Технология плезиохронной цифровой иерархии PDH

Аналоговые и цифровые выделенные линии

Протоколы канального уровня для выделенных линий.

Лекция 15 Глобальные сети на основе выделенных линий

Основные вопросы:

1. Аналоговые и цифровые выделенные линии.

2. Технология плезиохронной цифровой иерархии PDH.

3. Технология синхронной цифровой иерархии SONET/SDH.

4. Применение цифровых первичных сетей.

5. Устройства DSU/CSU для подключения к выделенному каналу.

Выделенные аналоговые каналы предоставляются пользователю с 4-проводным или 2-проводным окончанием. На каналах с 4-проводным окончанием организация полнодуплексной связи выполняется более простыми способами.

Выделенные линии могут быть разделены на две группы по другому признаку — наличию промежуточной аппаратуры коммутации и усиления или ее отсутствию.

Первую группу составляют так называемые нагруженные линии, проходящие через оборудование частотного уплотнения (FDM-коммутаторы и мультиплексоры), расположенное, например, на АТС. Телефонные компании обычно предоставляют в аренду два типа выделенных каналов: канал тональной частоты с полосой пропускания 3,1 кГц и широкополосный канал с полосой 48 кГц, который представляет собой базовую группу из 12 каналов тональной частоты. Широкополосный канал имеет границы полосы пропускания от 60 до 108 кГц. Так как широкополосный канал используется для связи АТС между собой, то получение в аренду более проблематично, чем канала тональной частоты. Выделенные нагруженные каналы также классифицируются на категории в зависимости от их качества. От категории качества зависит и арендная месячная плата за канал.

Вторая группа выделенных линий — это ненагруженные физические проводные линии. Они могут кроссироваться, но при этом не проходят через аппаратуру частотного уплотнения. Часто такие линии используются для связи между близко стоящими зданиями.

Цифровые выделенные линии образуются путем постоянной коммутации в пер­вичных сетях, построенных на базе коммутационной аппаратуры, работающей на принципах разделения канала во времени - TDM. Существу­ют два поколения технологий цифровых первичных сетей — технология плезиохронной («плезио» означает «почти», то есть почти синхронной) цифровой иерархии (Plesiochronic Digital Hierarchy, PDH) и более поздняя технология - синхронная цифровая иерархия (Synchronous Digital Hierarchy, SDH). В Америке технологии SDH соответствует стандарт SONET.

Цифровая аппаратура мультиплексирования и коммутации была разработана в кон­це 60-х годов компанией AT&T с целью связи крупных коммута­торов телефонных сетей между собой.

Для решения этой задачи была разработана аппаратура Т1, которая позволяла в цифровом виде мультиплексировать, передавать и коммутировать (на постоянной основе) данные 24 абонентов. Так как абоненты по-прежнему пользовались обыч­ными телефонными аппаратами, то есть передача голоса шла в аналоговой форме, то мультиплексоры Т1 сами осуществляли оцифровывание голоса с частотой 8000 Гц и кодировали голос с помощью импульсно-кодовой модуляции (Pulse Code Modulation, PCM). В результате каждый абонентский канал образовывал цифро­вой поток данных 64 Кбит/с.

Для соединения магистральных АТС каналы Т1 пред­ставляли собой слишком слабые средства мультиплексирования, поэтому в технологии была реализована идея образования каналов с иерархией скоростей. Четыре канала типа Т1 объединяются в канал следующего уровня цифровой иерар­хии — Т2, передающий данные со скоростью 6,312 Мбит/с, а семь каналов Т2 дают при объединении канал ТЗ, передающий данные со скоростью 44,736 Мбит/с. Ап­паратура Tl, T2 и ТЗ может взаимодействовать между собой, образуя иерархичес­кую сеть с магистральными и периферийными каналами трех уровней скоростей.

Технология цифровой иерархии была позже стандартизована CCITT. При этом в нее были внесены некоторые изменения, что привело к несовместимости амери­канской и международной версий цифровых сетей. Американская версия распространена сегодня кроме США также в Канаде и Японии (с некоторыми различия­ми), а в Европе применяется международный стандарт. Аналогом каналов Т в меж­дународном стандарте являются каналы типа El, E2 и ЕЗ с другими скоростями — соответственно 2,048 Мбит/с, 8,488 Мбит/с и 34,368 Мбит/с, Американский вари­ант технологии также был стандартизован ANSI.

Несмотря на различия американской и международных версий технологии циф­ровой иерархии, для обозначения иерархии скоростей принято использовать одни и те же обозначения — DSn (Digital Signal n). На практике в основном используются каналы Т1/Е1 и Т3/Е3. Иерархия цифровых скоростей каналов PDH приведена в таблице 3.1.

Таблица 3.2.

Иерархия цифровых скоростей

Обозначение скрости	Америка	Европа
Кол. Голосовых каналов	Кол. каналов предыдущего уровня	Скрость Мбит/с	Кол. Голос каналов	Кол.каналов предыдущего ур	Скрость Мбит/с
DS-0			64Кбит/с			64Кбит/с
DS-1			1,544			2,048
DS-2			6,312			8,488
DS-3			44,736			34,368
DS-4			274,176			139,264

Мультиплексор Т1 обеспечивает передачу данных 24-х абонентов со скоростью 1,544 Мбит/с в кадре, имеющем достаточно простой формат. В этом кадре после­довательно передается по одному байту каждого абонента, а после 24-х байт встав­ляется один бит синхронизации. Первоначально устройства Т1 работали только на внутренних тактовых генераторах, и каждый кадр с помощью битов синхрони­зации мог передаваться асинхронно. Аппаратура Т1, а также более скоростная ап­паратура Т2 и ТЗ за долгие годы существования претерпела значительные изменения. Сегодня мультиплексоры и коммутаторы первичной сети работают на центра­лизованной тактовой частоте, распределяемой из одной точки всей сети. Однако принцип формирования кадра остался, поэтому биты синхронизации в кадре по-прежнему присутствуют. Суммарная скорость пользовательских каналов состав­ляет 24 х 64 = 1,536 Мбит/с, а еще 8 Кбит/с добавляют биты синхронизации.

В аппаратуре Т1 назначение восьмого бита каждого байта в кадре разное и зависит от типа передаваемых данных и поколения аппаратуры.

При передаче голоса в сетях Т1 все 24 канала являются абонентскими, поэтому управляющая и контрольная информация передается восьмым (наименее знача­щим) битом замеров голоса. В ранних версиях сетей Т1 служебным был 8-й бит каждого байта кадра, поэтому реальная скорость передачи пользовательских дан­ных составляла 56 Кбит/с (обычно восьмой бит отводился под такие служебные данные, как номер вызываемого телефонного абонента, сигнал занятости линии, сигнал снятия трубки и т. п.). Затем технология была улучшена и для служебных целей стали использовать только каждый шестой кадр. Таким образом, в пяти кадpax из шести пользовательские данные представлены всеми восемью битами, а в шестом — только семью.

При передаче компьютерных данных канал Т1 предоставляет для пользова­тельских данных только 23 канала, а 24-й канал отводится для служебных целей, в основном — для восстановления искаженных кадров. Для одновременной передачи как голосовых, так и компьютерных данных используются все 24 канала, причем компьютерные данные передаются со скоростью 56 Кбит/с. Техника использова­ния восьмого бита для служебных целей получила название «кражи бита» (bit robbing).

При мультиплексирования 4-х каналов Т1 в один канал Т2 между кадрами DS-1 по-прежнему используется один бит синхронизации, а кадры DS-2 (которые состоят из 4-х последовательных кадров DS-1) разделяются 12 служебными бита­ми, которые предназначены не только для разделения кадров, но и для их синхро­низации. Соответственно, кадры DS-3 состоят из 7 кадров DS-2, разделенных служебными битами.

Международная версия этой технологии описана в стандартах G.700-G.706. Она более логична, так как не использует схему «кражи бита». Кроме того, она основа­на на постоянном коэффициенте кратности скорости 4 при переходе к следующе­му уровню иерархии. Вместо восьмого бита в канале Е1 на служебные цели отводятся 2 байта из 32. Для голосовых каналов или каналов данных остается 30 каналов со скоростью передачи 64 Кбит/с каждый.

Пользователь может арендовать несколько каналов 64 Кбит/с (56 Кбит/с) в канале Т1/Е1. Такой канал называется «дробным» (fractional) каналом Т1/Е1. В этом случае пользователю отводится несколько тайм-слотов работы мультиплексора.

Физический уровень технологии PDH поддерживает различные виды кабелей: витую пару, коаксиальный кабель и волоконно-оптический кабель. Основным ва­риантом абонентского доступа к каналам Т1/Е1 является кабель из двух витых пар с разъемами RJ-48. Две пары требуются для организации дуплексного режима передачи данных со скоростью 1,544/2,048 Мбит/с. Для представления сигналов используется: в каналах Т1 биполярный потенциальный код B8ZS, в каналах Е1 — биполярный потенциальный код HDB3. Для усиления сигнала на линиях Т1 через каждые 1800 м (одна миля) устанавливаются регенераторы и аппаратура контроля линии.

Коаксиальный кабель благодаря своей широкой полосе пропускания поддер­живает канал Т2/Е2 или 4 канала Т1/Е1. Для работы каналов Т3/Е3 обычно ис­пользуется либо коаксиальный кабель, либо волоконно-оптический кабель, либо каналы СВЧ.

Физический уровень международного варианта технологии определяется стан­дартом G.703, названием которого обозначается тип интерфейса маршрутизатора или моста, подключаемого к каналу Е1. Американский вариант интерфейса носит название Т1.

Как американский, так и международный варианты технологии PDH обладают несколькими недостатками:

1. Одним из основных недостатков является сложность операций мультиплекси­рования и демультиплексирования пользовательских данных. Изначально асинхронный подход к передаче кадров породил вставку бита или нескольких бит синхронизации между кад­рами. В результате для извлечения пользовательских данных из объединенного канала необходимо полностью демультиплексировать кадры этого объединенного канала. Например, если требуется получить данные одного абонентского канала 64 Кбит/с из кадров канала ТЗ, необходимо произвести демультиплексирование этих кадров до уровня кадров Т2, затем — до уровня кадров Т1, а затем демульти­плексировать и сами кадры Т1. Для преодоления этого недостатка в сетях PDH реализуют некоторые дополнительные приемы, уменьшающие количество опера­ций демультиплексирования при извлечения пользовательских данных из высоко­скоростных каналов.

Например, одним из таких приемов является «обратная доставка» (back hauling). Пусть коммутатор 1 канала Т3 принимает поток данных, состоящий из 672 пользовательских каналов, при этом он должен передать данные одного из этих каналов пользователю, подключенному к низкоскоростному выхо­ду коммутатора, а весь остальной поток данных направить транзитом через другие коммутаторы в некоторый конечный демультиплексор 2, где поток Т3 полностью демультиплексируется на каналы 64 Кбит/с. Для экономии коммутатор 1 не вы­полняет операцию демультиплексирования своего потока, а получает данные своего пользователя только при их «обратном проходе», когда конечный демультиплек­сор выполнит операцию разбора кадров и вернет данные одного из каналов комму­татору 1. Естественно, такие сложные взаимоотношения коммутаторов усложняют работу сети, требуют ее тонкого конфигурирования, что ведет к большому объему ручной работы и ошибкам.

2. Другим существенным недостатком технологии PDH является отсутствие раз­витых встроенных процедур контроля и управления сетью. Служебные биты дают мало информации о состоянии канала, не позволяют его конфигурировать и т. п. Нет в технологии и процедур поддержки отказоустойчивости, которые очень по­лезны для первичных сетей, на основе которых строятся ответственные междуго­родные и международные сети. В современных сетях управлению уделяется большое внимание, причем считается, что управляющие процедуры желательно встраивать в основной протокол передачи данных сети.

3. Третий недостаток состоит в слишком низких по современным понятиям ско­ростях иерархии PDH. Волоконно-оптические кабели позволяют передавать данные со скоростями в несколько гигабит в секунду по одному волокну, что обеспечивает консолидацию в одном кабеле десятков тысяч пользовательских каналов, но это свойство технология PDH не реализует — ее иерархия скоростей заканчивается уровнем 139 Мбит/с.

Все эти недостатки устранены в новой технологии первичных цифровых сетей, получившей название синхронной цифровой иерархии — Synchronous Digital Hierarchy, SDH.

3. Технология синхронной цифровой иерархии SONET/SDH

Технология синхронной цифровой иерархии появилась в 1984 году в США и получила наименование SONET. Затем эта техноло­гия была стандартизована комитетом Tl ANSI. Международная стандартизация технологии проходила под эгидой Европейского института телекоммуникацион­ных стандартов (ETSI) и CCITT совместно с ANSI и ведущими телекоммуникационными компаниями Америки, Европы и Японии. Основной целью разработчиков международного стандарта было создание такой технологии, которая позволяла бы передавать трафик всех существующих цифровых каналов (как американских Т1 – Т3, так и европейских Е1 – Е3) в рамках высокоскоростной магистральной сети на волоконно-оптических кабелях и обеспечила бы иерархию скоростей, продол­жающую иерархию технологии PDH, до скорости в несколько гигабит в секунду. В результате длительной работы удалось разработать международный стандарт Synchronous Digital Hierarchy, SDH (спецификации G.707-G.709), а также дорабо­тать стандарты SONET таким образом, что аппаратура и стеки SDH и SONET стали совместимыми и могут мультиплексировать входные потоки практически любого стандарта PDH — как американского, так и европейского. В терминологии и начальной скорости технологии SDH и SONET остались расхождения, но это не мешает совместимости аппаратуре разных производителей, а технология SONET/ SDH фактически стала считаться единой технологией. В России применяются стан­дарты и адаптированная терминология SDH.

Иерархия скоростей при обмене данными между аппаратурой SONET/SDH, которую поддерживает технология SONET/SDH, представлена в таблице 3.2..

Таблица 3.2.

Иерархия скоростей SONET/SDH

SDH	SONET	Скорость
-	STS-1, OC-1	51,840 Мбит/с
STM-1	STS-3, OC-3	155,520 Мбит/с
STM-3	STS-9, OC-9	466,560 Мбит/с
STM-4	STS-12, OC-12	622,080 Мбит/с
STM-6	STS-18, OC-18	933,120 Мбит/с
STM-8	STS-24, OC-24	1,244 Гбит/с
STM-12	STS-36, OC-36	1,866 Гбит/с
STM-16	STS-48, OC-48	2,488 Гбит/с

В стандарте SDHвсе уровни скоростей (и, соответственно, форматы кадров для этих уровней) имеют общее название: STM-n — Synchronous Transport Module level n. В технологии SONET существуют два обозначения для уровней скоростей: STS-n — Synchronous Transport Signal level n, употребляемое при передаче данных электри­ческим сигналом, и ОС-n — Optical Carrier level n, употребляемое при передаче данных световым лучом по волоконно-оптическому кабелю. Форматы кадров STS и ОС идентичны.

Как видно из таблицы 3.2, стандарт SONET начинается со скорости 51,84 Мбит/с, а стандарт SDH — со скорости 155,52 Мбит/с, равной утроенной начальной скоро­сти SONET. Международный стандарт определил начальную скорость иерархии в 155,52 Мбит/с, чтобы сохранялась стройность и преемственность технологии SDH с технологией PDH — в этом случае канал SDH может передавать данные уровня DS-4, скорость которых равна 139,264 Мбит/с. Любая скорость технологии SONET/ SDH кратна скорости STS-1. Некоторая избыточность скорости 155,52 Мбит/с для передачи данных уровня DS-4 объясняется большими накладными расходами на служебные заголовки кадров SONET/SDH.

Кадры данных технологий SONET и SDH, называемые также циклами, по фор­матам совпадают, естественно начиная с общего уровня STS-3/STM-1. Эти кадры обладают весьма большой избыточностью, так как передают большое количество служебной информации, которая нужна для:

· обеспечения гибкой схемы мультиплексирования потоков данных разных скоростей, позволяющих вставлять (add) и извлекать (drop) пользовательскую ин­формацию любого уровня скорости, не демультиплексируя весь поток;

· обеспечения отказоустойчивости сети;

· поддержки операций контроля и управления на уровне протокола сети;

· синхронизации кадров в случае небольшого отклонения частот двух сопрягае­мых сетей.

Стек протоколов и основные структурные элементы сети SONET/SDH показа­ны на рис. 3.6.

В сеть технологии SONET/ SDH могут входить следующие устройства:

Терминальные устройства (Terminal, Т), называемые также сервисными адаптерами (Service Adapter, SA), принимают пользовательские данные от низкоско­ростных каналов технологии PDH (типа Т1/Е1 или ТЗ/ЕЗ) и преобразуют их в кадры STS-n.

Мультиплексоры (Muliplexers) принимают данные от терминальных устройств и мультиплексируют потоки кадров разных скоростей STS-n в кадры более высокой иерархии STS-m.

Мультиплексоры «ввода-вывода» (Add-Drop Multiplexers) могут принимать и передавать транзитом поток определенной скорости STS-n, вставляя или удаляя «на ходу», без полного демультиплексирования, пользовательские данные, при­нимаемые с низкоскоростных входов.

Риc. 3.6. Стек протоколов и структура сети SONET/SDH

Цифровые кросс-коннекторы (Digtal Cross-Connect, DCC), называемые также аппаратурой оперативного переключения (АОП), предназначены для мультиплекси­рования и постоянной коммутации высокоскоростных потоков STS-n различногоуровня между собой (на рис. 3.6. не показаны). Кросс-коннектор представляет собой разновидность мультиплексора, основное назначение которого — комму­тация высокоскоростных потоков данных, возможно, разной скорости. Кросс- коннекторы образуют магистраль сети SONET/SDH.

Регенераторы сигналов, используемые для восстановления мощности и формы сигналов, прошедших значительное расстояние по кабелю.

На практике иногда сложно провести четкую грань между описанными устрой­ствами, так как многие производители выпускают многофункциональные устрой­ства, которые включают терминальные модули, модули «ввода-вывода», а также модули кросс-коннекторов.

Стек протоколов состоит из протоколов 4-х уровней.

Ø Физический уровень, названный в стандарте фотонным (photonic), имеет дело с кодированием бит информации с помощью модуляции света. Для кодирования сигнала применяется метод NRZ (благодаря внешней тактовой частоте его пло­хие самосинхронизирующие свойства недостатком не являются).

Ø Уровень секции (section) поддерживает физическую целостность сети. Секцией в технологии называется каждый непрерывный отрезок волоконно-оптического кабеля, который соединяет пару устройств SONET/SDH между собой, напри­мер мультиплексор и регенератор. Протокол секции имеет дело с кадрами и на основе служебной информации кадра может проводить тестирование секции и поддерживать операции административного контроля. В заголовке протокола
секции имеются байты, образующие звуковой канал 64 Кбит/с, а также канал передачи данных управления сетью со скоростью 192 Кбит/с. Заголовок сек­ции всегда начинается с двух байт 11110110 00101000, которые являются флагами начала кадра. Следующий байт определяет уровень кадра: STS-1, STS-2 и т. д. За каждым типом кадра закреплен определенный идентификатор.

Ø Уровень линии (line) отвечает за передачу данных между двумя мультиплексора­ми сети. Протокол этого уровня работает с кадрами разных уровней STS-n для выполнения различных операций мультиплексирования и демультиплексиро­вания, а также вставки и удаления пользовательских данных. Таким образом,
линией называется поток кадров одного уровня между двумя мультиплексорами. Протокол линии также ответственен за проведения операций реконфигурирования линии в случае отказа какого-либо ее элемента — оптического волокна, порта или соседнего мультиплексора.

Ø Уровень тракта (path — путь) отвечает за доставку данных между двумя конеч­ными пользователями сети. Тракт (путь) — это составное виртуальное соединение между пользователями. Протокол тракта должен принять данные, поступаю­щие в пользовательском формате, например формате Т1, и преобразовать их в синхронные кадры STS-n/STM-m.

Как видно из рис.3.6, регенераторы работают только с протоколами двух нижних уровней, отвечая за качество сигнала и поддержания операций тестирования и управления сетью. Мультиплексоры работают с протоколами трех нижних уров­ней, выполняя, кроме функций регенерации сигнала и реконфигурации секций, функцию мультиплексирования кадров STS-n разных уровней. Кросс-коннектор представляет собой пример мультиплексора, который поддерживает протоколы трех уровней. И, наконец, функции всех четырех уровней выполняют терминалы, а так­же мультиплексоры «ввода-вывода», то есть устройства, работающие с пользова­тельскими потоками данных.

Формат кадра STS-1 представлен на рис. 3.7. Кадры технологии SONET/SDH принято представлять в виде матрицы, состоящей из n строк и m столбцов. Такое представление хорошо отражает структуру кадра со своего рода подкадрами, назы­ваемыми виртуальными контейнерами (Virtual Container, VC — термин SDH) или виртуальными притоками (Virtual Tributaries, VT — термин SONET). Виртуаль­ные контейнеры — это подкадры, которые переносят потоки данных, скорости ко­торых ниже, чем начальная скорость технологии SONET/SDH в 51,84 Мбит/с (например, поток данных Т1 со скоростью 1,544 Мбит/с).

Рис.3.7. Формат кадра STS-l

Кадр STS-1 состоит из 9 строк и 90 столбцов, то есть из 810 байт данных. Между устройствами сети кадр передается последовательно по байтам — сначала первая строка слева направо, затем вторая и т. д. Первые 3 байта каждой строки представляют собой служебные заголовки. Первые 3 строки представляют собой заголовок из 9 байт протокола уровня секции и содержат данные, необходимые для контроля и реконфигурации секции. Остальные 6 строк составляют заголовок про­токола линии, который используется для реконфигурации, контроля и управления линией. Устройства сети SONET/SDH, которые работают с кадрами, имеют доста­точный буфер для размещения в нем всех байт кадра, протекающих синхронно через устройство, поэтому устройство для анализа информации на некоторое вре­мя имеет полный доступ ко всем частям кадра. Таким образом, размещение слу­жебной слу­жебной информации в несмежных байтах не представляет сложности для обработки кадра.

Еще один столбец представляет собой заголовок протокола пути. Он использу­ется для указания местоположения виртуальных контейнеров внутри кадра, если кадр переносит низкоскоростные данные пользовательских каналов типа Т1/Е1. Местоположение виртуальных контейнеров задается не жестко, а с помощью сис­темы указателей (pointers).

Концепция указателей является ключевой в технологии SONET/SDH. Указа­тель призван обеспечить синхронную передачу байт кадров с асинхронным харак­тером вставляемых и удаляемых пользовательских данных.

Отказоустойчивость сети SONET/SDH встроена в ее основные протоколы. Этот механизм называется автоматическим защитным переключением — Automatic Protection Switching, APS. Существуют два способа его работы. В первом способе защита осуществляется по схеме 1:1. Для каждого рабочего волокна (и обслужива­ющего его порта) назначается резервное волокно. Во втором способе, называемом 1:n, для защиты n волокон назначается только одно защитное волокно.

В схеме защиты 1:1 данные передаются как по рабочему, так и по резервному волокну. При выявлении ошибок принимающий мультиплексор сообщает переда­ющему, какое волокно должно быть рабочим. Обычно при защите 1:1 используется схема двух колец, похожая на двойные кольца FDDI, но только с одно­временной передачей данных в противоположных направлениях. При обрыве ка­беля между двумя мультиплексорами происходит сворачивание колец, и, как и в сетях FDDI, из двух колец образуется одно рабочее.

Применение схемы резервирования 1:1 не обязательно требует кольцевого со­единения мультиплексоров, можно применять эту схему и при радиальном под­ключении устройств, но кольцевые структуры решают проблемы отказоустойчивости эффективнее — если в сети нет колец, радиальная схема не сможет ничего сделать при обрыве кабеля между устройствами.

Управление, конфигурирование и администрирование сети SONET/SDH также встроено в протоколы. Служебная информация протокола позволяет централизо­ванно и дистанционно конфигурировать пути между конечными пользователями сети, изменять режим коммутации потоков в кросс-коннекторах, а также собирать подробную статистику о работе сети. Существуют мощные системы управления сетями SDH, позволяющие прокладывать новые каналы простым перемещением мыши по графической схеме сети.