2. Цифровое мультиплексирование в оптических системах передачи. Волоконно-оптические системы передачи

: Категория: Волоконно-оптические системы передачи

2.1. Мультиплексирование плезиохронное PDH

2.2. Мультиплексирование синхронное SDH

2.3. Мультиплексирование асинхронное АТМ

2.4. Мультиплексирование OTH

2.5. Мультиплексирование Ethernet

2.5.1. Ethernet стандарта EoT ITU-T G.8010 в оптической системе передачи

2.5.2. Схемы мультиплексирования Ethernet

2.1. Мультиплексирование плезиохронное PDH

Цифровое мультиплексирование данных, представленных циклическими последовательностями, и получившее название плезиохронной цифровой иерархии, является международным стандартом цифровой передачи. Эта передача представлена исторически сложившимися иерархиями PDH (Plesiochronous Digital Hierarchy) (таблица 2.1): европейской, североамериканской и японской. В рекомендациях МСЭ-Т G.702 определены иерархические уровни и источники цифровых данных. На рисунке 2.2 приведен пример для Европейской стандартизации PDH. Соответствующие этой стандартизации иерархические уровни и циклы цифровых данных приведены на рисунке 2.3

Таблица 2.1. Плезиохронные цифровые иерархии

Уровень	Европейская		Североамериканская				Японская
Уровень	Обозн.	Скорость передачи, кбит/с	Число ОЦК	Обозн.	Скорость передачи, кбит/с	Число ОЦК	Скорость передачи, кбит/с
0	Е0	64	1	DS0	64	1	64
1	Е1	2048	30	DS1	1544	24	1544
2	Е2	8448	120	DS2	6312	96	6312
3	ЕЗ	34 368	480	DS3	44 736	672	32064
4	Е4	139 264	1920	DS4	–	4032	97 728

Цикл передачи первичного цифрового потока Е1 образован 32 канальными интервалами общей длительностью цикла 125 мкс. Каждому канальному интервалу соответствует скорость передачи 64 кбит/с (8 бит повторяются 8000 раз в секунду). Общий скоростной режим Е1 = 32´ 64 кбит/с = 2048 кбит/с. Подряд следующие 16 циклов Е1 образуют сверхцикл, длительность которого Тсц = 2 мс.В сверхцикле реализованы: передача сигнала сверхцикла в канальном интервале КИ16 (комбинация 0000); передача сигналов управления и взаимодействия (СУВ) для информационных каналов (КИ1-15, КИ17-31); контроль ошибок по алгоритму CRC-4, т.е. методом подсчета контрольной суммы в 16-ти последовательных циклах. Кроме того, КИ16 может быть использован для передачи информационных данных и для передачи сигнальных данных, как общий канал сигнализации.

Рисунок 2.2. Иерархические уровни плезиохронной цифровой иерархии и источники цифровых сигналов (по рекомендации G.702)

Рисунок 2.3. Циклы плезиохронной цифровой иерархии

а) Цикл передачи первичного цифрового потока; б) Цикл передачи вторичного цифрового потока;
в) Цикл передачи третичного цифрового потока; г) Цикл передачи четверичного цифрового потока

Циклы передачи Е2, Е3 и Е4 формируются посредством плезиохронного побитового объединения циклов нижнего иерархического уровня (рисунок 2.4).

Принцип плезиохронного мультиплексирования состоит в следующем:

объединяемые цифровые данные, имеющие различные тактовые интервалы (в известных нормативных пределах), должны быть синхронизированы, т.е. согласованы по фазе и частоте тактов;

для синхронизации объединяемых данных должен быть применен буфер памяти;

скорость и фаза записи данных в параллельные буферы может различаться, но скорость считывания этих данных из буферов одинакова;

Рисунок 2.4. Иерархическая схема мультиплексирования PDH

в процессе записи данных в буфер и считывании могут образоваться в случайные моменты времени состояния неопределенности:
- период записи Tзап > периода считывания Tcч, в этом случае буфер может дважды считаться, т.е. произойдет ложная двоичная единица;
- период записи Tзап < периода считывания Tcч, в этом случае буфер может оказаться на момент считывания "пустым", т.е. произойдет ложная двоичная единица.

Для устранения указанных неопределенностей используется метод стаффинга, сущность которого поясняется с помощью рисунков 2.5, 2.6. Положительное согласование скорости в буферных устройствах предполагает заведомо более высокую скорость считывания двоичных данных из буферов, чем скорости записи, которые зависят от стабильности источников тактовых частот формирователей цифровых данных.

Рисунок 2.5. Пример схемы плезиохронного мультиплексора Е2 с положительным согласованием скорости

Для цифровых данных Е1 отклонение скорости допустимо в пределах:

, 2048 кбит/с ± 102,4 бит/с.

Это соответствует нормативу рекомендации G.703. Такты считывания для Е2 поступают со скоростью 2052 кбит/с, что гарантирует только положительное согласование. При этом через определенное время будет проявляться ситуация неопределенности, когда одни и те же данные будут считываться дважды (рисунок 2.6).

Рисунок 2.6. Проявление неопределенности и формирование вставки

Ситуация неопределенности должна контролироваться временным детектором, измеряющим разность фаз записи и считывания D j . Образование неопределенности приведет к формированию вставки (бит S рисунок 2.6), которая выравнивает скорость и не допускает ложное считывание. При этом в структуру цикла Е2 помещается команда согласования скорости (КСС). Принцип формирования КСС и ее содержание изображены на рисунке 2.7. Т.о. в цикле Е2 передаются четыре независимые друг от друга команды согласования скоростей, представленные тремя битами. Истинность команды определяется по двум или трем одинаковым битам. Распределение команд по циклу и использование выбора 2 из 3 применены для повышения помехоустойчивости передачи КСС.

В приемной части системы передачи с Е2 процедура демультиплексирования происходит с обнаружением и устранением вставок в каждом из четырех потоков данных Е1. Для этого восстанавливается тактовая частота каждого Е1, которая применяется для работы фазового детектора демультиплексированного Е1. Команды КСС и разность фаз служат вычислению вставки S и ее устранению.

Рисунок 2.7. Команды согласования скоростей

Алгоритмы формирования циклов Е3, Е4 аналогичны рассмотренному для Е2.

Очевидны недостатки плезиохронного мультиплексирования:

сложность и иерархичность схем согласования скоростей;

сложность доступа к отдельным цифровым потокам данных;

протяженное во времени иерархическое восстановление синхронизма между передатчиком и приёмником в случае его нарушения;

почти полное отсутствие в циклах PDH позиций для служебных информаций (управления, контроля, служебной связи).

2.2. Мультиплексирование синхронное SDH

Синхронная цифровая иерархия SDH (Synchronous Digital Hierarchy) – набор иерархических цифровых транспортных структур (циклов), стандартизированных для транспортировки соответственно адаптированной нагрузки для передачи через физическую сеть, например, волоконно-оптическую. К иерархии цифровых структур относятся:

синхронные транспортные модули STM-N (Synchronous Transport Module) порядка N = 0, 1, 4, 16, 64, 256;

виртуальные контейнеры VC-n (Virtual Container) порядка n = 1, 2, 3, 4;

административные блоки AU-n (Administrative Unit) порядка n = 3, 4;

транспортные блоки TU-n (Tributary Unit) порядка n = 1, 2, 3;

контейнеры С-n (Container) порядка n = 1, 2, 3, 4;

Эти цифровые структуры представлены во взаимной связи схемой мультиплексирования (рисунок 2.8).

STM представляет собой информационную структуру, используемую для соединения уровня секции передачи в сети SDH (рисунок 2.10). Базовая структура STM-N представлена тремя составляющими (рисунок 2.9):

секционными заголовками SOH (Section Overhead);

указателями административных блоков AU (Administration Unit pointers);

информационной нагрузкой (Information Payload).

Такая структура образуется каждые 125 мкс и имеет емкость 270´ 9´ N байт (для N = 0 емкость 90´ 9 байт). Т.о. это цикл с байтовой структурой, который в технической литературе называют кадром или фреймом (frame).

В таблице 2.2 представлены иерархические уровни STM-N и соответствующие им скорости передачи в волоконно-оптической линии.

Любая из иерархических скоростей STM-N вычисляется простой операцией умножения, например, STM-1 имеет емкость 270 ´ 9 = 2430 байт, которая повторяется 8000 раз за 1 секунду, а число бит составит бит/с. Другие скорости получаются умножением 155520000 ´ N, т.е. на 4, 16, 64 и 256.

Усовершенствованным решением в последней стандартизации стало введение уровней STM-0 и STM-256, а также увеличение числа вариантов создания STM-N. При этом базовыми элементами остались виртуальные контейнеры, иерархия которых также расширилась за счет введения конкатенированных структур VC-4-4c, VC-4-16c, VC-4-64c и VC-4-256c, представленных в таблице 2.3.

Рисунок 2.8. Схема мультиплексирования SDH последнего поколения

Рисунок 2.9. Структура цикла STM-N

Таблица 2.2. Иерархия скоростей передачи в SDH

Уровень STM-N	Иерархическая битовая скорость (кбит/с)
0	51 840
1	155 520
4	622 080
16	2 488 320
64	9 953 280
256	39 813 120

С точки зрения стандартов на построение транспортных сетей STM-N и VC-n относятся к различным уровням сети (рисунок 2.10).

Таблица 2.3. Иерархия виртуальных контейнеров в SDH

Тип VC	Скоростной режим, кбит/с	Полезная емкость, кбит/с
VC-11	1664	1600
VC-12	2240	2176
VC-2	6848	6784
VC-3	48 960	48 384
VC-4	150 336	149 760
VC-4-4c	601 344	599 004
VC-4-16c	2 405 376	2 396 160
VC-4-64c	9 621 504	9 584 640
VC-4-256c	38 486 016	38 338 560

Рисунок 2.10. Уровневая модель транспортной сети SDH

В уровневой модели транспортной сети SDH представлены не все компоненты схемы мультиплексирования SDH, т.к. схема мультиплексирования не полностью реализуема в европейских стандартах, например, применительно к контейнерам С-11, С-2, представляющих американские стандартны. Положение VC-3 в качестве тракта верхнего или нижнего порядка определяется схемой мультиплексирования. Если VC-3 входит по схеме в VC-4, то его относят к нижнему порядку. Если VC-3 входит в AU-3, то его относят к верхнему порядку. При этом он служит основой формирования для STM-0.

Виртуальные контейнеры VC-n, как и STM-N, представляют собой цифровые циклические структуры с байтовым построением. Блоки VC-n отличаются не только емкостью (таблица 2.3), но и временем формирования и рядом других показателей. На рисунке 2.11 представлены примеры структур виртуальных контейнеров VC-12, VC-3, VC-4. Заголовки VC-n служат созданию трактов (маршрутов) транспортировки пользовательской нагрузки. В них определяются уникальные адреса источников и приемников данных, контроль качества передачи, обслуживание, управление и защита от повреждений.

Административные (AU-n) и транспортные (TU-n) блоки служат средствами адаптации различных цифровых структур друг к другу. Центральным элементом этих блоков являются указатели, т.е. цифровые блоки данных, в которых записываются адреса начала размещения адаптируемой нагрузки, например, VC-4 размещается в AU-4, а VC-12 размещается в TU-12. С помощью указателей (поинтеров, PTR) согласуются различные по скорости передачи цифровые блоки. Благодаря этому VC-12 может смещаться в TU-12 без ухудшения качества доставки информации пользователя и, аналогично, VC-3, VC-4 соответственно в AU-3 и AU-4.

Структуры транспортных и административных блоков представлены на рисунках 2.12, 2.13, 2.14 и 2.15.

Рисунок 2.11. Примеры структур виртуальных контейнеров

Административный блок AU-n представляет собой структуру для адаптации между уровнем тракта верхнего порядка и уровнем секции мультиплексирования. Транспортный блок TU-n представляет собой информационную структуру для адаптации между уровнями трактов верхнего и нижнего порядков. В процессы адаптации входят также процедуры размещения данных в контейнеры С-n (Container). Виртуальный контейнер отличается от контейнера заголовком маршрута (тракта), обозначаемого POH (Path Overhead).

Рисунок 2.12. Транспортный блок TU-12

Рисунок 2.13. Транспортный блок TU-3

Рисунок 2.14. Административный блок AU-3

Рисунок 2.15. Административный блок AU-4

Контейнеры представляют собой информационные структуры, в которые записываются пользовательские данные и производится согласование скоростей на уровне каналов. Составным элементом каждого вида адаптации (TU-n, AU-n) служит группообразование, т.е. формирование информационных структур:

группового транспортного блока TUG-n, n = 2, 3 (Tributary Unit Group);

группового административного блока AUG-N, N = 4, 16, 64, 256 (Administrative Unit Group).

На рисунках 2.16, 2.17 представлено формирование TUG-n и AUG-n.

Рисунок 2.16. Формирование TUG-2 и TUG-3

В первой колонке балласта TUG-3 три верхних байта (рисунок 2.13) образуют индикатор нулевого указателя (NPI, Null Pointer Indication) при мультиплексировании TUG-3 из TUG-2. Индикатор NPI представляет собой фиксированный двоичный код, который позволяет отличить TUG-3 от блока TU-3, загружаемого виртуальным контейнером VC-3.

Способ формирования TUG-2, TUG-3, AUG-N единый, представляющий собой синхронное побайтовое мультиплексирование в интервале времени 125 мкс. Блок TUG-2 формируется из 3-х четвертинок TU-12. Блок TUG-3 формируется из 7 TUG-2. Блок AUG-N формируется из 4, 16, 64 или 256 AUG ступенями синхронно побайтно (рисунок 2.8). Присоединение к AUG-N секционных заголовков SOH (рисунок 2.9) создает STM-N.

Рисунок 2.17. Формирование AUG-4xN из 4AUG-Ns

Секционные заголовки RSOH и MSOH, соответственно секций регенерации и мультиплексирования, обеспечивают служебные сигналы уровня среды передачи сети SDH (рисунок 2.10).

Конкатенированные или сцепляемые контейнеры (VC-4-4c, VC-4-16c, VC-4-64c, VC-4-256c) представляют информационные структуры, формируемые для переноса нестандартной пользовательской нагрузки. Каждый контейнер С-n, C-X-nс поддерживает различные виды согласования скоростей при загрузке и выгрузке данных пользователя. Например, асинхронная загрузка, синхронная по битам нагрузки, синхронная по байтам нагрузки, синхронная по циклам нагрузки и т.д.

Для эффективного использования ресурсов транспортных сетей SDH можно задействовать процедуры конкатенации, т.е. сцепление емкости, например, нескольких VC-3 для передачи трафика 1 Гбит Ethernet или 10Гбит Ethernet. Известны два типа цепочек из контейнеров: последовательная конкатенация CCAT (Contiguous Concatenation) и виртуальная конкатенация VCAT (Virtual Concatenation). При этом ССАТ допускает объединение определенного числа контейнеров, например, VC-4-Xc (X = 4, 16, 64, 256), а VCAT предполагает возможность объединения любого числа VC-12, VC-3, VC-4: VC-12-Хv и VC-3/4-Xv для последнего, например, Х = 1, …, 256.

Недостатком последовательной конкатенации является необходимость ее поддержки всеми сетевыми элементами (мультиплексорами) сети. Отдельные контейнеры или блоки нагрузки соединены друг с другом в одно целое и могут перемещаться вместе, т.е. использование разных путей для отдельных контейнеров или блоков нагрузки невозможно. Это ведет к сложности взаимодействия транспортной сети и пользовательской нагрузки. Например, сеть SDH в варианте ССАТ предлагает только четыре значения пропускной способности: 600, 2400, 9600 и 38400 Мбит/с с соответствующими каналами STM-4, STM-16, STM-64, STM-256. Это неэффективно, например, для 1 Гбит Ethernet.

Указанный недостаток последовательной конкатенации преодолевается в виртуальной конкатенации. Процедура VCAT позволяет передавать сцепленные контейнеры или блоки нагрузки с различными маршрутами. Таким образом, для поддержки VCAT необходимы только два оконечных мультиплексора. В таблице 2.4 приведен пример числового сравнения процедур VCAT и CCAT.

На рисунке 2.18 представлена схема виртуальной конкатенации в транспортной сети и ее сочетание с процедурами GFP(Generic Framing Procedure – общая процедура формирования кадра) и LCAS (Link Capacity Adjustment Scheme - схема регулировки емкости канала). В узле мультиплексирования (MSPP) на передаче нагрузка в виде пакетов переменной длины из сети Ethernet распределяется в сцепленные контейнеры сети SDH. До точки получения эти контейнеры доставляются различными маршрутами. В узле приема MSPP пакеты выгружаются и передаются в сторону сети Ethernet в том порядке, в каком они поступили в узел передачи.

Таблица 2.4. Сравнительная оценка VCAT и ССАТ

Нагрузка	Скорость	ССАТ	VCAT
Ethernet	10 Мбит/с	VC-3 (20%)	VC-12-5v (100%)
Fast Ethernet	100 Мбит/с	VC-4 (67%)	VC-3-2v (100%)
Gigabit Ethernet	1000 Мбит/с	VC-4-16с (42%)	VC-4-7v (95%)
F/Channel	1000 Мбит/с	VC-4-16с (42%)	VC-4-7v (95%)

Рисунок 2.18. Виртуальная конкатенация в транспортной сети SDH

На рисунке 2.19 представлена схема оптической системы передачи с мультиплексированием SDH. В схеме показана организация линейного тракта с промежуточными станциями и резервированием всего тракта отдельной секцией мультиплексирования. Переключение на резервную оптическую секцию происходит в случае аварии основной рабочей секции или при ухудшении качества принимаемого оптического сигнала. Управление переключением происходит автоматически с использованием байт К1 и К2 в заголовке MSOH в резервной секции. Время переключения до 50мс. Характеристики точек оптической передачи S, R приведены в приложении 2. Функции регенератора рассмотрены в главе 8.

Рисунок 2.19. Схема оптической системы передачи с синхронными мультиплексорами и регенераторами SDH

Детальная информация по построению всех блоков передачи в SDH – формате приводится в многочисленной литературе [5, 9, 19, 21, 109, 110] и занимает существенный объём, что не представляется возможным отразить в этом учебном пособии все тонкости технологии.

2.3. Мультиплексирование асинхронное ATM

АТМ – пакетная технология коммутации, мультиплексирования и передачи, в которой используются пакеты фиксированной малой емкости, называемые ячейками (иногда в литературе фрагментами). В ячейке постоянной длины (емкости) 53 байта (октета – 8 битов – двоичных символов), для информации пользователя отведено 48 байт, а заголовок, 5 байт, содержит информации, необходимые для передачи, мультиплексирования и коммутации ячейки в устройствах сети АТМ (коммутаторах). Короткие ячейки, передаваемые очень большими скоростями (до 10…40 Гбит/с), обеспечивают сети большую гибкость и эффективность использования.

Формат ячейки 53 байта – компромиссное решение ITU-T между предложениями европейцев в 32 байта и североамериканцев и японцев 64 байта.

При формировании ячейки АТМ информация временно записывается, затем вносится в ячейку, и когда ячейка наполнится, она передается в сети. Если нет информации для передачи, то передается пустая ячейка, которая поддерживает физические транспортные функции (синхронизация приемника, контроля качества по ошибкам).

АТМ - технология коммуникации с ориентацией на соединение, т.е. до передачи данных между двумя оконечными устройствами должно быть установлено соединение. По информации пользователя сеть прокладывает путь передачи ячеек с определенной скоростью, отвечающей качеству услуг. Как правило, качество устанавливается по пиковой скорости передачи ячеек.

АТМ - технология, поддерживающая дэйтаграммные (бессвязные) услуги передачи данных без установления соединения.

Последовательность принимаемых ячеек АТМ в точке назначения одинакова последовательности ячеек посылаемых от источника.

АТМ обеспечивает возможность приспосабливания скорости передачи к скорости генерирования информационных данных, т.е. рациональное использование емкости сети за счет статистического мультиплексирования.

Мультиплексирование в АТМ обеспечивает простую интеграцию разной исходной информации по одному физическому тракту.

АТМ независим от существующей системы передачи, т.е. физических транспортных функций. Ячейки могут размещаться в циклах SDH (Synchronous Digital Hierarchy) и PDH (Plesiochronous Digital Hierarchy).

Возможности АТМ коммутации:

контроль соединения и сброс соединения, если сеть не располагает достаточными ресурсами;

контроль перегрузки – ограничение нагрузки в приемлемых пределах;

распределение ресурсов сети на основе договора о выделении полосы частот (скорости) и буферной памяти;

контроль параметров трафика, например пиковой и средней скорости в соединении.

Ячейки АТМ при передаче и коммутации испытывают задержки:

неравномерность времени передачи ячеек CDV (Cell Delay Variation);

отклонение во времени при разборке/сборке ячеек CAD (Cell Assembly/ Reassembly Delay).

Каждая АТМ ячейка (пакет) содержит в заголовке адрес (маршрут) передачи, который является уникальным идентификатором каждой ячейки. Процедуры формирования ячеек (пакетов) АТМ и их мультиплексирование демонстрируется на рисунке 2.20.

Рисунок 2.20. Формирование и мультиплексирование ячеек АТМ

Входные потоки данных разных пользователей, имеющие разные скорости (64 кбит/с; 2 Мбит/с; 34 Мбит/с и другие), разбиваются на блоки данных. При этом, чем выше скорость потока, тем больше блок данных. Каждый блок данных разбивается на одинаковые сегменты. В технологии АТМ сегменты имеют объем 48 байт. Очевидно, что чем выше скорость входящих данных, тем больше сегментов формируется при адаптации. Ниже каждый сегмент получает индивидуальный заголовок и далее передается для транспортирования через сеть (общий физический канал). Полная структура ячейки (пакета) АТМ, предназначенного для передачи через различные участки сети АТМ, представлена на рисунке 2.21.

Рисунок 2.21. Ячейка АТМ и виды заголовков

Заголовки ячеек бывают двух типов. Первый тип заголовка, названный UNI (рисунок 2.21), предназначен для участка сети "пользователь-сеть". Второй тип заголовка, названный NNI, предназначен для обмена между узлами сети АТМ.

Каждый элемент заголовка ячейки АТМ имеет определенное назначение.

GFC (Generic Flow Control) – контроль общего потока (на участке пользователь-сеть).

VCI и VPI (Virtual Channel Identifier, Virtual Path Identifier) – иденти-фикаторы виртуального пути (VPI) и канала (VCI).

Каждая ячейка АТМ содержит в заголовке адрес, состоящий из двух частей: идентификатора виртуального пути (VPI) и идентификатора виртуального канала (VCI). Этот адрес дает уникальную идентификацию виртуального соединения АТМ на физическом интерфейсе.

При этом понятие "виртуальное соединение" предполагает наличие соединения по запросу пользователя, т.е. в моменты обмена данными и при этом создается иллюзия существования непрерывного канала, но на самом деле физического соединения нет.

Физический путь передачи содержит один или несколько виртуальных путей, каждый из которых состоит из одного или нескольких виртуальных каналов. VPI и VCI связаны с конкретным соединением на заданном пути передачи и имеют только локальное значение для каждого коммутатора. Коммутатор преобразует входные пути VPI и каналы VCI в выходные VPI и VCI, что демонстрируется на рисунке 2.22.

Рисунок 2.22. Назначение идентификаторов VPI и VCI

Между узлами и терминалами сети образуются виртуальные пути и виртуальные каналы. Адресное пространство на участке терминал-сеть (А-Б или Д-Е) составляет 28 VPI и 216 VCI, а на участке между коммутаторами (В-Г) составит 212 VPI и 216 VCI. На участках сети АТМ А-В и Г-Е сохраняется идентификатор виртуального канала (VCI 57 и VCI 15), но изменяется идентификатор виртуального пути VPI 2 - VPI 7 и VPI 3 - VPI 1. Это изменение происходит в кроссовом коммутаторе ATM (Cross Connect). Общая структура коммутатора приведена на рисунке 2.23.

Рисунок 2.23. Общая структура коммутатора АТМ

Виртуальные каналы, создаваемые в сети АТМ, могут быть представлены тремя видами:

PVC (Permanent Virtual Circuit) – постоянные виртуальные каналы – это постоянное соединение между двумя оконечными станциями, которое устанавливается в процессе конфигурирования сети;

SVC (Switched Virtual Circuit) – коммутируемые виртуальные каналы – устанавливается соединение каждый раз, когда одна оконечная станция пытается адресовать данные другой оконечной станции. При этом когда посылающая станция запрашивает соединение, сеть АТМ распространяет адресные таблицы и сообщает этой станции VCI и VPI, включаемые в заголовок ячейки. SVC устанавливается динамически.

SPVC – это гибрид PVC и SVC. SPVC обладает лучшими свойствами двух видов виртуальных каналов. Позволяет заранее задать конечные станции и некоторые связи, т.е. экономить время на установление соединения.

Три бита PTI (Payload Type Identificates) – идентификатор типа полезной нагрузки, используемый для описания типа полезной нагрузки (данные пользователя или сетевое сообщение, таблица 2.5).

Таблица 2.5. Кодирование идентификатора РТ

Кодовая комбинация	Тип потока	Индикатор перегрузки	Тип блока данных
000	0 Пользователя	0 Нет перегрузки	0 Тип 0 блока
001	0 Пользователя	0 Нет перегрузки	1 Тип 1 блока
010	0 Пользователя	1 Есть перегрузка	0 Тип 0 блока
011	0 Пользователя	1 Есть перегрузка	1 Тип 1 блока
100	1 Сети	0 Обслуживание (сегмент за сегментом)
101	1 Сети	0 Обслуживание из конца в конец
110	1 Сети	1 Административное управление сетевыми ресурсами
111	1 Сети	1 Резерв

CLP (Cell Loss Priority) – один бит заголовка содержит информацию о приоритете пакета АТМ. Приоритет устанавливается в коммутаторе в зависимости от состояния сети. CLP = 1 – высокий приоритет потери ячейки. Ячейки выбрасываются в первую очередь при перегрузке сети. CLP = 0 – низкий приоритет потерь.

Для синхронизации между передатчиком и приемником ячеек АТМ используется процедура поля HEC (Header Error Control) – контроль ошибок в заголовке. HEC кроме синхронизации обеспечивает обнаружение и частичное исправление ошибок в заголовке (рисунок 2.6).

Поток данных первых четырех байт делится в передатчике на многочлен х⁸+х²+х+1. Остаток от деления (8 бит) передается в поле HEC. Поле HEC для ячеек одного канала фиксировано. Приемник после каждых 53 байт фиксирует поле HEC. Если шесть раз подряд фиксируется одинаковое поле HEC, то приемник переходит в режим синхронизма. В этом режиме могут поддерживаться два состояния: обнаружение и исправление одиночных ошибок и обнаружение и не исправление многих ошибок в заголовках на определенном временном интервале или в заголовке.

В технологии АТМ принято различать следующие виды ячеек: пустые (свободные); исправные; неисправные; присвоенные; не присвоенные; ячейки сигнализации; ячейки управления и обслуживания.

Пустые (свободные) ячейки – ячейки физического уровня сети АТМ, которые предназначены для приспособления скорости передачи информационных ячеек по границе среды АТМ и среды физической к емкости системы передачи. С их помощью обеспечивается непрерывность потока ячеек.

Исправные ячейки – ячейки, которые имеют заголовок без ошибок, или на которых сделана коррекция на физическом уровне.

Неисправная ячейка – ячейки, заголовки которых содержат ошибки, которые неисправимы на физическом уровне. Такие ячейки подлежат отбрасыванию на физическом уровне, т.е. на уровне транспортировки в физической среде.

Присвоенные ячейки – ячейки, которые определены для конкретных услуг на уровне АТМ.

Ячейки без присвоения – ячейки, которые не содержат присвоения услугам уровня АТМ, но имеют значения VPI и VCI.

Ячейки сигнализации – ячейки, переносящие сигнальные сообщения между элементами сети для установления, поддержки или разъединения соединения в сети.

Ячейки управления и обслуживания – ячейки, которым определено переносить информацию администрирования и обслуживания (например, контроля и управления трафиком).

Для лучшего понимания процессов мультиплексирования в ATM рассматривается модель транспортировки ATM,состоящая из трех плоскостей: плоскости сигнализации и контроля, плоскости пользователя, плоскости управления. Эти плоскости связывают физический уровень, уровень АТМ, уровень адаптации АТМ и верхние уровни (сигнализации и служб). Структура модели приведена на рисунке 2.24.

Плоскость сигнализации и контроля обеспечивает установление, прекращение и контроль соединений. Для этого в плоскости предусмотрены функции сигнализации, адресации и маршрутизации. Благодаря этой плоскости создаются соединения.

Плоскость услуг (пользовательская) обеспечивает передачу информации в виде данных, аудио- и видео информации. Плоскость отвечает за защиту данных пользователя, управляет потоком данных.

Плоскость управления обеспечивает совместную работу двух первых плоскостей. Она позволяет координировать управление плоскостями и уровнями. Управление плоскостями позволяет получить единую систему с единым описанием, а управление уровнями обеспечивает предоставление требуемых от отдельных уровней ресурсов для конкретных случаев.

Рисунок 2.24. Трехмерная модель АТМ

Уровень адаптации АТМ (AAL, ATM Adaptation Layer) представляет собой набор протоколов AAL1 – AAL5, которые преобразуют сообщения протоколов верхних уровней в ячейки АТМ нужного формата, и наоборот, из ячеек восстанавливает информационные потоки. Уровень адаптации состоит из нескольких подуровней (рисунок 2.25)

Нижний подуровень AAL, называемый сегментирующим и собирающим (Segmentation and Reassemble, SAR), не зависит от типа протокола AAL, т.е. от трафика, и занимается разбиением (сегментированием) сообщения, принимаемого от верхнего подуровня.

Рисунок 2.25. Структура AAL

Сегмент составляет 48 байт. Далее сегмент получит заголовок (5 байт) и будет направлен на физический уровень в виде ячейки АТМ (53 байта).

Верхний подуровень AAL, называемый подуровнем конвергенции (Convergence Sublayer, CS), зависит от конкретного вида трафика. Протоколы CS решают многие задачи: синхронизацию передачи и приема, контроль битовых ошибок, мультиплексирование пользовательских данных и т.д.

Для нормальной работы AAL формируются служебные сообщения, включаемые в блоки данных перед сегментацией. Передача данных через уровень AAL может происходить в двух режимах: сообщения и потока. Благодаря AAL созданы несколько классов обслуживания (рисунок 2.26).

Рисунок 2.26. Адаптационные уровни и классы обслуживания

Уровень АТМ полностью не зависит от процессов физического уровня. Основная задача АТМ уровня состоит в подготовке данных, получаемых от AAL, для передачи в сеть на передаче. На приемной стороне ячейки, поступившие из сети, преобразуются в поток сегментов, направляемых на AAL. Кроме того, уровень АТМ транслирует ячейки в сети через коммутаторы, статистически мультиплексирует и демультиплексирует потоки ячеек.

Физический уровень – самый нижний уровень модели АТМ и определяет физический интерфейс. Он делится на два подуровня: подуровень согласования с системой передачи и подуровень физической среды (рисунок 2.27).

Физический уровень АТМ может быть реализован технологиями PDH, SDH, OTH и прямой передачей ячеек в физическую среду через конвертор линии, например, оптический, в котором происходит линейное кодирование/декодирование и модуляция несущей частоты.

Рисунок 2.27. Составляющие физического уровня АТМ

2.4. Мультиплексирование ОТН

Схема мультиплексирования и упаковки оптической транспортной иерархии ОТН (Optical Transport Hierarchy) отражает последовательность преобразований информационных данных и оптических сигналов в интерфейсе оптической сети. Схема представлена на рисунке 2.28. Процедуры преобразований показаны стрелками. Блоки схемы, изображенные в виде прямоугольников, предназначены под упаковку цифровых данных. Блоки схемы, изображенные в виде овалов, предназначены для операций мультиплексирования.

Рисунок 2.28. Схема мультиплексирования и упаковки ОТН

Таблица 2.6. Иерархические скорости и циклы ОТН

OTUk	Скорость, кбит/с	Отклонение скорости	Длительность цикла
OTU1	2 666 057	± 20× 10^–6	48,971 мкс
OTU2	10 709 225		12,191 мкс
OTU3	43 018 413		3,035 мкс

В результате операций упаковки создаются адаптированные блоки цифровых данных, которые передаются в оптических каналах, т.е. на отдельных волнах. В результате операций мультиплексирования создаются групповые блоки цифровых данных и групповые блоки оптических каналов с разделением по длине волны WDM. Отдельные блоки цифровой и оптической передачи имеют следующее назначение.

OPUk, Optical Channel Payload Unit-k, блок оптического канала нагрузки порядка k, где k = 1, 2, 3. Эта информационная структура используется для адаптации информации пользователя к транспортировке в оптическом канале. Адаптация производится на скорости 2.5Гбит/с, 10Гбит/с, 40Гбит/с. Это могут быть циклы SDH или другие цифровые потоки.

Блок OPUk состоит из поля информационной нагрузки и заголовка.

ODUk, Optical Data Unit-k, блок данных оптического канала порядка k, где k = 1, 2, 3. Эта информационная структура состоит из поля информации (OPUk) и заголовка.

ODUkP, ODUk Path – блок данных оптического канала порядка k, поддерживающий тракт из конца в конец оптической сети OTN (Optical Transport Network).

ODUkT, ODUkTCM – ODUk Tandem Connection Monitoring – блок данных оптического канала, поддерживающий наблюдение (мониторинг) парных (тандемных) соединений в оптической сети OTN. Один блок ODUkT допускает поддержку мониторинга до 6 тандемных сообщений.

OTUk, Optical Transport Unit-k, цифровой блок оптического канала транспортировки порядка k, где k = 1, 2, 3. Эта цифровая информационная структура используется для транспортировки ODUk через одно или большее число соединений (кроссовые соединения в узлах) оптических каналов. Блок OTUk определен в двух версиях: OTUkV и OTUk.

Блок OTUk рекомендован к применению на локальных участках OTN в полной и упрощенной формах исполнения.

Блок OTUkV характеризуется как частично стандартизированная структура и рекомендуемая для применения в составе оптического транспортного модуля ОТМ (Optical Transport Module) в полной форме исполнения. Блок OTUkV состоит из блока данных оптического канала, заголовка для управления соединением оптического канала и поля контроля/исправления ошибок FEC, Forward Error Correction (глава 8).

Для передачи в оптической секции формируются/расформировываются оптические транспортные модули OTM-n.m, OTM-nr.m, OTM-0.m. Индексы ОТМ определены для обозначения различных вариантов построения модулей.

Индекс "n" используется для обозначения максимального числа волн передачи. Если n = 0, то это признак одноволновой передачи.

Индекс "r" используется для обозначения упрощенных функций, в частности ОТМ не содержит отдельный канал передачи заголовков.

Индекс "m" используется для обозначения иерархической ступени ОТН с соответствующей скоростью передачи в варианте комбинирования скоростей. Он является расширенным по сравнению с индексом "k" обозначением (m = 1, 2, 3, 12, 123, 23).

Индекс "k" используется для обозначения поддерживаемой иерархической скорости ОТН. k = 1 соответствует примерно скорости 2,5 Гбит/с, k = 2 соответствует примерно скорости 10 Гбит/с, k = 3 соответствует примерно скорости 40 Гбит/с.

Передача в оптической физической секции, включающей в свой состав усилители, компенсаторы дисперсии, волоконные световоды, предусмотрена в виде многоволнового оптического сигнала, состоящего из одного или нескольких OTM. Порядок волновой передачи OTM определен индексом "n", который может быть 0 ≤n ≤16.

Цифровые блоки данных OTUk, где k = 1, 2, 3, образуют оптическую транспортную иерархию ОТН, для которой определены скорости передачи информации, цикличность и структура цикла. В таблице 2.6 представлены скорости передачи OTUk и их периодичность.

На рисунке 2.29 приведена общая структура OTUk, при создании которой на этапах мультиплексирования применяется побайтовое объединение информационных данных ODUk в групповые блоки ODTUGk, где k = 1, 2, 3. Формирование структур OTUk, ODUk и OPUk связано с присоединением заголовков ОН и согласованием скоростей.

Цикл OTUk начинается синхрословом FAOH емкостью 7 байт в головной части. В завершении цикла применяется блок 4´ 256 байт, который может быть представлен кодом Рида-Соломона RS (Reed-Solomon) или содержать нулевое заполнение (глава 8).

Передача байт блоков OTUk производится слева на право и сверху вниз байт за байтом (рисунок 2.30).

Конечным результатом исполнения операций схемы мультиплексирования является оптический транспортный модуль ОТМ в одном из трех вариантов: OTM-0.m; OTM-nr.m и OTM-n.m. В этих вариантах ОТМ могут сочетаться различные по скорости оптических каналов, с загружаемыми в них OTUk. Например, OTM-n.1 переносит сигналы OTU1 в n-оптических каналах или OTM-n.23 переносит j количество сигналов OTU2 и I количество сигналов OTU3, а сумма соответствует неравенству i + j ≤ n.

Рисунок 2.29. Структура цикла OTUk

Рисунок 2.30. Порядок передачи OTUk

Блок оптического канала OCh предназначен для транспортировк информационных данных пользователя сети OTN. В каждом оптическом канале OCh производится регенерация цифровых сигналов по принципу 3R, т.е. восстановление амплитуды, формы и фазовых параметров электрических импульсов. Пользовательские сигналы в OCh представляют собой сигналы OTUk. Кроме того, OCh могут поддерживать передачу других цифровых сигналов, например STM-N, Гигабит Ethernet. Блок оптического канала может создавать сетевой цикл полной или упрощенной формы.

Полная форма цикла уровня OCh предполагает перенос пользовательских данных на отдельной оптической частоте и заголовка каждого оптического канала на общей оптической частоте для n-каналов, т.е. отдельным оптическим сервисным каналом (OOS).

Упрощенная форма сигнала уровня OCh исключает оптический сервисный канал.

Для каждого оптического канала OChn используется поле сигналов обслуживания, помещаемое в заголовке OOS.

Блок переноса оптического канала ОСС (Optical Channel Carrier) предназначен для модуляции/демодуляции оптической частоты. Он может исполнять функции в двух вариантах: ОСС и ОССr. Вариант блока ОСС используется в полнофункциональной схеме оптического мультиплексирования с формированием заголовка ОСС в секции оптического мультиплексирования OMS. Вариант блока OCCr используется в упрощенной схеме оптического мультиплексирования без заголовка ОСС.

Каждому блоку ОСС придается точно определенная оптическая частота, соответствующая стандарту DWDM или CWDM.

DWDM, Dense Wavelength Division Multiplexing – плотное мультиплексирование с разделением по длине волны.

CWDM, Coarse Wavelength Division Multiplexing – редкое мультиплексирование с разделением по длине волны.

Блок группирования оптических несущих частот порядка n OCG-n (Optical Carrier Group of order-n) предназначен для мультиплексирования/демультиплексирования до 16 частот (n < 16). Предусмотрено две разновидности группирования: OCG-n.m и OCG-nr.m.

Группирование OCG-n.m состоит в объединении/делении n оптических несущих частот с каналами нагрузки OTU-m в любом сочетании m (ОТU1, OTU2, OTU3) и канала обслуживания с заголовком ОСС.

Группирование OCG-nr.m состоит в объединении/делении n оптических несущих частот с каналами нагрузки OTU-m в любом сочетании m (ОТU1, OTU2, OTU3). В этом варианте группирования не предусмотрено отдельного ассоциированного заголовка.

Благодаря группированию OCG-n создается оптическая секция мультиплексирования OMS-n, в которой образуются блоки оптического мультиплексирования OMU-n (Optical Multiplex Union-n, n > 1).

Для поддержки уровня оптической секции мультиплексирования создается заголовок секции мультиплексирования OMS-n OH, транспортируемый в сервисном канале OOS.

Блок оптического транспортного модуля OTM-n.m поддерживает оптическую секцию передачи OTS-n в оптической транспортной сети OTN. Модуль OTM-n.m создается в OTS-n и состоит из оптических волн нагрузки (OMS-n) и отдельного заголовка OTS-n OH, передаваемого в OOS.

Понятие оптической секции передачи может быть ассоциировано с понятием оптической физической секции порядка n, OPS-n. В OPS-n передается многоволновый оптический сигнал по определенной физической среде (волокна, соответствующие рекомендациям G.652, G.653, G.655, G.656). Кроме того, допускается ассоциация OMS и OTS в OPS. Число n установлено не более 16. Очевидно, что в паре оптических волокон можно организовать несколько отдельных OPS, в каждом из которых может быть до 16 волн. Это возможно благодаря стандартной сетке частот, пример которой рассмотрен в главе 8.

На рисунке 2.31 приведена структура интерфейса оптической транспортной сети с рассмотренными обозначениями, соответствующими схеме мультиплексирования OTH. Этой структуре соответствует схема оптической системы передачи OTH с секциями и каналами (рисунок 2.32).

Рисунок 2.31. Структура интерфейса оптической транспортной сети

Рисунок 2.32. Схема оптической системы передачи с мультиплексированием OTH

В схеме оптической системы передачи с мультиплексированием OTH предусмотрены промежуточные ретрансляторы (R) многоволновых сигналов оптических транспортных модулей OTM, включенные в секции обслуживания OTS, оптические мультиплексоры OMX с соответствующим обслуживанием в секции OMS, транспондеры TPD c обслуживанием оптических каналов OCh, с функциями 3R регенераторов и обслуживанием цифровых блоков OPU, ODU, OUT (таблица 2.7) и загрузкой и выгрузкой информационных сигналов.

Таблица 2.7. Емкости цифровых блоков OTH

ODU – тип блока	OPU – блок нагрузки (кбит/с)	Шаг (кбит/с)
ODU1	2 488 320
ODU2	238/237 ´ 9 953 280 » 9 995 277
ODU3	238/236 ´ 39 813 120 » 40 150 519
ODU1-Xv, X = 1 to 256	2 488 320 to 637 009 920	2 488 320
ODU2-Xv, X = 1 to 256	» 9 995 277 to » 2 558 709 902	» 9 995 277
ODU3-Xv, X = 1 to 256	» 40 150 519 to » 10 278 532 946	» 40 150 519

2.5. Мультиплексирование Ethernet

Стандарт Ethernet прошел длительный путь эволюционного развития от технологии доступа с контролем коллизий на витой паре, "тонком" или "толстом" коаксиальном кабеле, до одномодовых световодов с дуплексной раздельной передачей и построением пассивной оптической сети. При этом скоростной режим изменился от 10 Мбит/с до 10 Гбит/с, а в перспективе составит уже 100Гбит/с.В процессе эволюции Ethernet меняется не только скоростной режим, но и формат кадров передачи, в которых учитывались возможности дуплексной передачи и хронометраж передачи. Пример двух различных форматов кадров приведен на рисунке 2.33.

Рисунок 2.33. Форматы кадров Ethernet

1 – кадр IEEE 802.3; 2 – кадр IEEE PON 802.3ah

Назначение полей кадров Ethernet:

преамбула состоит из семи байт 10101010;

SFD, Start-of-Frame-Delimiter – начальный ограничитель кадра состоит из одного байта 10101011, появление его указывает на то, что следующий байт относится к заголовку;

DA, Destination Address – адрес назначения длиной от 2 до 6 байт;

SA, Source Address – адрес источника от 2 до 6 байт, содержит адрес узла-отправителя данных;

L/T, Length/Type – длина или тип кадра указывает в 2-х байтах на длину или тип кадра, последний может быть задействован для обозначения разнотипных кадров;

поле данных может содержать до 1500 байт;

поле PAD (Padding) заполняет недостающее пространство данных до 46 байт;

FCS, Frame Check Sequence – поле контрольной суммы (CRC-32);

SOP, Start of Packet – поле указывает на начало кадра пассивной оптической сети PON 802.3ah;

резервное поле 4 байта;

LLID, Logical Link Identificator – индивидуальный идентификатор узла PON в 2-х байтах;

первый бит LLID указывает на вид соединения "точка-точка" или "точка-многоточка", а остальные 15 бит содержат собственно индивидуальный адрес узла E-PON;

CRC, Circle redundancy Check – контрольная сумма по преамбуле.

Протокольная организация Ethernet предусматривает контроль коллизий, т.е. одновременную передачу по общей линии сообщений более чем одной станцией. Для этого в различных версиях Ethernet предусмотрены такие механизмы, как CSMA/CD или MPCP и т.д.Метод доступа CSMA/CD (Carrier-Sense Multiply-Access/Collision Detection) называется методом коллективного доступа с опознанием несущей и обнаружением коллизий и применяется исключительно в сетях с логической общей шиной, к которой подключаются рабочие станции. Метод доступа MPCP (Multi-Point Control Protocol) – протокол управления множеством узлов, который представляет порядок передачи данных и устраняет коллизии.Совместно с формированием логических кадров передачи данных протоколы доступа являются частью логической структуры интерфейсов Ethernet, соответствующих физическому и канальному уровням модели взаимодействия открытых систем OSI (рисунок 2.34).

Рисунок 2.34. Протокольная структура Ethernet

Протокол управления логическим каналом LLC может поддерживать одну из процедур передачи:

передача без установления соединений и без подтверждений (дейтаграммы);

передача с установлением соединения (образования логического канала) и подтверждением;

передача без установления соединения, но с подтверждением.

Протоколы управления доступом к среде MAC это уже рассмотренные примеры CSMA/CD и MPCP.Физическое кодирование PCS зависит от вида среды передачи, например, используется кодирование 4В5В в формате NRZ для передачи по волоконно-оптической линии. Более подробную информацию о Ethernet IEEE 802.3 можно найти в литературе [19, 20, 21].

2.5.1. Ethernet стандарта EoT ITU-T G.8010 в оптической системе передачи

Протокольные уровни Ethernet стандарта ITU-T G.8010 определены в подуровнях для управления и контроля при использовании различных сред передачи (рисунок 2.35).

Кадры Ethernet EoT снабжаются сообщениями о типе нагрузки, протокольными метками доступа в подсеть SNAP (Sub-Network Access Protocol), контролем логического канала с адаптированными пользовательскими сигналами LLC (Logical Link Control), метками длины поля пользовательской нагрузки в кадре и типом кадра Ethernet. Транспортировка кадров Ethernet EoT может осуществляться с наблюдением транспортного тракта из конца в конец ETHP (Ethernet end-to-end path) и сегментным мониторингом ETHS (Segment monitoring). Большинство вариантов передачи кадров уже стандартизированы: Ethernet ® PDH, SDH, OTH, ATM. Протоколы GFP(Generic Framing Procedure – общая процедура формирования кадра, стандарт ITU-T) и LAPS(Link Access Procedure SDH – процедура доступа к линии SDH, стандарт ITU-T) обеспечивают эффективное согласование пакетной и циклической передачи.

Однако перенос кадров Ethernet через сети с протоколами MPLS (многопротокольная коммутация по меткам) и RPR(защищаемое пакетное кольцо) еще находятся в стадии разработки стандартов.

Рисунок 2.35. Структура интерфейсов Ethernet с различными средами передачи

2.5.2. Схемы мультиплексирования Ethernet

Схемы мультиплексирования Ethernet различаются ступенями мультиплексирования. Общая схема мультиплексирования представлена на рисунке 2.36.

Одноступенчатая схема мультиплексирования кадра Ethernet предусматривает объединение до 4096 кадров Ethernet в общий логический путь транспортной сети (рисунок 2.37). Для этого каждый мультиплексируемый кадр получает свою метку (C-Tag), содержащую идентификатор локальной сети (рисунок 2.38).

Двухступенчатая схема мультиплексирования предполагает возможность объединения уже мультиплексированной нагрузки на первой ступени с метками C-Tag в количестве М, где число M однозначно не регламентировано. На рисунках 2.39 и 2.40 представлено двухступенчатое мультиплексирование Ethernet.

Рисунок 2.36. Общая схема мультиплексирования Ethernet