Spannweite von weniger als 100 bis über 100.000 Teilnehmeranschlüssen sowie bis zu 60.000 Trunks. Diese Zahlen beziehen sich auf den damaligen ITT-Stand Mitte der 1980er Jahre. Spätere Alcatel-Varianten werden mit bis zu 120.000 Anschlüssen, 85.000 Trunks und 35.000 Erlang angegeben; diese Werte dürfen deshalb nicht ohne Versionsangabe vermischt werden.
11. Architektonische Würdigung
Aus heutiger Sicht kann SYSTEM12 als frühe modulare Distributed-Systems-Architektur gelesen werden:
- Control Elements entsprechen spezialisierten Verarbeitungsknoten.
- Das DSN bildet eine gemeinsame Kommunikations- und Vermittlungsstruktur.
- In-band-Nachrichten übernehmen eine Rolle ähnlich einem internen Message Bus.
- Endgesteuerte Wegesuche ersetzt einen zentralen Resource Manager.
- Modulschnittstellen ermöglichen technologische Weiterentwicklung bei stabiler Gesamtarchitektur.
- Lokale Zuständigkeit und redundante Netzwege begrenzen Fehlerdomänen.
Die Stärke dieses Ansatzes war die horizontale Skalierbarkeit und das Fehlen eines dominierenden Zentralrechners. Seine anspruchsvolle Seite lag in der Beherrschung verteilter Zustände: konkurrierende Wegesuche, konsistente Gesprächszustände, Fehlerbehandlung, Wiederanlauf und verteilte Datenpflege mussten unter Echtzeitbedingungen funktionieren.
12. Quellenlage
- Lawrence, Cotton, Hamer-Hodges und Denenberg: US-Patent 4,201,889, „Distributed control digital switching system“, 1980
Grundlegendes Architektur- und Steuerungskonzept. - NTIA Report 86-191, Abschnitt 4.5 ITT SYSTEM12
Zeitgenössische Beschreibung von Modulen, Control Elements, DSN und Software. - ITT Technical Journal, Vol. 59, Nr. 1/2, 1985
Zeitgenössischer ITT-Schwerpunkt zur Architektur und Technik des SYSTEM12. - Alcatel 1000 S12 — technische Systemübersicht
Spätere Produktstufe und Leistungsdaten. - Historische Übersicht SYSTEM12
Entwicklung von ITT 1240 über SEL S12 zu Alcatel S12; als Sekundärquelle geringer zu gewichten.