8. Основы и принципы построения транспортных сетей SDH

8.1. Предпосылки создания транспортных сетей

В XXI в. мировое сообщество вступило в новую эру своего развития, названную глобальным информационным обществом (ГИО). Отличительной чертой ГИО является то, что в нем знания и информация приобретают роль внешних производственных факторов, становятся материальной основой существования общества.

Формируются целые отрасли, специализирующиеся на использовании высоких технологий, к которым в первую очередь относятся производство "информационных продуктов" (в том числе программных) и эффективное их распределение в среде инфокоммуникаций.

Другой характерной особенностью ГИО является колоссальный рост объема телекоммуникационных услуг. Так, оборот услуг только по телефонным абонентам, теле- и радиослушателям составляет свыше 800 млрд. долларов в год, а вместе с рынком инфокоммуникационных услуг (Интернет, локальные компьютерные сети, сети подвижной связи и т.д.) достиг 1,5 трлн. долларов и продолжает расширяться. В мировой телекоммуникационной сети ежегодно устанавливается телекоммуникационное оборудование на сумму 200 млрд. долларов.

По существу мировое сообщество сейчас переживает третью революцию. Если в первой - сельскохозяйственной - главным действующим лицом был землевладелец и главным ресурсом - земля, во второй - индустриальной - собственник капитала и главным ресурсом - капитал, то в третьей - информационной - господствующей социальной группой становится собственник информации, а главным ресурсом - знания, информация.

Для эффективной передачи и распределения всех упомянутых выше видов информации в структуре ГИО создана и непрерывно развивается Всемирная сеть связи (World wide communication network), представляющая из себя совокупность всех взаимосвязанных национальных сетей связи на земном шаре. Технической же основой любой современной сети связи являются информационные транспортные сети, предназначенные для высококачественной и безаварийной (бесперебойной) передачи (транспортировки) информации в виде стандартных или нормализованных цифровых потоков от производителя к потребителю.

8.1.1. Системы передачи для транспортной сети

Технической основой построения транспортных сетей являются телекоммуникационные системы передачи синхронной цифровой иерархии (Synchronous Digital Hierarchy - SDH). Их внедрение на сетях связи началось в 80-е годы XX в. Принципиальным отличием систем SDH от ранее существовавших цифровых систем передачи считается то, что они не являются "производителями" информации, а предназначены только для высокоэффективной передачи и распределения цифровых потоков формируемых как в традиционных структурах стандартной плезиохронной цифровой иерархии (Plesio-chronous Digital Hierarchy - PDH), так и в новых телекоммуникационных технологиях - ATM, B-ISDN и т.д. Все указанные выше цифровые потоки "транспортируются" в системах SDH в виде информационных структур, названных виртуальными контейнерами (Virtual Container -VC). В структурах VC по транспортной сети переносится исходная цифровая информация, дополненная определенным количеством служебных информационных каналов, названных трактовыми заголовками (Path Overheard - РОН). В общем случае дополнительные каналы, предназначены для эффективного управления транспортной сетью и выполняют функции передачи оперативной, административной и обслуживающей информации (Operation, Administration, Maintenance, ОАМ). Это обеспечивает высокие функциональные возможности и высокую надежность сети связи.

Группы однотипных или разнотипных виртуальных контейнеров VC передаются между элементами транспортной сети (от отправителя информации к получателю) по линиям передачи в виде информационных структур, называемых синхронными транспортными модулями (Synchronous Transport Module - STM). "Транспортирование" STM осуществляется с разными скоростями передачи соответствующим различным порядком STM-1,4, 16, 64. STM-N оснащаются соответствующими заголовками, обеспечивающими передачу STM с полной функцией ОАМ в пределах регенерационной секции (Regeneration Section ОН - RSOH) и мультиплексорной секции (Multiplex Section ОН - MSOH). Упрощенная функциональная схема системы передачи SDH, которая является основным структурным звеном транспортной сети, приведена на рисунке 8.1.

На рисунке приведены два вида секций, которые называются "Регенерационная секция" и "Мультиплексорная секция".

"Регенерационная секция" представляет собой сегмент системы передачи между оконечным оборудованием сетевого элемента, в котором сигнал STM-N передается или принимается и регенератором, или между двумя смежными регенераторами.

"Мультиплексорная секция" - это средство передачи информации между двумя сетевыми элементами, в одном из которых формируется (собирается) сигнал STM-N, а в другом "разбирается" до компонентных потоков. В общем случае транспортная сеть SDH состоит из мультиплексорных секций, для которых уровень SDH-сигнала может быть разным в зависимости от требуемой емкости канала передачи для каждой секции.

"Тракт" - означает логическое соединение между точкой системы передач SDH, в которой производится "сборка" виртуального контейнера VC (например, из компонентных потоков PDH) и точкой, в которой VC "разбирается". Тракт можно представить себе как трубку, проложенную через мультиплексорные секции, непосредственно соединяющую две точки, между которыми осуществляется передача информации. Для "транспортировки" различных объемов цифровой информации разработаны виртуальные контейнеры различного типа. Для европейских потоков PDH таковыми являются:

VC низшего порядка (Low order VC, LOVC)

VC-12 для "транспортировки" E1 = 2048 Кбит/с (2 М)

VC-22 для "транспортировки" Е2 = 8448 Кбит/с (8 М)

VC высшего порядка (High order VC, HOVC)

VC-3 для "транспортировки" ЕЗ = 34368 Кбит/с (34 М)

VC-4 для "транспортировки" Е4 = 139264 Кбит/с (140 М)

В зависимости от "емкости" виртуального контейнера различают тракты VC-12, VC-22 (низшего порядка) и тракты виртуальных контейнеров VC-3, VC-4 (высшего порядка).

Виртуальный контейнер является элементарной единицей обрабатываемой информации в транспортной системе SDH при мультиплексировании, перекрестных соединениях (кросс-коннекция) и т.д. При этом нет необходимости доступа к "транспортируемой" информации, так как различная информация представлена в одном и том же виде, который именуется виртуальными контейнерами (в то же время к VC добавляется информация, необходимая для его обработки в пути следования).

Как указывалось выше, виртуальные контейнеры передаются между элементами транспортной сети в виде STM различного порядка. Основной (первичной) структурой для получения потоков STM является STM-1 с нормализованной скоростью передачи 155,52 Мбит/с. При этом, в зависимости от потребности сети, в цифровом потоке STM-1 возможна передача виртуальных контейнеров различного типа и в различных сочетаниях:

STM 2 M 34 M
STM - 1 63 -
STM - 1 - 3
STM - 1 42 1
STM - 1 21 2

STM более высокого порядка могут быть получены из цифрового потока STM-1 простым синхронным мультиплексированием согласно рекомендации G.707 сектора телекоммуникаций Международного Союза электросвязи (МСЭ-Т):

STM - 1 155,52 Мбит/с
v x 4
STM - 4 622,08 Мбит/с
v x 4
STM - 16 2488,32 Мбит/с
v x 4
STM - 64 9953,28 Мбит/с

Причем мультиплексирование, начиная с STM-4, осуществляется в оптическом диапазоне.

Информационные структуры STM-N передаются между элементами транспортной сети по линиям передачи, организованным по волоконно-оптическим кабелям связи, спутниковым линиям или по цифровым радиорелейным линиям (учитывая особенности мультиплексирования, по ЦРРЛ можно передавать в электрическом виде только цифровой поток STМ-1).

Характерной особенностью транспортных систем передачи SDH, показанных на рисунке 8.1, является высокая степень резервирования, как линейных трактов, так и основных узлов мультиплексорного оборудования. Так, линии передачи между элементами сети обычно полностью резервируются (рисунок 8.1), что позволяет избежать потерь огромных потоков информации при авариях (например, даже в первичном потоке STM-1 может передаваться трафик 1920 каналов ТЧ в режиме "транспортирования" потока 140 М).

Пример построения фрагмента транспортной сети с использованием систем передачи SDH приведен на рисунке 8.2. Как видно из рисунка, транспортная сеть предназначена для передачи любых информационных сообщений в цифровом виде. По своей сути транспортная сеть - это совокупность узлов коммутации, пунктов ввода отдельных цифровых потоков, линий передачи с регенераторами и мультиплексорами. Во всех узлах транспортной сети возможно переключение трактов для вывода и ввода информационных потоков. Кроме того, в узлах сети тракты могут переключаться в случае повреждений на линии передачи или в оборудовании.

8.1.2. Модели транспортных сетей

Принципы построения транспортных сетей определены сектором телекоммуникаций Международного Союза Электросвязи (МСЭ-Т) в серии рекомендаций:

  • G.803 - транспортная сеть SDH;
  • G.805 - общая функциональная архитектура транспортных сетей;
  • I.326 - функциональная архитектура транспортной сети на основе ATM;
  • G.872 - оптическая транспортная сеть.

В этих рекомендациях предложено рассматривать транспортные сети в виде многоуровневых моделей (рисунок 8.3). Каждый уровень обычно представлен отдельной службой электросвязи, предоставляющей услуги другой службе, расположенной выше.

В структурах моделей определены функциональные уровни: физический, трактов и каналов.

Физический уровень. Данный уровень образован средой передачи сигналов (волоконно-оптической линией, медной линией, радиолинией) и секциями - участками, где происходит регенерация (ретрансляция) сигналов и мультиплексирование (объединение и разделение) различных сигналов. Благодаря наличию секции регенерации (ретрансляции) удается "очистить" сигнал от искажений и помех. Организация секций мультиплексирования позволяет эффективно использовать физическую среду за счет временного разделения передачи каналов. При этом можно реализовать резервирование любой секции мультиплексирования, если предусмотреть дополнительную физическую цепь, оборудование для передачи сигналов по ней и оборудование автоматического переключения.

Физический уровень оптической транспортной сети имеет свою особенность, которая состоит в том, что все преобразования сигналов (усиление, ретрансляция, объединение и разделение, вывод и ввод) производятся исключительно оптическими средствами. Таким способом достигаются наивысшие скорости передачи информационных данных - от десятков гигабит до десятков терабит в секунду (Тбит/с). В физической среде, представляемой одномодовым стекловолокном, объединяются (мультиплексируются) множество оптических несущих частот (от 2х до 132 и более), каждая из которых модулирована информационным сигналом.

Уровень трактов. Тракты каждой транспортной сети создаются, чтобы обеспечить сквозное прохождение информационных сигналов. Их можно сравнить с маршрутами движения поездов на железной дороге (железнодорожные пути - это физическая среда, а крупные узловые станции подобно мультиплексорам объединяют и разделяют транспортные потоки). По маршрутам железных дорог могут следовать различные поезда и перевозить различные грузы. Аналогично в транспортной телекоммуникационной сети через физические цепи могут передаваться строго циклически цифровые потоки в виде двоичных импульсных последовательностей, сформированных из различных сигналов. Каждому сигналу отведены в циклах временные позиции. Эти позиции могут быть закреплены за соединениями - маршрутами в сети. В сети SDH маршруты прописываются в заголовках циклически передаваемых данных под названием виртуальные контейнеры (VC-12, VC-3, VC-4). При этом виртуальные контейнеры VC-12 могут быть объединены в блоки данных и помещены в виртуальные контейнеры VC-3, VC-4, имеющие большую емкость, но отправляемые также циклически, как VC-12. Это совмещение данных VC-12 и VC-3, VC-4 можно сравнить с размещением железнодорожных контейнеров на специальных платформах, которые перемещаются по железной дороге от станции формирования состава до станции его расформирования.

Тракты в сети ATM отличаются от трактов сети SDH тем, что они образуются только при наличии информационного сообщения, а в его отсутствии физические ресурсы транспортной сети отдаются для передачи других сигналов. Сравните, на место ожидавшего пассажира в пассажирском вагоне поезда может быть посажен на любой станции пассажир, следующий своим маршрутом. По этой причине путь следования данных в сети ATM называют виртуальным. Он прописывается в специальных таблицах коммутатором ATM и ячейках, переносящих информационные сообщения. По данным таблиц считываются заголовки ячеек ATM для каждого участка сети, и происходит маршрутизация групповых информационных потоков.

Маршруты в оптической транспортной сети определяются номиналами несущих частот оптического диапазона. При этом частота может быть одной и той же или изменяться на разных участках сети, однако маршрут следования информационных данных сохраняется.

Уровень каналов. Для любой из рассмотренных моделей транспортных сетей этот уровень выполняет функции интерфейса с вторичными сетями (коммутаторами телефонных, широкополосных, компьютерных сетей и т.д.). Как правило, на уровне каналов создаются типовые электрические и оптические интерфейсы. Примеры этих каналов: E1 для скорости передачи 2,048 Мбит/с; Е2 для скорости передачи 8,448 Мбит/с; ЕЗ для скорости передачи 34,368 Мбит/с; Е4 для скорости передачи 139,264 Мбит/с; STM-1 для скорости передачи 155,520 Мбит/с.

Транспортные сети, построенные в соответствии с различными моделями, совместимы между собой на уровнях каналов или трактов.

8.1.3. Элементы транспортной сети

В качестве элементов в транспортных сетях принято рассматривать следующие устройства: терминальные мультиплексоры; мультиплексоры вывода/ввода; кроссовые коммутаторы; регенераторы. На рисунках 8.4 – 8.6 показаны фрагменты транспортной сети, приведенной на рис. 8.2, с пояснением функций указанных элементов на примере передачи цифровых компонентных сигналов 2М в транспортном потоке STM-1.

Терминальный мультиплексор (Terminal Multiplexer - ТМ). Представляет собой оконечное устройство сети с определенным числом каналов доступа (электрических и оптических) и одним или двумя оптическими входами/выходами, называемыми агрегатными портами или интерфейсами. При использовании двух агрегатных портов возможна реализация защиты линейных сигналов от повреждений линии или аппаратуры. В случае аварии происходит автоматическое переключение на резервную линию. Обычно эта линия образует секцию мультиплексирования. Защита будет наиболее эффективной, если используется два отдельных кабеля, проложенных с пространственным разнесением.

Мультиплексор ввода/вывода (Add/Drop Multiplexer-ADM). Предназначен для добавления и извлечения отдельных цифровых компонентных сигналов 2, 34, 140 Мбит/с или 155 Мбит/с. Мультиплексор имеет два или четыре агрегатных порта, к которым подключаются волоконно-оптические линии связи, и ограниченное число портов компонентных сигналов. В состав ADM входит коммутационный узел, создающий возможность вывода/ввода, транзита и автоматического резервирования поврежденных трактов и секций.

Кроссконнектор (xCross Connects - ХС). Это устройство предназначено для соединения каналов, закрепленных за пользователями, путем организации постоянных или полупостоянных (длительных) перекрестных соединений между ними. Кроссовый коммутатор ХС обычно оснащается агрегатными и компонентными портами и обеспечивает коммутацию каналов различной пропускной способности (от 2 Мбит/с до 155 Мбит/с).

Регенератор (Regenerator) транспортной сети обеспечивает восстановление формы и длительности импульсных посылок.

Необходимо отметить, что рассмотренные элементы обеспечивают функционирование любой из моделей транспортных сетей. Подчеркнем здесь лишь особенности элементов оптической сети. Для ретрансляции сигналов в линии оптической сети используются оптические усилители. Выделение, ввод и кроссовую коммутацию сигналов выполняют оптические мультиплексоры без использования электронных преобразований сигналов, с волновым мультиплексированием (Wavelength Division Multiplexing - WDM).

Мультиплексоры WDM в настоящее время разделяют по числу каналов и шагу частотного плана на три типа:

  • обычные WDM;
  • плотные WDM (DWDM);
  • высокоплотные WDM - HDWDM (High Dense Wavelength Division Multiplexing).

При этом в соответствии с канальным или частотным планом принята следующая классификация систем WDM.

Система Частотный интервал, ГГц, не более. Число каналов
WDM 200 <16
DWDM 100 <64
HDWDM 50 >64

В этой классификации число каналов для каждого класса систем WDM достаточно условно, но частотный интервал между каналами имеет существенное значение. Для высокоплотных систем WDM (HDWDM) он может достигать в некоторых случаях и 25 ГГц. С практической точки зрения очень важно знать взаимосвязь допустимого частотного интервала Δυдоп, числа каналов N, допустимого интервала по длине волны Δλдоп для разных уровней каналов SDH с учетом допустимого частотного интервала между оптическими несущими υн.

Сравнение систем WDM различных производителей показывает, что практически все они имеют примерно сходные качественные характеристики и одинаковую конфигурацию, строятся по однотипной структурной схеме. Наблюдается общая тенденция наращивания числа каналов при одновременном повышении скорости передачи в каждом из них. Следует заметить, что возможности технологий WDM таковы, что весь сегодняшний мировой телефонный трафик можно передать по одной паре волокон.

8.1.4. Общие требования к транспортным сетям

Главным требованием, предъявляемым к транспортным сетям, является выполнение сетью основной функции - обеспечения пользователям возможности доступа ко всем разделяемым ресурсам сети. Все остальные требования - производительность (скорости передачи), надежность, совместимость, управляемость, защищенность, расширяемость и масштабируемость – связаны с качеством обслуживания конечных пользователей сети. Основные информационно-технические характеристики цифровых первичных сетей (ЦПС), которые существенно определяют ее возможности по предоставлению гарантированного качества обслуживания пользователей сети и возможности сети в целом, следующие:

  • пропускная способность транспортных магистралей или базовые скорости передачи, определяемые уровнем транспортных модулей (STM-N, N = 1, 4, 16...);
  • объем входящего и исходящего трафика в узлах сети;
  • суммарный трафик в трактах и магистралях сети;
  • надежность или коэффициент готовности сети в целом.

К современным ЦПС и корпоративным сетям предъявляют следующие основные требования, обеспечивающие возможность не только гарантировать необходимое качество обслуживания, но и дальнейшее развитие сети:

  • необходимая полоса пропускания;
  • расширяемость и масштабируемость сети;
  • управляемость сети;
  • интеграция различных видов трафика;
  • совместимость оборудования;
  • резервирование трафика, трактов и каналов;
  • наивысшая заданная надежность и готовность.

Большинство требований, сформулированных выше, не нуждается в специальном определении. Остановимся на наиболее существенных из них. Для оценки надежности таких сложных систем, какими являются ЦПС, применяют понятие готовности, или коэффициента готовности. Готовность, или коэффициент готовности, определяется долей времени, в течение которого сеть может быть использована по назначению. Готовность сети может быть повышена путем аппаратного резервирования элементов (узлов) сети, резервирования трафика, трактов и каналов за счет соответствующей организации архитектуры всей сети, ее топологии, управления и синхронизации сети, включая сети доступа к ЦПС. Расширяемость и масштабируемость сети иногда используют как синонимы, но это несколько различные понятия. Расширяемость означает возможность сравнительно легкого (в ограниченных пределах) добавления отдельных элементов сети (пользователей, служб), наращивания сегментов сети доступа и замены существующей аппаратуры более мощной. Масштабируемость означает, что сеть позволяет наращивать количество сетевых узлов и протяженность трактов в очень широких пределах без снижения пропускной способности транспортных магистралей. Для обеспечения хорошей масштабируемости сети приходится применять специальное телекоммуникационное оборудование и определенным образом структурировать топологию сети. Управляемость сети подразумевает возможность централизованно осуществлять конфигурацию, наблюдение, контроль и управление, как каждым сетевым элементом, так и всей сетью в целом, включая управление графиком и планированием развития сети.

8.1.5. Классификация узлов сети

Несмотря на некоторую условность, классификация узлов ЦПС позволяет провести структуризацию транспортной сети, разработать и использовать типовые базовые топологические решения при планировании реальной сети и дальнейшем ее развитии. Классификация узлов транспортной сети может быть проведена на основе определенных признаков, характерных для большинства узлов сети. Наиболее существенными являются: вид применяемого оборудования цифровых систем передачи (ATM, SDH, PDH и т.п.), объем трафика (загрузки) узла, наличие дополнительного сетевого оборудования (системы управления, коммутации, синхронизации, доступа и др.), тип сопряжения узла с другими сегментами сети или вторичными сетями и/или сетями доступа. Классификация узлов транспортной сети, хотя и носит несколько условный характер, может быть весьма полезной при практическом планировании транспортных сетей, и в первую очередь при планировании корпоративных или ведомственных сетей. Обычно в планируемой сети предусматривают, как правило, один или два узла высшей категории и сетевые узлы первой, второй, третьей и четвертой категорий. Узел высшей категории - центральный узел ЦПС обеспечивает передачу транспортных модулей синхронной цифровой иерархии (СЦИ/SDH) высшего уровня STM-N (N=1, 4,16,...), управление сетью или ее сегментами (подсетями) и коммутацию скоростных цифровых потоков различных технологий. Такой узел может включать оборудование ЦСП как ATM, так и SDH и PDH с единой системой или системами управления сетью или сегментами (подсетями) транспортной сети. Таких узлов в сети может быть несколько, например центральный и резервный узел управления ЦПС. Сетевой узел ЦПС первой категории обеспечивает передачу транспортных модулей СЦИ/SDH высшего уровня STM-N (N=l, 4, 16,...) и коммутацию скоростных цифровых потоков в пределах сегмента или между отдельными сегментами транспортной сети. Такой узел может включать оборудование ЦСП как ATM, так и SDH и PDH.

Сетевой узел ЦПС второй категории обеспечивает передачу транспортных модулей СЦИ/SDH высшего уровня STM-N, маршрутизацию транспортных модулей STM-N более низкого уровня и коммутацию скоростных цифровых потоков как в пределах ЦПС, так и между ЦПС и сетями доступа. Такой узел может включать оборудование ЦСП как SDH, так и PDH и другое оборудование доступа к ЦПС. Сетевой узел ЦПС третьей категории обеспечивает передачу транспортных модулей STM-N более низкого уровня, чем узел первого ранга и коммутацию цифровых потоков уровня Е1 (2,048 Мбит/с) между ЦПС и сетями доступа или цифровыми вторичными сетями. Такой узел может включать оборудование ЦСП как ЗОН, так и PDH и другое оборудование доступа к ЦПС.

Сетевой узел ЦПС четвертой категории обеспечивает передачу цифровых потоков уровня Е1 и основного цифрового канала ЕО (64 Кбит/с) между ЦПС и сетями доступа или цифровыми вторичными сетями. Такой узел может включать в оборудование ЦСП PDH и другое оборудование доступа к ЦПС.

Контрольные вопросы

  1. Что является технической основой для любой современной сети связи?
  2. Какое основное требование предъявляется к транспортным сетям?
  3. Какова структура транспортных сетей?
  4. Чем отличаются тракты в сети ATM от трактов сети SDH?
  5. Перечислите основные элементы транспортных сетей.
  6. Каковы функции мультиплексора ввода-вывода?
  7. В чём состоят функции кросс-коннектора?
  8. Что позволяет провести классификацию узлов сети?

8.2. Архитектура построения транспортных сетей SDH

Выбор архитектуры должен производиться на основе соображений, изложенных в п. 8.1.5, и на основе детального технико-экономического обоснования по согласованию с фирмами-поставщиками оборудования и кабеля. Архитектурные решения при проектировании сети SDH могут быть сформированы на базе использования элементарных топологий сети в качестве ее отдельных сегментов. Учитывая возможность самостоятельного использования отдельных элементарных топологий, мы рассмотрим здесь только сети, комбинирующие рассмотренные элементарные топологии. Наиболее часто используется сочетание кольцевой и радиальной (типа "точка-точка") топологий или топологии последовательной линейной цепи.

8.2.1. Архитектура построения цифровой первичной сети

Выбор архитектуры построения транспортной сети основывается на применении типовых архитектурно-топологических решений и их комбинаций для отдельных сегментов сети и сети в целом. Однако определение архитектурных решений при проектировании конкретной сети не сводится только к выбору определенных комбинаций типовых топологических структур (сетевых шаблонов). Понятие архитектуры сети шире и включает в себя три логические составляющие: принципы построения, сетевые шаблоны и технические позиции. Применительно к архитектуре ЦПС основные принципы построения определены выше. Так, постоянно открывающиеся новые возможности оборудования СЦИ/SDH расширяют возможности выбора типовых сетевых шаблонов для ЦПС и позволяют по-новому осуществлять интеграцию различных технологий на базе транспортной сети. Техническая позиция определяет и уточняет параметры выбранной технологии, сетевых элементов, протоколов взаимодействия, предоставляемого сервиса и т.д. Применительно к корпоративной сети ее архитектура может быть описана, например, следующими техническими позициями:

  • Сетевые транспортные протоколы.
  • Маршрутизация в сети.
  • Качество обслуживания.
  • Адресация в сетях передачи данных.
  • Коммутация в локальных сетях.
  • Объединение коммутации и маршрутизации.
  • Организация городской сети.
  • Организация глобальной (магистральной) сети.
  • Службы удаленного доступа (сети доступа).

Разработка технических позиций для конкретной цифровой первичной сети требует глубокого знания базовых сетевых технологий и тщательной проработки схем организации и топологии всех сегментов сети и сети в целом.

При планировании транспортной сети наиболее часто находят применение типовые сетевые шаблоны - радиально-кольцевая топология и топология "кольцо-кольцо" с одинаковым или различными уровнями транспортных модулей как в "кольцах", так и в линейных трактах между отдельными "кольцами". В заключение сформулируем основные правила планирования цифровых первичных сетей связи:

  • Долгосрочное планирование.
  • Выбор среды передачи.
  • Анализ существующего и определение планируемого трафика.
  • Классификация узлов сети и выбор базовых топологий сети.
  • Анализ и определение требований по надежности.
  • Обеспечение заданного уровня надежности в сети.
  • Определение энергетического потенциала линий связи и оборудования ЦСП.
  • Определение стоимости линий связи и оборудования ЦСП.
  • Учет специальных условий и требований заказчика (пользователя) сети.
  • Полная оптимизация сети (с помощью соответствующих программных средств).
  • Деление сети на управляемые части или сегменты.
  • Предусматривается необходимый уровень эксплуатации будущей сети.

Рассмотренные общие вопросы планирования цифровых первичных сетей являются основой при планировании реальных современных сетей связи и, естественно, не исчерпывают всего многообразия проблем, возникающих при разработке и планировании транспортных сетей различного масштаба. Наиболее существенным в планировании современных сетей связи становится интеграция первичной и вторичных сетей в единую мультисервисную сеть на основе интеграции современных сетевых технологий.

8.2.2. Радиально-кольцевая архитектура

Пример радиально-кольцевой архитектуры SDH сети приведен на рисунке 8.7. Эта сеть фактически построена на базе использования двух базовых топологий: "кольцо" и "последовательная линейная цепь". Вместо последней может быть использована более простая топология "точка-точка". Число радиальных ветвей ограничивается из соображений допустимой нагрузки (общего числа каналов доступа) на кольцо.

8.2.3. Архитектура типа "кольцо-кольцо"

Другое часто используемое в архитектуре сетей SDH решение - соединение типа "кольцо-кольцо". Кольца в этом соединении могут быть либо одинакового, либо разного уровней иерархии SDH. На рисунке 8.8 показана схема соединения двух колец одного уровня - STM-4 с помощью интерфейсных карт STM-1, а на рисунке 8.9 - каскадная схема соединения трех колец различного (по нарастающей) уровня - STM-1, STM-4, STM-16. При таком соединении можно использовать необходимые оптические трибы предыдущего иерархического уровня при переходе от кольца одного уровня к другому (например, триб STM-1 при переходе на кольцо STM-4 и триб STM-4 при переходе на кольцо STM-16).

8.2.4. Линейная архитектура для сети большой протяженности

Линейные сети обычно содержат два приёмопередающих оконечных устройства, например мультиплексоры SDH, мультиплексоры ввода/вывода ADM и регенераторы. Пример конфигурации линейной сети приведён на рисунке 8.10.

В приведённом примере реализован принцип защиты линейной сети в режиме 1+1, т.е. для одной рабочей секции мультиплексирования создаётся одна резервная, что обозначает полное гарантированное резервирование всего трафика между терминалами.

Для линейных сетей большой протяженности расстояние между терминальными мультиплексорами ТМ больше или много больше того расстояния, которое может быть рекомендовано с точки зрения максимально допустимого затухания волоконно-оптического кабеля. В этом случае на маршруте (в линейном тракте) между ТМ (рисунок 8.10) должны быть установлены кроме общего проходного коммутатора еще и регенераторы для восстановления (регенерации) затухающего оптического сигнала. Эту линейную архитектуру можно представить в виде последовательного соединения ряда секций.

Принято различать три типа стандартизованных участков - секций: оптическая секция (участок от точки электронно-оптического до точки оптоэлектронного преобразований сигнала), которая, по сути, являются участком волоконно-оптического кабеля между элементами сети SDH, регенераторная секция и мультиплексная секция (рисунок 8.10).

Оптические секции нормируются по длине, при этом выделяют три категории: I - внутристанционная секция, длиной до 2-х км,

S – короткая межстанционная секция, порядка 15 км, и L -длинная межстанционная секция, порядка 40 км (при длине волны 1310 нм) и 80 км (при длине волны 1550 нм). Указанные длины секций используются только для классификации (см. ниже) и не могут рассматриваться как рекомендуемые значения используемых технических параметров. Общая длина маршрута может составлять при этом сотни или же тысячи километров. Маршрут рассматривается как участок тракта между терминальными мультиплексорами, допускающий автоматическое поддержание функционирования сети с номинальной производительностью.

Мультиплексная секция рассматривается как участок тракта между транспортными узлами (мультиплексорами и коммутаторами), допускающий аналогичное автоматическое поддержание функционирования.

Регенераторная секция рассматривается как участок тракта между двумя регенераторами или между регенератором и другим элементом сети SDH. Для аналогичных определений используются опорные точки вход/выход волокна и вход/выход начала/окончания регенераторной секции RST в схеме представления регенераторной секции.

Регенераторная секция обрабатывает RSOH, который содержит синхросигнал, а также управляющую и контрольную информацию, позволяющую локализовать поврежденную секцию. Этот заголовок, будучи сформированным и введенным во фрейм на входе RST, считывается каждым регенератором и выводится из фрейма на выходе RST.

Классификация секций приведена в таблице. Она дает стандартное обозначение секций в зависимости от уровня STM (1, 4, 16) и приведена для указанных трех типов применения: внутри станции (код использования I), между станциями - короткая секция (код использования S), между станциями - длинная секция (код использования L). В общем случае кодировка типов использования линейных регенераторных секций как оборудования SDH включает три элемента и имеет формат:

<код использований> <уровень STM> <индекс источника>

Здесь код использования и уровни STM приведены выше, а индекс источника имеет следующие значения и смысл:

  • 1 или без индекса - указывает на источник с длиной волны 1310 нм;
  • 2 - указывает на источник с длиной волны 1550 нм для волокна, (секции L);
  • 3 - указывает на источник с длиной волны 1550 нм для волокна.

Например, обозначение L-4.3 расшифровывается как длинная межстанционная регенераторная секция линейного оборудования STM-4, использующая источник света с длиной волны 1550 нм.

Классификация стандартных оптических интерфейсов:

Использование Внутри станции Между станциями
Короткая секция Длинная секция
Номинальная длина волны источника (нм) 1310 1310 1550 1310 1550
Тип волокна Rec. G.652 Rec. G.652 Rec. G.652 Rec. G.652 Rec. G.652 Rec. G.654 Rec. G.653
Расстояние (км) ≤ 2 - 15 - 40 - 80
Уровни STM STM - 1 L - 1 S – 1.1 S – 1.2 L – 1.1 L – 1.2 L – 1.3
STM - 4 L - 4 S – 4.1 S – 4.2 L – 4.1 L – 4.2 L – 4.3
STM - 16 L - 16 S – 16.1 S – 16.2 L – 16.1 L – 16.2 L – 16.3

8.2.5. Архитектура разветвленной сети общего вида

В процессе развития сети SDH разработчики могут использовать ряд решений, характерных для глобальных сетей, таких как формирование своего "остова" (backbone) или магистральной сети в виде ячеистой (mash) структуры, позволяющей организовать альтернативные (резервные) маршруты, используемые в случае возникновения проблем при маршрутизации виртуальных контейнеров по основному пути. Это, наряду с присущим сетям SDH внутренним резервированием, позволяет повысить надежность всей сети в целом. Причем при таком резервировании на альтернативных маршрутах могут быть использованы альтернативные среды распространения сигнала. Например, если на основном маршруте используется волоконно-оптический кабель (ВОК), то на резервном - радиорелейная линия (РРЛ), или наоборот.

На рисунке 8.11 представлена архитектура такой разветвленной (глобальной) сети, остов (или опорная/магистральная сеть) которой сформирован для простоты в виде одной сетевой ячейки, узлами которой являются коммутаторы типа SDXC, связанные по типу "каждый с каждым". К этому остову присоединены периферийные сети SDH различной топологии, которые могут быть "образами" либо корпоративных сетей (с выходом на LAN), либо общегородских сетей SDH или MAN (ОГС), либо сегментов других глобальных сетей WAN (ГСС). Эта структура может рассматриваться как некий образ глобальной сети SDH.

Еще один пример сети SDH общего вида приведен на рисунке 8.12. Эта сеть рассматривается как пример законченного решения сети, связывающей сегменты, использующие как топологии SDH, так и PDH.

Схема сети (рисунок 8.12) состоит из трех колец SDH, связанных между собой тремя сегментами. Два верхних кольца STM-4 связаны последовательной линейной SDH цепью уровня STM-16. Левые верхнее (STM-4) и нижнее (STM-1) кольца связаны линией Е4 PDH (140 Мбит/с), терминальные мультиплексоры PDH которой PSM-1 на уровне триба Е4 непосредственно связаны с SDH мультиплексорами SDM-1. Замыкающее звено между правым верхним и нижним кольцами SDH использует кросс-коммутатор T::DAX, связанный на уровне PDH трибов с двумя мультиплексорами SDM-1 нижнего кольца STM-1 с одной стороны и мультиплексором SDM-1 с другой. Последний выполняет несколько функций:

  • терминального мультиплексора последовательной линейной цепи SDM-1;
  • мультиплексора ввода/вывода для сети доступа, организуемой через РСМ-2, и потоков от кросс-коммутатора T::DAX;
  • концентратора-коммутатора потоков между T::DAX, верхним кольцом STM-4, линейной цепью SDM-1 и PDH мультиплексором РСМ-2 в сети доступа.

Наконец, сети SDH общего вида можно рассматривать как транспортную сеть для ATM трафика, учитывая, что виртуальные контейнеры VC-n могут нести в упакованном виде поток ATM ячеек в качестве полезной нагрузки. Можно отметить, что в настоящее время стандартизованы процедуры такой упаковки (инкапсуляции) ATM ячеек в виртуальные контейнеры VC-4 и VC-4-Xc, используемые в схемах мультиплексирования SDH.

Для сопряжения SDH и ATM сетей (рассматриваемых как сети доступа) уже сейчас существуют коммутаторы доступа ATM, осуществляющие упаковку ячеек ATM в виртуальные контейнеры SDH. Одним из них является, например, коммутатор АТоМ компании ECI. Схема общей сети SDH и ATM сети доступа приведена на рисунке 8.13.

Контрольные вопросы

  1. Какие существуют типы архитектур построения транспортных сетей SDH?
  2. На чём основывается выбор архитектуры транспортных сетей?
  3. Какие основные топологии при планировании транспортных сетей часто находят применение?
  4. Какой элемент транспортной сети необходим для сопряжения SDH и ATM?
  5. Перечислите функции, выполняемые мультиплексором SDM-1 в схеме сети общего вида с сегментами PDH и SDH.

8.3. Общий подход по защите оборудования SDH

8.3.1. Общие положения

Защита сети передачи обеспечивается наличием избыточности оборудования аппаратуры и применением коммутационной логики, которая, в случае повреждения или снижения качества, производит замену аварийного блока (слота) на резервный. Резервирование этих блоков осуществляется по схеме 1:n, означающее что на n-работающих блоков приходится один резервный.

В сети SDH можно осуществлять защиту секции мультиплексирования (оконечного оборудования секции мультиплексирования - Multiplex Section Termination, MST), путём использования блока защиты секции мультиплексирования (Multiplex Section Protection, MSP).

Рисунок 8.14. Принцип защиты системы SDH

Рисунок 8.14. Принцип защиты системы SDH

Чтобы скоординировать процедуру обмена между двумя противоположными блоками MSP, используются байты, представленные в секционном заголовке MSOH аббревиатурами К1 и К2.

A1 A1 A1 A2 A2 A2 J0 X X RSOH Полезная нагрузка PAYLOAD MSOH
B1 M M E1 M * F1 X X
D1 M M D2 M * D3 * *
AUOH
B2 B2 B2 K1 * * K2 * *
D4 * * D5 * * D6 * *
D7 * * D8 * * D9 * *
D10 * * D11 * * D12 * *
S1 Z1 Z1 Z2 Z2 M1 E2 X X

Рисунок 8.15. Позиция байтов К1 и К2 в матрице STM-1

В частности, байты К1 и К2 передают от одного терминала к другому всю информацию, относящуюся к отмеченным авариям, архитектуре сети защиты и режимам, в которых должно происходить переключение.

8.3.2. Архитектура линейной защиты

В сети SDH предусмотрены две различные архитектуры защиты:

  • защита n+1;
  • защита 1+1.

8.3.2.1. Защита n+1

В архитектуре n+1 одна секция защиты обслуживает большую часть рабочих трактов, число которых п. заключено в пределах между 1 и 14 (n=1...14).

В случае повреждения в одной из рабочих секций тестирования, сигнал приема и передачи STM-N направляется по резервному тракту.

Если в процессе тестирования не наблюдается никаких проблем в функционировании сети, то по резервному тракту может быть передан не защищаемый дополнительный сигнал; очевидно, что в случае, когда секция защиты запрашивается одним из п. рабочих трактов, дополнительный сигнал удаляется из резервного тракта.

Рисунок 8.16. Архитектура линейной защиты n+1

Рисунок 8.16. Архитектура линейной защиты n+1

8.3.2.2. Защита 1+1

В конфигурации 1+1 сигнал STM-N при передаче посылается и по тестируемому тракту, и по резервному тракту.

При приеме функция MSP выбирает наилучший сигнал на основе информации, исходящей от байтов К1 и К2 заголовка MSOH или по командам, полученным системой управления.

Из-за постоянной передачи сигнала по резервному тракту, архитектура 1+1 не позволяет увеличивать трафик за счёт организации дополнительного канала.

Рисунок 8.17. Архитектура линейной защиты 1+1

Рисунок 8.17. Архитектура линейной защиты 1+1

8.3.3. Режимы функционирования

С точки зрения режимов функционирования защита может быть двух типов:

  • однонаправленная, когда переключение на резервный тракт осуществляется только в случае аварии;
  • двунаправленная, когда в случае повреждения цифровой сигнал коммутируется на резервные тракты обоих направлений.

Кроме того, возможна защита следующих видов:

  • обратимая;
  • необратимая.

В обратимом режиме при ликвидации повреждения информационный сигнал, направленный по резервному тракту, возвращается в первоначальный рабочий тракт.

В необратимом режиме трафик остается в резервном тракте и после устранения повреждения в рабочем тракте.

Что касается архитектуры n+1, то для нее предусмотрен только обратимый режим, в то время, как при архитектуре 1+1 могут быть использованы оба режима функционирования.

8.3.4. Временные критерии переключений

Информация, относящаяся к режимам и приоритетам переключений содержится в двух байтах К1 и К2, двоичное кодирование которых показано ниже.

Рисунок 8.18. Кодирование байтов К1 и К2

Рисунок 8.18. Кодирование байтов К1 и К2

Как уже было подчеркнуто, активизация переключения с перемаршрутизацией потока на резервный тракт может быть осуществлена:

  • ручным способом на основании команд, полученных системой управления;
  • автоматическим способом, посредством закодированной информации, содержащейся в байтах К1 и К2.

Автоматическая защита активизируется всякий раз, когда в полученных потоках присутствуют следующие условия повреждения или понижения качества информационного сигнала. Условия повреждения:

  • отсутствие принимаемого сигнала;
  • потеря указателя;
  • авария в секции (AIS);
  • вероятность ошибки, подсчитанная в байтах В2 заголовка MSOH, ТЕ> 10ˉ3.

Условия понижения качества:

  • вероятность ошибки, подсчитанная с помощью байтов В2, 10ˉ9<ТЕ< 10ˉ5.

Что касается времени переключения, то оно равно сумме двух отдельных составляющих:

  • времени активизации команды переключения;
  • времени активизации переключения, то есть времени обмена сообщениями между двумя терминалами и осуществления коммутации на резервный тракт; согласно рекомендации ITU-T это время может составлять максимум 50 мс..

8.3.5. Защита кольца

Кольцевая сеть состоит из аппаратуры SDH (узлы передачи), последовательно связанной между собой в замкнутую структуру.

Защита в кольцевых сетях - автоматического типа (сети с самовосстановлением self-healing) с активизацией переключений в случаях повреждения и случайного понижения качества сигнала.

Кольца с защитой SDH подразделяются на две категории, в зависимости от топологии переключений:

  • кольцо с переключением тракта (Path Switched Ring);
  • кольцо с переключением секции мультиплексирования (MS Switched Ring).

Кроме того, кольца можно определить, как:

  • однонаправленные, когда во время нормального осуществления связи между узлами X и Y, сигналы от Х к У и от У к Х следуют по кольцу в одном направлении.

  • двунаправленные, когда во время нормального осуществления связи между двумя узлами X и Y, сигнал транспортного потока от X к Y протекает по кольцу в направлении противоположном относительно сигнала Y к X.

Рисунок 20. Двунаправленное кольцо

Рисунок 20. Двунаправленное кольцо

8.3.5.1. Защита однонаправленного кольца

В случае однонаправленного кольца возможна как защита тракта, так и защита секции мультиплексирования.

Сеть с защитой тракта состоит из 2 колец, с маршрутами в противоположных направлениях, из которых одно передает трафик, в то время как второе предназначено для защиты.

Ниже на рисунке 8.21 показано, что при передаче сигналы от обоих рассматриваемых узлов (В и Е) посылаются параллельно как во внешнее кольцо, так и во внутреннее.

Сейчас допустим, что при условии нормального функционирования, внутреннее кольцо (по часовой стрелке) предназначено для рабочего режима, в то время, как внешнее кольцо (против часовой стрелки) используется как резервное.

Рисунок 8.21. Однонаправленное кольцо с защитой тракта при нормальном функционировании.

Рисунок 8.21. Однонаправленное кольцо с защитой тракта при нормальном функционировании.

При повреждении, например, между узлами C и D (рисунок 8.22) трафик в направлении от B к E удаляется из резервного тракта (внешнего кольца) после того, как было произведено переключение (1+1) на станции E. Кольца с защитой тракта не функционируют на основе критериев, передаваемых посредством байтов К1 и К2.

Рисунок 8.22. Однонаправленное кольцо с защитой тракта при обрыве линии

Кольцо с защитой секции мультиплексирования (однонаправленное кольцо с переключением секции мультиплексирования - Unidirectional MS Switched Ring) состоит из двух колец, из которых одно предназначено для предоставления услуг, а другое используется как резервное.

На рисунке 8.23 показаны условия нормального функционирования, когда предполагается, что два сигнала двунаправленной связи (например, от В к Е или от Е к В) передаются по кольцу в одном и том же направлении.

Рисунок 8.23. Однонаправленное кольцо с защитой MS при нормальном функционировании

В случае повреждения между узлами С и D, трафик в направлении от В к Е сохраняет тот же маршрут (рисунок 8.24).

Чтобы передать в этом случае сигнал от Е к В, кольцо осуществляет первую петлю в узле D и направляет трафик на резервный путь.

Информационный сигнал, после того как он прошел через аппаратуру Е, А и В, достигает С, где осуществляется вторая петля, позволяющая потоку достигнуть выхода в В.

Рисунок 8.24. Однонаправленное кольцо с защитой MS при повреждении линии.

Рисунок 8.24. Однонаправленное кольцо с защитой MS при повреждении линии.

При таком типе конфигурации в кольце активизируются петли на узлах, прилегающих к месту повреждения; при устранении повреждения кольцо возвращается к нормальной конфигурации работы и освобождает систему защиты для других случайных повреждений (аварий).

Если кольцо не используется в целях зашиты, то его можно использовать для передачи дополнительного трафика; в случае же запроса о защите, дополнительный сигнал удаляется из резервного тракта.

Сеть в виде кольца с защитой секции мультиплексирования использует байты К1 и К2 для коммутации сообщений.

8.3.5.2. Защита двунаправленного кольца

В двунаправленных кольцах может осуществляться только защита на уровне секции мультиплексирования (двунаправленное кольцо с переключением секции мультиплексирования - Bidirectional MS Switched Ring); каждую секцию кольца можно реализовать, используя 2 или 4 волокна:

  • двунаправленное двухволокновое кольцо с переключением секции мультиплексирования (Two Fiber Bidirectional MS Switched Ring), где каждая секция кольца содержит 2 волокна (одно для передачи ТХ и одно для приема RX); следовательно, в каждом волокне половина каналов будет использоваться в рабочем режиме, в то время как другая половина будет использоваться как резерв;
  • двунаправленное четырехволокновое кольцо с переключением секции мультиплексирования (Four Fiber Bidirectional MS Switched Ring), где в каждой секции кольца - 4 волокна (два для передачи ТХ и два для приема RX); рабочие и резервные потоки направлены по двум разным волокнам, как в направлении передачи ТХ, так и в направлении приема RX.

На рисунке 8.25 приведена схема двунаправленного кольца с двумя волокнами, в которой показано, как сигналы двунаправленной связи (например, от В к Е или от Е к В) в условиях нормального функционирования пересекают одни и те же секции кольца; поэтому в случае повреждения поражаются оба направления.

Рисунок 8.25. Двунаправленное кольцо с защитой MS при пормальном функционировании.

Рисунок 8.25. Двунаправленное кольцо с защитой MS при пормальном функционировании.

Если наблюдается повреждение, например в секции С -> D, то сигнал В -> D переводится в резервное (внутреннее) кольцо, посредством петли на терминале С (рисунок 8.26).

Сигнал, после того, как он пересек узлы В, А и Е достигает станции D, где через петлю он всегда вставляется в рабочий поток внешнего кольца и достигает поэтому узла Е.

Аналогичным образом это происходит и с сигналом Е —> В; чтобы перенаправить потоки необходимо образовать петлю на узлах, прилегающих к месту, где наблюдается повреждение.

После устранения повреждения кольцо возвращается к нормальной конфигурации работы и освобождает систему защиты для других случайных повреждений (аварий).

Если кольцо не используется для защиты, то его можно использовать для организации дополнительного трафика; в случае же запроса о защите дополнительный сигнал выводится из резервного тракта.

Сеть в виде кольца с защитой секции мультиплексирования использует байты К1 и К2 для коммутации сообщений.

Рисунок 8.26. Двунаправленное кольцо с защитой MS при повреждении линии

Рисунок 8.26. Двунаправленное кольцо с защитой MS при повреждении линии

Контрольные вопросы:

  1. Каким методом можно осуществлять защиту секции мультиплексирования?
  2. Какие архитектуры линейной защиты предусмотрены в сетях SDH?
  3. Перечислите два типа защиты с точки зрения режимов функционирования.
  4. Чему равно время переключений?
  5. На какие категории подразделяются кольца с защитой SDH?
  6. Как может быть осуществлена активизация переключения с перемаршрутизацией потока на резервный тракт?
  7. Перечислите несколько условий повреждения или понижения качества информационного сигнала.

SDH (Synchronous Digital Hierarchy) - Синхронная цифровая иерархия


*****
Новосибирск © 2009-2017 Банк лекций siblec.ru
Лекции для преподавателей и студентов. Формальные, технические, естественные, общественные, гуманитарные, и другие науки.