Функциональные модули сети SDH

Лекция 6

Вопросы к лекции 5

1. Какие минимальные трибутарные потоки используются в технологии SDH?

2. Можно ли ив технологии PDH выделить канал DS-0 непосредственно из канала DS-3&

3. Какие методы используются для решения предыдущей проблемы в PDH и SDH?

4. Почему первичные сети обеспечивают высокое качество обслуживания всех видов трафика?

5. Какое максимальное число Е1 может мультиплексировать кадр STM-1?

Набор модулей, из которых строятся сети СЦИ: мультиплексоры, коммутаторы, концентраторы, регенераторы и терминальные устройства - определяется следующими основными операциями, выполняемыми при передаче данных по сетям:

- сбор входных потоков с помощью каналов доступа в агрегатный блок, транспортируемый по сети;

- передвижение агрегатных блоков по сети с возможностью ввода-вывода входных потоков;

- передача виртуальных контейнеров из одного сегмента сети в другой с помощью коммутаторов или кросс-коннекторов (Digital Cross-Connect - DXC);

- объединение нескольких однотипных потоков в распределительном узле - концентраторе;

- восстановление формы и амплитуды сигналов, передаваемых на большие расстояния;

- сопряжение с сетями пользователей с помощью согласующих устройств - конверторов интерфейсов, скоростей, импедансов и т. д.

Мультиплексор (multiplexer – MUX) - основной функциональный модуль сетей СЦИ и ПЦИ. Этим термином обозначают устройства сборки (мультиплексирования) высокоскоростного потока из низкоскоростных и разборки (демультиплексирования), т. е. выделения из высокоскоростного низкоскоростных потоков.

Мультиплексоры СЦИ (SMUX) в отличие от мультиплексоров, используемых в сетях ПЦИ, могут выполнять и функции собственно мультиплексора и устройства терминального доступа, позволяя подключать низкоскоростные каналы ПЦИ непосредственно к своим входным портам. К тому же они способны решать задачи коммутации, концентрации и регенерации вследствие их конструкции. Таким образом, их возможности зависят лишь от системы управления и состава модулей. Различают два типа мультиплексоров: терминальные и ввода-вывода.

Терминальный мультиплексор (terminal multiplexer – ТМ) (рис.6.1) является оконечным устройством сети СЦИ с некоторым числом каналов доступа, соответствующим определенному уровню иерархий ПЦИ и СЦИ. Для мультиплексора четвертого уровня иерархии СЦИ (STM-64), имеющего скорость выходного потока 10 Гбит/с, входными каналами могут служить потоки ПЦИ со скоростью передачи данных 1, 2, 5, 6, 8, 34, 45, 140 Мбит/с и потоки SDH со скоростью 155, 622 и 2500 Мбит/с (соответствующие STM-1, STM-4, STM-16). Если каналы ПЦИ являются электрическими, то каналы СЦИ могут быть как электрическими (STM-1), так и оптическими. У мультиплексоров третьего уровня исключается входной канал со скоростью 2500 Мбит/с, второго - еще и канал со скоростью 622 Мбит/с. У мультиплексоров первого уровня входными могут быть только потоки ПЦИ. Конкретный мультиплексор может и не поддерживать полный набор входных каналов доступа.

PDH Запад

трибы

каналы доступа Оптический агрегатный канал

приема/передачи

SDH

трибы Восток

Рис.6.1. Терминальный мультиплексор

Важной особенностью мультиплексора СЦИ является наличие двух оптических выходов (каналов приема/передачи), называемых агрегатными, используемых для резервирования или защиты по схеме 1+1 с целью повышения надежности. Эти выходы (в зависимости от топологии сети) могут называться основными и резервными (линейная топология) или восточными и западными (кольцевая топология). Нужно заметить, что термины "восточный" и "западный" применительно к сетям СЦИ 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". Если резервирование не применяется, то достаточно одного выхода.

Мультиплексор ввода-вывода (Add/Drop Multiplexer - ADM) может иметь тот же набор каналов ввода, что и терминальный мультиплексор, и дополнительно такой же набор каналов вывода.

Концентратор - вырожденный случай мультиплексора. Он объединяет однотипные потоки нескольких удаленных узлов сети в одном распределительном узле, связанном с главной транспортной магистралью. Это позволяет уменьшить общее число подключенных непосредственно к ней каналов. Концентратор дает возможность удаленным узлам обмениваться информацией между собой, не загружая основной трафик.

Регенератор (рис. 6.2) – это мультиплексор, имеющий один входной канал доступа (как правило, оптический канал STM-n) и один или два (при использовании защиты 1+1) агрегатных выхода. Его применяют, если нужно увеличить расстояние между узлами сети СЦИ. Без регенерации для одномодовых волоконно-оптических кабелей оно составляет 15 - 40 км (при длине волны порядка 1300 нм) или 40 - 80 км (1500 нм), а с помощью регенератора его можно увеличить до 250 - 300 км.

Запад

SDH трибы Оптический агрегатный канал

приема/передачи

Восток

Рис.6.2. Регенератор

Коммутатор - устройство, позволяющее связывать различные каналы, закрепленные за пользователями, путем организации полупостоянного перекрестного соединения между ними. Тем самым становится возможной маршрутизация в сети СЦИ на уровне виртуальных контейнеров VC-n, управляемая менеджером сети в зависимости от заданной конфигурации.

Возможность внутренней коммутации каналов физически заложена в мультиплексоре СЦИ. Так, если менеджер полезной нагрузки устанавливает логическое соответствие между каналом доступа и блоком TU, то это означает установление внутренней коммутации каналов. Коммутация собственных каналов доступа мультиплексора, носит название локальной коммутации каналов.

Однако, обычно используют специально разработанные коммутаторы (Synchronous Digital Cross-Connects – SDXC), осуществляющие не только локальную, но и сквозную (общую) коммутацию высокоскоростных потоков (со скоростью 34 Мбит/с и выше) и синхронных транспортных модулей STM-N.

Такие коммутаторы принято обозначать SDXC n/m, где n - номер виртуального входного контейнера, а m - максимальный номер коммутируемого виртуального контейнера. Иногда вместо максимального значения m указывают весь набор коммутируемых виртуальных контейнеров: m/p/q. Например, для уровня STM-1 допустимы такие типы коммутаторов:

- SDXC 4/4 - принимает и обрабатывает контейнеры VC-4 (или потоки со скоростями 140/155 Мбит/с);

- SDXC 4/3/2/1 - принимает контейнеры VC-4 (или потоки со скоростями 140/155 Мбит/с) и обрабатывает VC-3, VC-2 и VC-1 (или потоки со скоростями 34/45, 6/8 и 1,5/2 Мбит/с);

- SDXC 4/3/1 - принимает контейнеры VC-4 (или потоки со скоростями 140/155 Мбит/с) и обрабатывает VC-3 и VC-1 (или потоки со скоростями 34/45 и 1,5/2 Мбит/с);

- SDXC 4/1 - принимает VC-4 (или потоки со скоростями 140/155 Мбит/с) и обрабатывает VC-1 (или потоки со скоростями 1,5/2 Мбит/с).

Коммутаторы выполняют следующие функции:

- маршрутизация виртуальных контейнеров с помощью соответствующего заголовка POH;

- объединение виртуальных контейнеров;

- трансляция потока от одной к нескольким точкам;

- сортировка (перегруппировка) виртуальных контейнеров для создания нескольких упорядоченных потоков из входного;

- доступ к виртуальному контейнеру для тестирования оборудования;

- ввод-вывод виртуальных контейнеров

Отказоустойчивые схемы в сетях СЦИ

Известно, что при разработке технологии SDH была предусмотрена возможность автоматического сетевого резервирования за счет введения в аппаратуру SDH встроенных средств контроля и автоматического переключения на резерв. В рекомендациях МСЭ-Т G.803, G.805, G.841, G.842 были стандартизованы так называемые отказоустойчивые (self-healing) сетевые структуры SDH, позволяющие при обнаружении отказа производить резервирование автономно, без участия системы управления. Отметим, что все стандартные отказоустойчивые структуры SDH способны устранять последствия только одиночных отказов узлов или линий. Обнаружение повреждения и переключение на резерв осуществляется программным способом в мультиплексорах SDH, но каждая отказоустойчивая структура отличается построением схемы переключения на резерв и необходимой величиной резервных емкостей. Для каждой из таких отказоустойчивых структур в данном материале указывается наиболее эффективное место ее применения на сети с получением наилучшего соотношения для значений пропускной способности и надежности.

Транспортные сети с использованием технологии DWDM на оптическом уровне реализуют практически все отказоустойчивые сетевые структуры или схемы резервирования, присущие технологии SDH. Отметим, что в данном материале для обозначения спектрального уплотнения используются аббревиатуры DWDM и WDM, которые с учетом тематики данного материала можно считать синонимами. В рекомендациях МСЭ-Т: G.667, G.681, G.872, G.902, G.911, G.957, G.958 определены характеристики архитектуры сетей с DWDM. Кроме того, специально для технологии DWDM был разработан ряд новых типовых отказоустойчивых схем, которые пока не стандартизованы, но уже реализованы в аппаратуре отдельных производителей и нашли широкое применение на транспортных сетях, так как позволяют улучшить рабочие характеристики сети и предоставить новые транспортные возможности, которые не были доступны в сетях SDH. Например, для сетей с DWDM разработаны экономичные схемы с динамической конфигурацией рабочих и резервных путей. В данном материале приводится краткое описание этих новых структур с указанием способов их расчета.

Обзор существующих типовых отказоустойчивых структур SDH

Отказоустойчивые структуры в сетях SDH могут использовать различные схемы резервирования, которые подразделяются на:

– кольцевые,

– линейные и

– решетчатые.

Эти схемы хорошо известны, но, несмотря на это, здесь мы кратко остановимся на их характеристиках, так как на сетях операторов эти схемы часто используются неэффективно.

Кольцевое резервирование в сетях SDH представлено структурами двух типов: кольца SNCP (SubNetwork Connection Protection – резервирование соединений подсети) и кольца MS SPRing (Multiplex Section Shared Protection Ring – кольцо с совместным резервированием мультиплексных секций), которые различаются принципами резервирования.

Кольца SNCP реализуют схемы индивидуального резервирования путем одновременной передачи каждого потока (тракта пользователя) по двум противоположным направлениям кольца. На приеме автоматически выбирается лучшая копия полученных данных (ри6. 3).

Рис. 6.3 Кольцо SNCP

В кольцах MS SPRing производится резервирование линий (мультиплексных секций), соединяющих пару узлов кольца, с организацией обхода поврежденной линии по обратной стороне кольца (рис.6. 4). При этом на одном конце производится переключение информации на выделенные резервные емкости, которые являются общими для всех линий кольца. На другом конце производится обратное переключение – с резервных емкостей на рабочие. Отметим, что кольца MS SPRing могут использоваться в двухволоконном и в четырехволоконном вариантах, которые обозначаются как 2F и 4F соответственно.

Рис.6.4 Кольцо MS SPRing

Схемы линейного резервирования организуют одновременную передачу информации между сетевыми узлами по двум разнесенным (не имеющим общих узлов) трассам в сети произвольной структуры, что обозначается как 1+1. Эти схемы также бывают двух видов: с резервированием линий и с резервированием потоков.

С

Схема MSP 1+1 (Multiplex Section Protection – резервирование мультиплексных секций)позволяетпри повреждении основной линии (мультиплексной секции) производить автоматическое переключение на резервную линию. В схеме MSP 1+1 переключение производится только на приемном конце, так как передача осуществляется по обеим линиям одновременно (рис. 3).

B

Рис. 6.5 Резервирование MSP 1+1

Следует отметить, что резервная линия (рис. 6. 5) проходит узел C без преобразования (только по оптике).

Резервирование по схеме SNCP 1+1 производит резервирование трактов и предусматривает передачу потоков или трактов пользователей между парой узлов по двум разнесенным трассам в сети произвольной структуры (рис. 6.6).

Рис. 6.6 Схема резервирования SNCP 1+1

В силу своей простоты схема резервирования SNCP 1+1 является наиболее распространенной. Для ее реализации не требуется, чтобы сеть имела какую-то строго определенную, например, кольцевую структуру или чтобы все участки сети имели одинаковую пропускную способность (что необходимо для кольцевой структуры). Анализ ТС SDH различных операторов показал, что большинство альтернативных операторов используют резервирование по схеме SNCP 1+1, а традиционные операторы чаще используют кольцевые структуры. Как указывается в ряде источников, схема резервирования SNCP 1+1 является чрезмерно избыточной, так как требует более чем вдвое повысить общую емкость (т.е. пропускную способность) сети (с учетом того, что резервная трасса для каждого потока обычно несколько длиннее основной). Кроме того, в сетях большого размера основной и резервный пути для потоков при схеме SNCP 1+1 могут содержать слишком много участков, что снижает общую надежность этой схемы. С точки зрения надежности в больших сетях предпочтительнее вместо линейных схем SNCP 1+1 строить кольцевые структуры, так как с их

Структуры в сетях SDH с использованием кросс-коннекторов

Реальные структуры сетей SDH состоят из комбинаций описанных выше элементарных отказоустойчивых структур. Большое разнообразие таких комбинаций позволяет разработчикам выбирать наиболее подходящие к реальным условиям сети.

Появление на ТС SDH аппаратуры сетевых кросс-коннекторов (DXC – digital cross-connect) позволяет рассматривать новые типовые структуры или шаблоны в сетях SDH. В этом случае на порты таких кросс-коннекторов с помощью оптического или электрического интерфейса заводятся агрегатные или компонентные потоки верхнего уровня, которые демультиплексируются до уровня STM-1 и уже на уровне STM-1 подключается ко входам расположенного в кросс-коннекторе неблокирующего коммутатора, позволяющего коммутировать все тракты STM-1, а также производить обмен трактами Е1 между различными STM-1. В настоящее время на сетях ряда операторов уже установлены такие кросс-коннекторы, имеющие матрицы большой емкости. На основе сетевых кросс-коннекторов и мультиплексоров нового поколения могут строиться различные структуры в сетях SDH. Отметим, что при использовании кросс-коннекторов на сетях операторов РФ реализуется только функция постоянного переключения или кроссировки, а функция динамического переключения, которая должна выполняться при резервировании в решетчатых сетях, пока в сетях SDH операторов РФ не используется.

Одной из структур, которые могут строиться с использованием сетевых кросс-коннекторов, является структура так называемых «вырожденных колец», где кольца SNCP демонтируются, а каждая половинка бывшего кольца заводится на два кросс-коннектора (K 1 и K 2 на рис. 6. 7). В этом случае каждое бывшее кольцо SNCP разбивается на две части, которые превращаются в линейные структуры SNCP 1+1, взаимодействующие друг с другом через кросс-коннекторы. На рис. 6 показано превращение двух колец SNCP с узлами 1, 2, 3, 4, 5 и 6, 7, 8, 9, 10 в линейные структуры, заведенные на кросс-коннекторы. Такая структура более экономична по пропускной способности, чем классические кольца SNCP. Например, при передаче потока из узла 2 в узел 7 этот поток проходит по всем звеньям линейной структуры 1-2-3 и 6-7-8, но не проходит, например, по звеньям 5-4 и 10-9, как это было бы необходимо в сопряженных кольцах SNCP.

Рис. 6.7 Кольца, преобразованные в линейные структуры SNCP 1+1, соединенные через два кросс-коннектора

Большой выбор пользовательских интерфейсов (оптических и электрических) и возможности матрицы коммутации позволяют с помощью кросс-коннекторов организовать, многоуровневые сетевые топологии. Например, в сетях ряда операторов в настоящее время используется двухуровневая структура сети в виде «ромашки», когда доступ периферического полукольца к кольцу верхнего уровня производится в двух точках, в которых расположены кросс-коннекторы (К1-К4 на рис. 6.8).

Рис. 6.8 Двухуровневая структура сети с резервированием SNCP 1+1

Общей тенденцией развития структур транспортных сетей SDH является их многоуровневое построение, когда выделяется периферийная сеть и так называемая сеть транспортных магистралей, например, сеть между кросс-коннекторами на рис. 6.8 Многоуровневое построение транспортных сетей обычно отвечает иерархическому построению сетей, предоставляющих услуги. При этом наиболее экономичным решением является не топология типа «ромашки» с резервированием типа SNCP 1+1, а структура, когда на магистральном уровне используется резервирование MSP 1+1, а периферийная сеть строится на кольцах (рис. 6.9).

Рис. 6.9 Двухуровневое построение ТС

Эта модель состоит из внутренней магистральной подсети и внешней (периферийной) подсети. Главным фактором в разделении сети на два слоя являются характер трафика, возможности резервирования и рост сети. Внутренняя подсеть решетчатой структуры с резервированием по решетчатой схеме на кросс-коннекторах или с использованием быстродействующих структур MSP 1+1, является сетью с высокой плотностью соединений, пропускающей большой поток заявок при быстром развитии. Защита с помощью структур быстродействующих MSP 1+1, организованных на уровне линий, с учетом их легкого масштабирования и высокой скорости переключения, наиболее пригодна для использования на транспортной сети SDH верхнего уровня. Периферийная часть сети, где величина потока и темпы его роста невелики, чаще всего строится с использованием кольцевых структур.

Резервирование в решетчатых сетях

Все перечисленные выше структуры осуществляют так называемое автоматическое защитное резервирование, при котором резервные емкости и резервные маршруты фиксированы. Существует другой способ резервирования, когда резервные емкости выделяются в момент возникновения отказа. Такой способ используется в решетчатых сетях (решетчатое резервирование). Решетчатыми (mesh) сетями принято называть сети произвольной структуры с высокой (три и более) связностью узлов сети. Под связностью здесь понимается количество независимых путей между узлами, например, у древовидной структуры или звезды таких путей один, а у кольца – два. Поэтому решетчатая сеть может рассматриваться как наиболее развитая универсальная структура, позволяющая организовывать большое количество обходных путей. Решетчатые структуры обычно используются в сетях высшего уровня иерархии.

В схеме решетчатого резервирования помимо мультиплексоров должны использоваться также кросс-коннекторы, которые переключают поврежденный трафик на резервное направление под действием сигналов системы управления. На рис. 5 приведен пример схемы решетчатого резервирования. Схемы решетчатого резервирования также могут быть с резервированием участков (линий) и с резервированием трактов. В первом случае восстанавливаются все тракты, трассы которых включают поврежденный участок, путем организации обхода этого участка вне зависимости от источников и получателей этих трактов. При восстановлении трактов пострадавшие тракты восстанавливаются по принципу «из конца в конец». На рис. 5 показан пример восстановления участков и трактов.

Рис. 6.10 Пример восстановления по участкам и по трактам

Из рис. 6.10 видно, что при восстановлении линий производится резервирование тракта, проходящего по трассе А-В-С-D путем обхода поврежденного участка В-С через узел Е, а при восстановлении трактов производится обход тракта с маршрутом А-В-С-D по тракту A-F-G-H-D.

Схема решетчатого резервирования требует наименьших затрат на резервные емкости по сравнению со всеми другими схемами, так как общие резервные емкости используются при разных отказах. Однако время переключения в таких схемах велико и составляет несколько секунд, так как резервный тракт должен формироваться в процессе резервирования. В настоящее время на транспортных сетях SDH операторов связи РФ способ решетчатого резервирования не используется. Однако такие структуры находят широкое применение в сетях с технологией DWDM, о чем будет подробнее указано ниже.

Скорость переключения на резерв

Известно, что все автономные отказоустойчивые структуры SDH производят переключение на резерв за время, не превышающее 50 мс. Обеспечение на уровне SDH, т.е. на физическом уровне переключения на резерв за время порядка 50 мс не нарушает установленных соединений и практически полностью восстанавливает передаваемую информацию. Например, для разговорного трафика, для трафика видеоконференций и для мультимедийного трафика перерыв в передаче на время 50 мс не превышает нижнюю границу допустимого перерыва по нормированным характеристикам QoS, т.е. не приводит к значительной потере качества. Для трафика передачи данных в сети IP за время перерыва 50 мс может быть потеряно несколько десятков или сотен кадров. Такая потеря будет обнаружена протоколами верхнего уровня (TCP) и потерянные кадры будут автоматически повторены с помощью протоколов верхних уровней. Основной эффект переключений за время 50 мс состоит в том, что процедура перемаршрутизации на сетевом уровне за это время обычно не успевает инициализироваться. Поэтому резервирование на физическом уровне с помощью отказоустойчивых структур SDH надежно защищает сеть от наиболее частых одиночных отказов на транспортной сети. При двойных и более отказах на транспортной сети восстановление связи на физическом уровне не всегда возможно и в большинстве случаев оно должно производиться на сетевом уровне.

Как уже указывалось, при решетчатом резервировании время переключения зависит от конкретной схемы и находится в диапазоне от долей секунды до минуты. Такая длительность перерыва в обслуживании на физическом уровне может быть на сетевом уровне зафиксирована как «повреждение линии» и приводить к попыткам перемаршрутизации сообщений на сетевом уровне, т.е. к изменению маршрутных таблиц. Однако в большинстве протоколов маршрутизации стека TCP/IP используется программируемая задержка в изменении маршрутов, которая может перекрывать время переключения на резерв в решетчатых схемах. В каждом конкретном случае используется индивидуальная настройка маршрутов с учетом резервирования на физическом уровне. Особенно это относится к резервированию маршрутов с MPLS (Multy-Protocol Label Switching – мультипротокольная коммутация по меткам), которое требует одновременного рассмотрения резервирования на физическом и на сетевом уровне.

Наложенные кольца SDH и DWDM

При появлении на ТС SDH участков с DWDM топология колец SDH уже не повторяет топологию транспортной сети. Например, на рис. 10а изображена топология оптических кабелей, а на рис. 10б приведена схема кольца SDH. Из этих рисунков видно, что оптическая сеть содержит 5 узлов, а организованное на ней кольцо SDH проходит два узла только по оптике, без электрических преобразований и без установки мультиплексоров SDH.

а)

б)

Рис. 6.11 Расположение узлов в наложенном кольце SDH

Использование таких «наложенных» колец в сети SDH может оказаться эффективным, так как позволит объединить в одном кольце узлы, далеко отстоящие друг от друга, но имеющие большой взаимный трафик, что было невозможно в сети SDH. Кроме того, такое построение кольца даст возможность исключить этот трафик наложенного кольца из промежуточных участков сети, который необходимо должен был присутствовать в обычных кольцах SDH.

Как гибрид сетей SDH и DWDM может быть рассмотрен вариант построения сети, предложенный фирмой Huawei для развития городских сетей (проект «Metro»). На рис. 6.12 изображена схема этого проекта.

Рис. 6.12 Схема проекта «Metro»

Кольцевые сети SDH объединяются с оптическим кольцом верхнего уровня, через которое проходит межкольцевой транзитный трафик. Такая схема позволяет сохранить существующие кольцевые структуры SDH и повысить общий трафик в городской сети.

Дата добавления: 2014-01-05