Сеть ATM - Физический уровень

Материал из Национальной библиотеки им. Н. Э. Баумана
Последнее изменение этой страницы: 23:05, 26 января 2015.
Данная статья была согласована с её автором Р.А. Бельферым 28 апреля 2012 года.

__NUMBEREDHEADINGS__

Физический уровень ATM

Как показано на рис. 1 физический уровень АТМ состоит из двух подуровней: подуровня конвергенции TC (Transmission Convergence) и подуровня физической передающей среды PM (Physical Medium).

Подуровень физического уровня АТМ «Конвергенция передачи»

Для исходящей передачи подуровень конвергенции ТС (Transmission Capabilities) принимает ячейки от уровня АТМ, формирует их в поток данных и передает его подуровню физического носителя. Из 53 байт ячейки 48 байт являются информационными, а 5 байт включают данные заголовка ячейки. В состав заголовка включены поля логических номеров виртуальных каналов. Последний байт заголовка служит контрольно-проверочной комбинацией КПК остальной части заголовка ячейки. Этот КПК циклического кода (полином ), которые обычно применяются в АТМ, позволяет исправлять одиночные ошибки, обнаруживать все двойные ошибки и большинство ошибок большей кратности. В оптоволоконных системах связи одиночные ошибки составляют более 95%. В следующих главах будет подробно рассматриваться исправляющая способность кодов. При приеме ячейки от уровня АТМ подуровень ТС формирует этот байт КПК. Поле КПК в АТМ называется контролем ошибок в заголовке НЕС (Header Error Check). При приеме ячеек с канала подуровень ТС проверяет значение НЕС, чтобы убедиться в корректности принятой ячейки. Ячейки АТМ сбрасываются при невозможности исправить ошибки в заголовке. НЕС выполняет функцию предотвращения неправильной маршрутизации ячейки.

Подуровень ТС выполняет также функцию синхронизации ячеек, т.е. определение границы ячейки. Эта процедура основана на проверке соответствия НЕС остальным четырем байтам заголовка. В отсутствии пользовательского трафика в канал передаются пустые ячейки, а не флаги 01111110 как в случае FR и Х.25. Такой кадр-асинхронный режим передачи и является причиной названия АТМ (Asynchronous Transfer Mode) асинхронным методом передачи.

Подуровень физической передающей среды ATM на базе РDН

Подуровень физической передающей среды РМ (Physical Medium) выполняет функцию скремблирования, а также отвечает за передачу и прием скоростей электрического и оптического сигнала. Напомним, что под скремблированием понимается процедура перемешивания потока данных с целью улучшения поимпульсной синхронизации, т.е. определения середины каждого принимающего бита. Кроме синхронизации скремблирование служит также в некоторой степени защитой от прослушивания трафика. Используются две стандартизированные ITU-T технологии транспортных средств первичной сети связи для передачи ячеек АТМ: синхронная цифровая иерархия SDH (Synchronous Digital Hierarchy) и плезиохронная цифровая иерархия PDH (Plesiochronous Digital Hierarchy). Параметры этих систем рассмотрены в рекомендациях ITU-T серии G.7хх. Система передачи синхронной оптической сети SONET (Synchronous Optical Network), используемая в США, по своим принципам мало отличается от системы SDH, принятой в Европе. Иерархия строится на основе основного цифрового канала (ОЦК) 64 кбит/с. На рис. 2 показан формат размещения ячеек АТМ в кадре иерархического уровня скоростей Е3 (см. глава 3, таблица 1).

Рис. 2. Размещение ATM-ячеек в кадре иерархического уровня скоростей E3 с использованием протокола PLCP

Такое преобразование выполняет протокол PLCP (Physical Layer Convergence Protocol). Передача кадра занимает 125 мкс для полезной нагрузки данных в Е3. Концевик кадра состоит из 18-20 байтов и содержит информацию для синхронизации с кадром Е3.

Примечание: СИ – служебная информация

Недостатки PDH

Технология плезиохронной цифровой иерархии PDH (глава 3) обладает недостатками, основным из которых является сложность и неэффективность операций мультиплексирования и демультиплексирования пользовательских данных[1]. Сам термин «плезиохронный», то есть «почти синхронный», используемый для этой технологии, говорит о причине такого явления — отсутствии полной синхронности потоков данных при объединении низкоскоростных каналов в высокоскоростные. Асинхронный подход к передаче кадров потребовал в PDH производить вставку бита или нескольких битов для синхронизации между кадрами. В результате для извлечения пользовательских данных из объединенного канала необходимо полностью демультиплексировать кадры объединенного канала. Например, чтобы получить данные одного абонентского канала 64 Кбит/с из кадров канала Е3 необходимо произвести демультиплексирование этих кадров до уровня кадров Е2, затем — до уровня кадров Е1, а в конце концов демультиплексировать и сами кадры Е1. Если PDH используется в сети только в качестве транзитной магистрали между крупными узлами, то операции мультиплексирования и демультиплексирования выполняются исключительно в конечных узлах, и проблем не возникает. Но если необходимо выделить один или несколько абонентских каналов в промежуточном узле сети PDH, то эта задача простого решения не имеет. Как вариант предлагается установка двух мультиплексоров уровня ЕЗ и выше в каждом узле сети. Первый выполняет полное демультиплексирование потока и отвод части низкоскоростных каналов абонентам, а второй опять собирает в выходной высокоскоростной поток оставшиеся каналы вместе с вновь вводимыми. При этом количество работающего оборудования увеличивается.

Еще одним недостатком технологии PDH является отсутствие встроенных средств сетевого управления. Современные сети связи требуют организации комплексного сетевого управления, которое включало бы решение как задач автоматизации технической эксплуатации систем связи, так и задач управления услугами, контроля качества услуг и др. Для решения поставленной задачи ITU-T предлагает использовать концепцию TMN (Telecommunications Management Network, сеть управления электросвязью)[2]. TMN есть специализированная сеть обеспечивающая управление сетями электросвязи и их услугами путем организации взаимосвязи с компонентами различных сетей электросвязи на основе единых интерфейсов и протоколов, стандартизированных ITU-T. В настоящее время в большей части зарубежных сетей связи достаточно полно реализовано управление устройствами и элементами оборудования связи.

Отметим еще один недостаток технологии PDH. Это относится к слишком низким по современным понятиям скоростям передачи данных. Волоконно – оптические кабели позволяют передавать данные со скоростями до нескольких терабит в секунду, что обеспечивает объединение в одном кабеле тысячи и миллионы пользовательских каналов, но эту возможность технология PDH не реализует - ее иерархия скоростей заканчивается уровнем Е4 со скоростью 139,264 Мбит/с.

Подуровень физической передающей среды ATM на базе SDH

Указанные выше недостатки PDH были учтены и преодолены разработчиками технологий SDH (Synchronous Digital Hierarchy, синхронная цифровая иерархия, которой в Америке соответствует стандарт SONET). SDH так же, как и PDH использует временное мультиплексирование (TDM) и передают данные в цифровой форме. PDH и SDH поддерживают иерархию скоростей так, что пользователь может выбрать подходящую ему скорость для каналов, с помощью которых он будет строить вторичную (наложенную сеть). SDH и SONET совместимы и могут мультиплексировать входные потоки любого стандарта – и американского и европейского. Технология SDH обеспечивает более высокие скорости, чем PDH, так что при построении крупной первичной сети магистраль строится на технологии SDH, а сеть доступа – на технологии PDH.

Иерархия скоростей

Иерархия скоростей (уровней иерархии) SDH/SONET представлены в таблице 1.

Таблица 1. Иерархия скоростей SDH/SONET
SDH – уровни (кадры)
SONET – уровни (кадры)
Скорость
STS-1, OC-1 51,84 Мбит/с
STM-1 STS-3, OC-3 155,520 Мбит/с
STM-3 OC-9 466,560 Мбит/
STM-4 OC-12 622,080 Мбит/с
STM-6 OC-18 933,120 Мбит/с
STM-8 OC-24 1,244 Гбит/с
STM-12 OC-36 1,866 Гбит/с
STM-16 OC-48 2,488 Гбит/с
STM-64 ОС-192 9,953 Гбит /с
STM-256 OC-768 39,81 Гбит/с

В стандарте SDH все уровни скоростей (и, соответственно, форматы этих уровней) имеют общее название STM-N (Synchronous Transport Module level N — синхронный транспортный модуль уровня N). В технологии SONET существует два обозначения для уровней скоростей: STS-N (Synchronous Transport Signal level N — синхронный транспортный сигнал уровня N), употребляемое в случае передачи данных электрическим сигналом, и OC-N (Optical Carrier level N — оптоволоконная линия связи уровня N), употребляемое в случае пере¬дачи данных по волоконно-оптическому кабелю. Кадры STM-N имеют достаточно сложную структуру, позволяющую агрегировать в общий магистральный порт потоки SDH и PDH порты различных скоростей, а также выполнять операции ввода-вывода без полного демультиплексирования магистрального потока. На рис. 3. приведена упрощенная схема мультиплексирования данных в SDH. Возможно несколько вариантов формирования SDH уровня N=1 (т.е. STM-1) из цифровых потоков E1, E3, E4 иерархии РDН. Рассмотрим процесс вложения в кадр STM-1 63 потока данных E1. На интервале 125 мкс поток данных Е1 в 32 байта размещается в контейнере размером 34 байта, получившем название С-12. Увеличение размера контейнера вызвано необходимостью реализации принципа «динамического плавания» полезной нагрузки внутри контейнера. К контейнеру С-12 добавляется один байт заголовка тракта РОН (Path Overhead). В результате формируется виртуальный контейнер VC-12 (Virtual Container) размером 35 байт. В заголовке тракта VC-12 РОН контейнера размещается статистическая информация о процессе прохождения контейнера вдоль пути от его начала до конечной точки: сообщения об ошибках, а также другие служебные данные, например индикатор установления соединения между конечными точками. Виртуальные контейнеры являются единицей коммутации мультиплексоров SDH. В каждом мультиплексоре существует таблица соединений (называемая также таблицей кросс-соединений), в которой указано, например, что контейнер ввода в мультиплексор VC-12 порта Р1 соединен с контейнером VC-12 порта мультиплексированной магистрали Р5, а контейнер VC-3 порта Р8 – с контейнером VC-3 порта Р9. Таблицу соединений формирует администратор сети с помощью системы управления или управляющего терминала на каждом мультиплексоре так, чтобы обеспечить сквозной путь между конечными точками сети, к которым подключено пользовательское оборудование.

Рис. 3. Схема мультиплексирования потоков данных Е1, Е3 и Е4

Для совмещения в рамках одной сети механизмов синхронной передачи кадров (STM-N) с асинхронным характером переносимых этими кадрами пользовательских данных РDH в технологии SDH применяются указатели. Концепция указателей – ключевая в технологии SDH, она заменяет принятое в РDH выравнивание скоростей асинхронных источников посредством дополнительных битов. Указатель определяет текущее положение виртуального контейнера в агрегированной структуре более высокого уровня – трибутарном блоке TU (Tributary Unit) или административном блоке AU (Administrative Unit). Собственно, основное отличие этих блоков от виртуального контейнера заключается в наличии дополнительного поля указателя. Именно благодаря системе указателей мультиплексор находит положение пользовательских данных в синхронном потоке байтов кадров STM-N и извлекает их оттуда, чего механизм мультиплексирования, применяемый в РDH, делать не позволяет. Добавление указателя длиной в один байт к виртуальному контейнеру VC-12 превращает его в трибутарный блок TU (Tributary Unit) TU-12 длиной 36 байт. Трибутарные блоки объединены в группы, а те, в свою очередь, входят в административные блоки. Группа из N административных блоков AUG (Administrative Unit Group) и образует полезную нагрузку кадра STM-N. Помимо этого в кадре имеется заголовок с общей для всех блоков AU служебной информацией. На каждом шаге преобразования к предыдущим данным добавляется несколько служебных байтов: они помогают распознать структуру блока или группы блоков и затем определить с помощью указателей начало пользовательских данных. Три трибутарных блока TU-12 объединяются в группу TUG-2. Далее, как видно из рис. 3 формируются из каждых 7 групп TUG-2 три группы TUG-3, к каждой из которых добавляется 29 байт, состоящие из поля индикации нулевого указателя NPI (Null Pointer Indicator) и пустых байтов. Значение поля NPI равное нулю означает отсутствие контейнеров VC-3. В результате получается контейнер С-4. после добавления к нему заголовка тракта РОН, состоящего из 9 байт, получаем виртуальный контейнер VC-4. Заголовок тракта в VC-4 позволяет контролировать соединение «из конца в конец». Приведем назначение некоторых байт заголовка тракта РОН VC-4:

  1. байт, используемый в точке назначения VC-4 для подтверждения установления связи с передатчиком;
  2. байт проверки четности;
  3. байт состояния тракта, вызываемый от терминальной к исходной точке формирования тракта;
  4. байт, задействованный пользователем тракта для организации канала связи.

Размещение полезной нагрузки в кадре STM-1 задается указателем. VC-4 вместе с указателем называется административным модулем AU-4. На рис. 3 приведена упрощенная схема мультиплексирования по сравнения с приведенной в рекомендации ITU-T G.707 (включены только уровни иерархии европейского РDH (Е1, Е3, Е4)). Знак хN около стрелок означает число мультиплексированных TU и TUG. Выше был приведен пример реализации кадра STM-1 из 63 потоков Е1. Схема мультиплексирования SDH предоставляет разнообразные возможности по объединению пользовательских потоков РDH:

  • 1 поток Е3 и 42 потока Е1;
  • 1 поток Е4

и др.

Типы оборудования SDH

Основным элементом сети SDH является мультиплексор (рис. 4). Обычно он оснащен некоторым количеством портов PDH и SDH: например, портами PDH Е1 на 2,048 и Е3 на 34,368 Мбит/с и портами SDH STM-1 на 155,520 Мбит/с и STM 4 на 622,080 Мбит/с. Порты мультиплексора SDH делятся на агрегатные и трибутарные. Трибутарные порты часто называют также портами ввода-вывода, а агрегатные -линейными портами. Эта терминология отражает типовые топологии сетей SDH, где имеется ярко выраженная магистраль в виде цепи или кольца, по которой передаются потоки данных, поступающие от пользователей сети через порты вво¬да-вывода (трибутарные порты), то есть втекающие в агрегированный поток («tributary» дословно означает «приток»).

Рис. 4. Мультиплексор SDH

Мультиплексоры SDH обычно разделяют на два типа, разница между которыми определяется положением мультиплексора в сети SDH. Терминальный мультиплексор TM (Terminal Multiplexer) завершает агрегатные каналы, мультиплексируя в них большое количество трибутарных каналов (рис. 5), поэтому он оснащен не менее, чем одним агрегатным портом и большим числом трибутарных портов.

Мультиплексор ввода-вывода (Add-Drop Multiplexer, ADM) занимает промежуточное положение на магистрали (в кольце, цепи или смешанной топологии). Он имеет два агрегатных порта, транзитом передавая агрегатный поток данных. С помощью небольшого количества трибутарных портов такой мультиплексор вводит в агрегатный поток или выводит из агрегатного потока данные трибутарных каналов. Помимо мультиплексоров в состав сети SDH могут входить регенераторы сигналов, необходимые для преодоления ограничений по расстоянию между муль¬типлексорами. Эти ограничения зависят от мощности оптических передатчиков, чувствительности приемников и затухания волоконно-оптического кабеля. Реге¬нератор преобразует оптический сигнал в электрический и обратно, при этом восстанавливается форма сигнала и его временные характеристики.

Рис. 5. Типы мультиплексоров SDH

Стек протоколов SDH

Стек протоколов SDH состоит из протоколов 4-х уровней. Эти уровни никак не относятся с уровнями модели OSI, для которой вся сеть SDH представляет coбой оборудование физического уровня.

  • Фотонный уровень имеет дело с кодированием битов информации путем модуляции света.
  • Уровень секции поддерживает физическую целостность сети. Регенератор¬ной секцией в технологии SDH называется каждый непрерывный отрезок волоконно-оптического кабеля, который соединяет между собой такие, на¬пример, пары устройств SONET/SDH, как мультиплексор и регенератор, регенератор и регенератор, но не два мультиплексора. Компоненты регенераторной секции поддерживают протокол, который имеет дело с определенной частью заголовка кадра, называемой заголовком регенераторной секции RSOH (Re¬generator Section OverHead), на основе служебной информации может проводить тестирование секции и выполнять операции административного контроля.
  • Уровень линии отвечает за передачу данных по линии между двумя мульти-плексорами сети, поэтому линию также часто называют мультиплексной сек¬цией. Протокол этого уровня работает с кадрами уровней STS-N для выполнения различных операций мультиплексирования и демультиплексирования, а также вставки и удаления пользовательских данных. Протокол линии также ответственен за реконфигурирование линии в случае отказа какого-либо ее элемента — оптического волокна, порта или соседнего мультиплексора. Слу¬жебная информация мультиплексной секции располагается в части заголовка кадра, называемой заголовком мультиплексной секции MSOH (Multiplex Section OverHead).
  • Уровень тракта отвечает за доставку данных между двумя конечными пользователями сети. Тракт — это составное виртуальное соединение между пользователями. Протокол тракта должен принять данные, поступающие в пользова¬тельском формате, например формате E1 и преобразовать их в синхронные кадры STM-N.

На рис. 6 показано распределение протоколов SDH по типам оборудования SDH.

Рис. 6. Стек протоколов технологии SDH

Структура кадра STM

Основные элементы кадра STM-1 показаны на рис. 7, а в табл. 2 приведена структура заголовков регенераторной (RSOH) и мультиплексной (MSOH) секций. Кадр обычно представляют в виде матрицы, состоящей из 270 столбцов и 9 строк. Первые 9 байт каждой строки отводятся под служебные данные заголовков, последующие 260 байт отводятся под полезную нагрузку (данные таких структур, как AUG, AU, TUG, TU и VC), а один байт каждой строки отводится под заголовок тракта, что позволяет контролировать соединение из «конца в конец». Содержание байт заголовка тракта POH VC-4 приведено в предыдущем подразделе.

Рис. 7. Структура кадра STM -1
Таблица 2. Состав заголовка регенераторной и мультиплексной секций
Заголовок регенераторной секции RSOH
Заголовок мультиплексной секции MSOH
Синхробайты Байты контроля ошибок для мультиплексной секции
Байты контроля ошибок для регенераторной секции 9 байт канала передачи данных, 576 Кбит/с
Один байт служебного аудиоканала,64 кбит/с Два байта, обеспечивающие переключение на резерв, индикацию аварийного состояния или отказ удаленного оборудования
Три байта канала передачи данных,192 Кбит/с Байт передачи сообщений статуса системы синхронизации
Байты, зарезервированные для национальных операторов связи Остальные байты MSOH зарезервированы для национальных операторов связи

Указатель административного блока (AU-указатель) используется для указания полезной нагрузки. Полезная нагрузка может располагаться не с первой строки кадра, а после указателя и с того места (адреса), которое задаётся указателем (pointer). В действительности полезная нагрузка располагается не в одном кадре, а частично в следующем. Полезная нагрузка может смещаться в структуре кадра под действием временных флюктуаций, а указатель всегда содержит адрес начала полезной нагрузки. Для устранения последствий рассинхронизации переданного и принятого кадров STM-1 используют положительное и отрицательное выравнивание, позволяющие полезной нагрузке динамически перемещаться внутри кадра. Для этого 10-12 байты указателя можно использовать как неинформационные при положительном выравнивании. При отрицательном выравнивании 7-9 байты указателя используются как информационные. Ячейки АТМ находятся в фиксированных позициях кадра. Для этого указатели в виртуальных контейнерах отмечают границы ячеек.

Топологии связей в SDH

В сетях SDH применяются различные топологии связей. Наиболее часто используются кольца и линейные цепи мультиплексоров, также находит все большее применение ячеистая топология, близкая к полносвязной.

Кольцо SDH строится из мультиплексоров ввода-вывода, имеющих, по крайней мере, по два агрегатных порта (рис. 8, а). Пользовательские потоки вводятся в кольцо и выводятся из кольца через трибутарные порты, образуя двухточечные соединения (на рисунке показаны в качестве примера два таких соединения). Кольцо является классической регулярной топологией, обладающей потенциальной отказоустойчивостью — при однократном обрыве кабеля или выходе из строя мультиплексора соединение сохранится, если его направить по кольцу в противоположном направлении. Кольцо обычно строится на основе кабеля с двумя оптическими волокнами, но иногда для повышения надежности и пропускной способности применяют четыре волокна.

Цепь (рис. 8, б) - это линейная последовательность мультиплексоров, из которых два оконечных играют роль терминальных мультиплексоров, остальные - мультиплексоров ввода-вывода. Обычно сеть с топологией цепи применяется в тех случаях, когда узлы имеют соответствующее географическое расположение, например вдоль магистрали железной дороги или трубопровода. Правда, в таких случаях может применяться и плоское кольцо (рис. 8, в), обеспечивающее более высокий уровень отказоустойчивости за счет двух дополнительных волокон в магистральном кабеле и по одному дополнительному агрегатному порту у терминальных мультиплексоров. Эти базовые топологии могут комбинироваться при построении сложной и разветвленной сети SDH, образуя участки с радиально-кольцевой топологией, соединениями «кольцо-кольцо» и т.п. Наиболее общим случаем является ячеистая топология (рис. 8, г), при которой мультиплексоры соединяются друг с другом большим количеством связей, за счет чего сеть может достичь очень высокой степени производительности и надежности.

Рис. 8. Типовые топологии связей в SDH

Примечания

  1. Слепов Н.Н. Синхронные цифровые сети SDH. М.: «ЭКО-ТРЕНДЗ», 1999. 148с.
  2. Гребенщиков А.Ю. Структура и технологии управления сетями связи. – М.: ЭКО-ТРЕНДЗ, 2003. 243с.