2.3.1. Функциональные задачи и модули сетей SDH
В этом разделе мы опишем основные элементы систем передачи данных на основе SDH, или функциональные модули SDH. Эти модули могут быть связаны между собой в сеть SDH. Связи модулей можно рассматиривать с двух сторон: логической и физической. С одной стороны, логика работы или взаимодействия модулей в сети определяет необходимые функциональные связи модулей -топологию, или архитектуру сети SDH. Она позволяет как анализировать общие закономерности функционирования сети, достоинства и недостатки различных топологий, так и выбирать топологию сети оптимальную для решения конкретной задачи. С другой стороны, модули связаны между собой физической средой распространения SDH сигнала, создаваемой кабелем (как правило, волоконно-оптическим) или эфиром при использовании радиосвязи. Это позволяет выявить физические пределы и ограничения на функционирование систем с заданной топологией.
2.3.1. Функциональные задачи и модули сетей SDH
Сеть SDH, как и любая сеть, строится из отдельных функциональных модулей ограниченного набора: мультиплексоров, коммутаторов, концентраторов, регенераторов и терминального оборудования. Этот набор определяется основными функциональными задачами, решаемыми сетью:
• сбор входных потоков через каналы доступа в агрегатный блок, пригодный для транспортировки в сети SDH - задача мультиплексирования, решаемая терминальными мультиплексорами - ТМ сети доступа;
• транспортировка агрегатных блоков по сети с возможностью ввода/вывода входных/выходных потоков - задача транспортирования, решаемая мультиплексорами ввода/вывода - ADM, логически управляющими информационным потоком в сети, а физически - потоком в физической среде, формирующей в этой сети транспортный канал;
• перегрузка виртуальных контейнеров в соответствии со схемой маршрутизации из одного сегмента сети в другой, осуществляемая в выделенных узлах сети, - задача коммутации, или кросс-коммутации, решаемая с помощью цифровых коммутаторов или кросс-коммутаторов - DXC;
• объединение нескольких однотипных потоков в распределительный узел - концентратор (или хаб) - задача концентрации, решаемая концентраторами]
• восстановление (регенерация) формы и амплитуды сигнала, передаваемого на большие расстояния, для компенсации его затухания - задача регенерации, решаемая с помощью регенераторов - устройств, аналогичных повторителям в LAN;
• сопряжение сети пользователя с сетью SDH - задача сопряжения, решаемая с помошью оконечного оборудования - различных согласующих устройств, например, конвертеров интерфейсов, конвертеров скоростей, конвертеров импедансов и т. д. [26].
2.3.2. Мультиплексоры
Основным функциональным модулем сетей SDH является мультиплексор. Мы будем использовать этот термин как для собственно мультиплексоров, служащих для сборки (мультиплексирования) высокоскоростного потока из низкоскоростных, так и для демультиплексоров, служащих для разборки (демультиплексирования) высокоскоростного потока с целью выделения низкоскоростных потоков.
Мультиплексоры SDH в отличие от обычных мультиплексоров, используемых, например, в сетях PDH, выполняют как функции собственно мультиплексора, так и функции устройств терминального доступа, позволяя подключать низкоскоростные каналы PDH иерархии непосредственно к своим входным портам. Они являются более универсальными и гибкими устройствами, позволяющими решать практически все перечисленные выше задачи, т.е. кроме задачи мультиплексирования выполнять еще и задачи коммутации, концентрации и регенерации. Это оказывается возможным в силу модульной конструкции SDH мультиплексора - SMUX, при которой выполняемые функции определяются лишь возможностями системы управления и составом модулей, включенных в спецификацию мультиплексора. Принято, однако, выделять два основных типа SDH мультиплексора: терминальный мультиплексор и мультиплексор ввода/вывода.
Терминальный мультиплексор ТМ является мультиплексором и оконечным устройством SDH сети с каналами доступа, соответствующими трибам PDH и SDH иерархий (рис.2-19). Терминальный мультиплексор может или вводить каналы, т.е. коммутировать их со входа трибного интерфейса на линейный выход, или выводить каналы, т.е. коммутировать их с линейного входа на выход трибного интерфейса. Он может также осуществлять локальную коммутацию входа одного трибного интерфейса на выход другого трибного интерфейса. Как правило эта коммутация ограничена трибами 1.5 и 2 Мбит/с.
Для мультиплексора максимального на данный момент действующего уровня SDH иерархии (STM-64), имеющего скорость выходного потока 10 Гбит/с, максимально полный набор каналов доступа может включать PDH трибы 1.5, 2, 6, 34, 45, 140 Мбит/с и SDH трибы 155, 622 и 2500 Мбит/с, соответствующие STM-1,4,16 [27]. Если PDH трибы являются "электрическими", т.е. использующими электрический сигнал для передачи данных, то SDH трибы могут быть как электрическими (STM-1), так и оптическими (STM-1,4,16). Для мультиплексоров SDH уровня STM-16 из этого набора исключается триб 2500 Мбит/с, для уровня STM-4 из него исключается триб 622 Мбит/с, и, наконец, для первого уровня - триб 155 Мбит/с. Ясно, что конкретный мультиплексор может и не иметь полного набора трибов для использования в качестве каналов доступа. Это определяется не только пожеланиями заказчика, но и возможностями фирмы-изготовителя.
Другой важной особенностью SDH мультиплексора является наличие двух оптических линейных выходов (каналов приема/передачи), называемых агрегатными выходами и используемых для создания режима стопроцентного резервирования, или защиты по схеме 1+1 с целью повышения надежности [22]. Эти выходы (в зависимости от топологии сети) могут называться основными и резервными (линейная топология, см. ниже рис.2-251 или восточными и западными (кольцевая топология, см. ниже рис.2-29). Нужно заметить, что термины "восточный" и "западный", применительно к сетям SDH, используются достаточно широко для указания на два прямо противоположных пути распространения сигнала в кольцевой топологии: один - по кольцу влево - "западный", другой - по кольцу вправо - "восточный". Они не обязательно являются синонимами терминов "основной" и "резервный" (см. например, рис.2-37, где резервные блоки затенены). Если резервирование не используется (так называемый незащищенный режим), достаточно только одного выхода (одного канала приема/передачи). Резервирование 1+1 в сетях SDH является их внутренней особенностью и не имеет ничего общего с так называемым внешним резервированием, когда используется альтернативный (резервный) путь от одного узла сети к другому, как это делается в так называемой ячеистой сети SDH, работающей в незащищенном режиме.
Мультиплексор ввода/вывода ADM может иметь на входе тот же набор трибов, что и терминальный мультиплексор (рис.2-19). Он позволяет вводить/выводить соответствующие им каналы. Дополнительно к возможностям коммутации, обеспечиваемым ТМ, ADM позволяет осуществлять сквозную коммутацию выходных потоков в обоих направлениях (например, на уровне контейнеров VC-4 в потоках, поступающих с линейных или агрегатных выходов, т.е. оптических каналов приема/передачи), а также осуществлять замыкание канала приема на канал передачи на обоих сторонах ("восточной" и "западной") в случае выхода из строя одного из направлений. Наконец, он позволяет (в случае аварийного выхода из строя мультиплексора) пропускать основной оптический поток мимо него в обходном режиме. Все это дает возможность использовать ADM в топологиях типа кольца.
2.3.3. Концентраторы
Концентратор (иногда называемый по-старому - хаб, так как используется в топологических схемах типа "звезда"), представляет собой мультиплексор, объединяющий несколько, как правило однотипных (со стороны входных портов) потоков, поступающих от удаленных узлов сети в один распределительный узел сети SDH, не обязательно также удаленный, но связанный с основной транспортной сетью (рис.2-20).
Этот узел может также иметь не два, а три, четыре или больше линейных портов типа STM-N или STM-N-1 (рис.2-20а,б,в) и позволяет организовать ответвление от основного потока или кольца (рис.2-20а), или, наоборот, подключение двух внешних ветвей к основному потоку или кольцу (рис.2-206) или, наконец, подключение нескольких узлов ячеистой сети к кольцу SDH (рис.2-20в). В общем случае он позволяет уменьшить общее число каналов, подключенных непосредственно к основной транспортной сети SDH. Мультиплексор распределительного узла в порте ответвления позволяет локально коммутировать подключенные к нему каналы, давая возможность удаленным узлам обмениваться через него между собой, не загружая трафик основной транспортной сети.
2.3.4. Регенераторы
Регенератор представляет собой вырожденный случай мультиплексора, имеющего один входной канал - как правило, оптический триб STM-N и один или два (при использовании схемы защиты 1 + 1) агрегатных выхода (рис.2-21).
Он используется для увеличения допустимого расстояния между узлами сети SDH путем регенерации сигналов полезной нагрузки. Обычно это расстояние (учитывая практику использования одномодовых волоконно-оптических кабелей) составляет 15-40 км для длины волны порядка 1300 нм или 40-80 км - для 1500 нм, хотя при использовании оптических усилителей оно может достигать 100-150 км. Более точно это расстояние определяется отношением допустимых для секции регенератора суммарных потерь к затуханию на 1 км длины кабеля (см. более подробно в п.2.6.3. и п.4.1.1).
2.3.5. Коммутаторы
Подавляющее большинство современных мультиплексоров ввода/вывода строятся по модульному принципу. Среди этих модулей центральное место занимает кросс-коммутатор или просто коммутатор - DXC. В синхронной сети он позволяет установить связи между различными каналами, ассоциированными с определенными пользователями сети, путем организации полупостоянной (временной) перекрестной связи, или кросс-коммутации, между ними. Возможность такой связи позволяет осуществить маршрутизацию в сети SDH на уровне виртуальных контейнеров VC-n (см. например, рис. 2-2, 2-3), управляемую сетевым менеджером (управляющей системой) в соответствии с заданной конфигурацией сети.
Физически возможности внутренней коммутации каналов заложены в самом мультиплексоре SDH, что позволяет говорить о мультиплексоре как о внутреннем или локальном коммутаторе. На рис. 2-22, например, менеджер полезной нагрузки может динамически изменять логическое соответствие между трибным блоком TU и каналом доступа (трибным интерфейсом), что равносильно внутренней коммутации каналов. Кроме этого, мультиплексор, как правило, имеет возможность коммутировать собственные каналы доступа, (рис.2-23), что равносильно локальной коммутации каналов (как отмечалось у ТМ и ADM выше). На мультиплексоры, например, можно возложить задачи локальной коммутации на уровне однотипных каналов доступа, т.е. задачи, решаемые концентраторами (рис. 2-23).
Все это говорит о возможности распределенного управления процессом коммутации в узлах сети SDH. Однако эти возможности в большинстве своем ограничены как по числу коммутируемых каналов, так и по типу виртуальных контейнеров VC, доступных для коммутации. Поэтому в общем случае приходится использовать специально разработанные синхронные коммутаторы - SDXC, осуществляющие не только локальную, но и общую или проходную (сквозную) коммутацию высокоскоростных потоков (34 Мбит/с и выше) и синхронных транспортных модулей STM-N (рис.2-24). Важной особенностью таких коммутаторов является отсутствие блокировки других каналов при коммутации, когда коммутация одних групп TU не накладывает ограничений на процесс обработки других групп TU. Такая коммутация называется неблокирующей.
Существуют несколько типов коммутаторов SDXC в зависимости от того, какие виртуальные контейнеры они могут коммутировать. Их обозначение в общем случае имеет вид SDXC л/m, где л означает номер виртуального контейнера, который коммутатор может принять на вход, а т - номер максимально возможного уровня виртуального контейнера, который он способен коммутировать. Иногда вместо номера виртуального контейнера т указывают набор коммутируемых виртуальных контейнеров, например, m/p/q. Так например, для уровня STM-1 могут быть указаны следующие типы коммутаторов:
- SDXC 4/4 - коммутатор, позволяющий принимать и обрабатывать VC-4, или потоки 140 и 155 Мбит/с;
- SDXC 4/3/2/1 - коммутатор, позволяющий принимать VC-4, или потоки 140 и 155 Мбит/с, и обрабатывать VC-3, VC-2 и VC-1, или потоки 34 или 45, 6 и 1.5 или 2 Мбит/с;
- SDXC 4/3/1 - коммутатор, позволяющий принимать VC-4, или потоки 140 и 155 Мбит/с, и обрабатывать VC-3 и VC-1, или потоки 34 или 45 и 1.5 или 2 Мбит/с;
- SDXC 4/1 - коммутатор, позволяющий принимать VC-4, или потоки 140 и 155 Мбит/с, и обрабатывать VC-1, или потоки 1.5 или 2 Мбит/с.
Коммутатор выполняет ряд специфических функций в зависимости от режима работы и состава оборудования, с которым он работает.
2.3.6. Функции, выполняемые коммутатором
Можно выделить шесть различных функций, выполняемых коммутатором. Они иллюстрируются рис.2-25:
• маршрутизация (routing) виртуальных контейнеров VC, проводимая на основе использования информации в маршрутном заголовке РОН соответствующего контейнера;
• консолидация или объединение (consolidation/hubbing) виртуальных контейнеров VC, проводимая в режиме работы концентратора/хаба;
• трансляция (translation) потока от точки к нескольким точкам, или к мультиточке, (point-to-multipoint), осуществляемая при использовании режима связи "точка-мультиточка";
• сортировка или перегруппировка (grooming) виртуальных контейнеров VC, осуществляемая с целью создания нескольких упорядоченных, например, по типу контейнеров, потоков VC из общего потока VC, поступающего на коммутатор;
• доступ к виртуальному контейнеру VC (test access), осуществляемый при тестировании оборудования;
• ввод/вывод (drop/insert) виртуальных контейнеров, осуществляемый при работе мультиплексора ввода/вывода.
2.3.7. Методы кросс-коммутации и взаимодействие сетей SDH
Как было указано выше кросс-коммутатор может осуществлять три типа коммутации: внутреннюю, локальную и проходную. Рассмотрим кратко как это осуществляется.
Коммутатор может рассматриваться как некоторая внутренняя многопортовая сеть, связывающая три типа портов: линейные порты ввода/вывода (in), линейные порты вывода/ввода (out) и трибные порты ввода/вывода (Mb). Ядром такого коммутатора является неблокируемая, полнодоступная (в общем случае с трех сторон - in, out, Mb) матрица размера n x n (рис.2-26). Матрица управляется микроконтроллером и обеспечивает в общем случае коммутацию сигналов следующих уровней: TU-1 (1.5 или 2 Мбит/с), TU-2 (6 Мбит/с), TU-3 (34 или 45 Мбит/с) и AU-4 (140 Мбит/с). При этом возможна организация как однонаправленных, так и двунаправленных соединений типа: /in-out, out-in, in-trib, trib-in, trib-out, out-trib, Mb-trib.
Используя описанные выше функциональные элементы SDH, можно построить различные сети SDH, отличающиеся топологией, выбираемой в соответствии с целями и задачами, которые требуется решить.