8.1.1. Системы передачи для транспортной сети
8.1.2. Модели транспортных сетей
8.1.3. Элементы транспортной сети
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:
- Что является технической основой для любой современной сети связи?
- Какое основное требование предъявляется к транспортным сетям?
- Какова структура транспортных сетей?
- Чем отличаются тракты в сети ATM от трактов сети SDH?
- Перечислите основные элементы транспортных сетей.
- Каковы функции мультиплексора ввода-вывода?
- В чём состоят функции кросс-коннектора?
- Что позволяет провести классификацию узлов сети?