Синхронные цифровые сети SDH: архитектура, структура кадров и принципы мультиплексирования

Тип работы: Материал
Бесплатно: Антиплагиат
Объем: 87 страниц
В избранное:

2. Синхронные цифровые сети на основе технологии SDH

Категория: Синхронная цифровая иерархия SDH (СЦИ)

2. 1. Синхронные цифровые сети

2. 2. Особенности построения синхронной иерархии SDH

2. 2. 1. Общие особенности построения синхронной иерархии

2. 2. 2. Обобщенная схема мультиплексирования потоков в SDH

2. 2. 3. Виртуальные контейнеры и другие элементы синхронной иерархии

2. 2. 4. Обобщенная схема мультиплексирования потоков в SDH

2. 2. 5. Детальный пример схемы формирования модуля STM-1

2. 2. 6. Другие варианты сборки модуля STM-1 по схеме ETSI

2. 2. 7. Сборка модулей STM-N

2. 2. 8. Структура фреймов STM-N

2. 2. 9. Структура заголовков фреймов STM-N

2. 3. Функциональные модули сетей SDH

2. 3. 1. Функциональные задачи и модули сетей SDH

2. 3. 2. Мультиплексоры

2. 3. 3. Концентраторы

2. 3. 4. Регенераторы

2. 3. 5. Коммутаторы

2. 3. 6. Функции, выполняемые коммутатором

2. 3. 7. Методы кросс-коммутации и взаимодействие сетей SDH

2. 4. Топология сетей SDH

2. 4. 1. Топология "точка-точка"

2. 4. 2. Топология "последовательная линейная цепь"

2. 4. 3. Топология "звезда", реализующая функцию концентратора

2. 4. 4. Топология "кольцо"

2. 5. Функциональные методы защиты синхронных потоков

2. 6. Архитектура сетей SDH

2. 6. 1. Радиально-кольцевая архитектура

2. 6. 2. Архитектура типа "кольцо-кольцо"

2. 6. 3. Линейная архитектура для сети большой протяженности

2. 6. 4. Архитектура разветвленной сети общего вида

2. 7. Аппаратурная реализация функциональных блоков сетей SDH

2. 7. 1. Схемная реализация и характеристики синхронных мультиплексоров

2. 7. 1. 1. Реализация мультиплексоров STM-1

2. 7. 1. 2. Реализация мультиплексоров STM-4

2. 7. 1. 3. Реализация мультиплексоров STM-4/16

2. 7. 2. Обзор аппаратной реализации оборудования сетей SDH

2. 7. 2. 1. Технические характеристики оборудования

2. 7. 2. 2. Новые технологические решения

2. 7. 2. 3. Номенклатура аппаратуры SDH компаний-производителей

2. 7. 3. Практический пример расчета сети SDH

2. 8. Особенности реализации радиорелейных линейных SDH систем

2. 9. Интерфейс G. 703

2. 9. 1. Физические и электрические характеристики интерфейса G. 703

2. 9. 2. Реализация интерфейса G. 703

2. 9. 3. Подключение сети с интерфейсом G. 703 к аппаратуре пользователя

2. 1. Синхронные цифровые сети

Цифровые сети, разработанные и внедренные до появления синхронных сетевых технологий SONET/SDH, были, по сути, асинхронными системами, так как не использовали внешнюю синхронизацию от центрального опорного источника. В них потеря бит (или невозможность их точной локализации) приводили не только к потере информации, но и к нарушению синхронизации. На принимающем конце сети было проще выбросить неверно полученные фреймы, чем инициализировать восстановление синхронизации с повторной передачей потерянного фрагмента, как это делается, например, в локальных сетях. Это значит, что указанная информация будет потеряна безвозвратно.

Практика показывает, что местные таймеры могут давать значительное отклонение от точной скорости передачи. В [43], например, указывается, что для сигналов DS3 (44. 736 Мбит/с) такое отклонение от различных источников может достигать 1789 бит/с.

В синхронных сетях средняя частота всех местных таймеров или одинакова (синхронна) или 'близка к синхронной (плезиохронна) благодаря использованию центрального таймера (источника) с

точностью не хуже 10" (что дает для DS3 возможное отклонение скорости порядка 0. 045 бит/с) . В этой ситуации необходимость выравнивания фреймов или мультифреймов стоит не так остро, а диапазон выравнивания значительно уже.

Более того, ситуация с выделением определенного фрагмента потока (например, канала DS1 или Е1) упрощается, если ввести указатели начала этого фрагмента в структуре инкапсулирующего его фрейма. Использование указателей (техника эта стара, как компьютерный мир) позволяет гибко компоновать внутреннюю структуру контейнера-носителя. Сохранение указателей в неком буфере (заголовке фрейма или мультифрейма) и их дополнительная защита кодами с коррекцией ошибок позволяет получить исключительно надежную систему локализации внутренней структуры передаваемой по сети полезной нагрузки (фрейма, мультифрейма или контейнера) .

Указанные соображения говорят о том, что синхронные сети имеют ряд преимуществ перед используемыми асинхронными, основные из них следующие:

- упрощение сети, вызванное тем, что в синхронной сети один мультиплексор ввода-вывода (см. ниже), позволяя непосредственно вывести (или ввести), например, сигнал Е1 (2 Мбит/с) из фрейма (или в фрейм) STM-1 (155 Мбит/с), заменяет целую "гирлянду" мультиплексоров PDH (см. рис. 1-12), давая экономию не только в оборудовании (его цене и номенклатуре), но и в требуемом месте для размещения, питании и обслуживании;

- надежность и сети, обусловленные тем, что, во-первых, сеть использует волоконно-оптические кабели (ВОК), передача по которым практически не подвержена действию электромагнитных помех, во-вторых, архитектура и гибкое управление сетями позволяет использовать защищенный режим работы, допускающий два альтернативных пути распространения сигнала с почти мгновенным переключением в случае повреждения одного из них, а также обход поврежденного узла сети, что делает эти сети ;

- гибкость управления сетью, обусловленная наличием большого числа достаточно широкополосных каналов управления и компьютерной иерархической системой управления с уровнями сетевого и элементного менеджмента, а также возможностью автоматического дистанционного управления сетью из одного центра, включая динамическую реконфигурацию каналов и сбор статистики о функционировании сети;

- выделение полосы пропускания по требованию - сервис, который раньше мог быть осуществлен только по заранее (например, за несколько дней) спланированной договоренности (например, вывод требуемого канала при проведении видеоконференции), теперь может быть предоставлен в считанные секунды путем переключения на другой (широкополосный) канал;

- прозрачность для передачи любого графика - факт, обусловленный использованием виртуальных контейнеров для передачи графика, сформированного другими технологиями, включая самые современные технологии Frame Relay, ISDN и АТМ;

- универсальность применения - технология может быть использована как для создания глобальных сетей или глобальной магистрали, передающей из точки в точку тысячи каналов cо скоростью до 40 Гбит/с, так и для компактной кольцевой корпоративной сети, объединяющей десятки локальных сетей;

- простота наращивания мощности - при наличии универсальной стойки для размещения аппаратуры переход на следующую более высокую скорость иерархии можно осуществить просто вынув одну группу функциональных блоков и вставив новую (рассчитанную на большую скорость) группу блоков.

2. 2. Особенности построения синхронной иерархии SDH

2. 2. 1. Общие особенности построения синхронной иерархии

Рассмотрим общие особенности построения синхронной цифровой иерархии SDH. Несмотря на очевидные преимущества сетей SDH перед сетями PDH, они не имели бы такого успеха, если бы не обеспечивали преемственность и поддержку стандартов PDH. Как мы уже отмечали при разработке технологии SONET обеспечивалась преемственность американской, а при при разработке SDH - европейской иерархий PDH. В окончательном варианте стандарты SONET/SDH поддерживали обе указанные иерархии. Это выразилось в том, что терминальные мультиплексоры и мультиплексоры ввода/вывода сетей SONET/SDH, через которые осуществляется доступ в сеть были расчи-таны на поддержку только тех входных каналов, или каналов доступа, скорость передачи которых соответствовала обьединеному стандартному ряду американской и европейской иерархий PDH, a именно: 1. 5, 2, 6, 8, 34, 45, 140 Мбит/с. Цифровые сигналы каналов доступа, скорость передачи которых соответствует указанному ряду, будем называть трибами PDH (или в терминологии связистов компонентными сигналами}, а сигналы, скорость передачи которых соответствует стандартному ряду скоростей SDH - трибами SDH.

Итак, первая особенность иерархии SDH - поддержка в качестве входных сигналов каналов доступа только трибов PDH и SDH.

Другая особенность - процедура формирования структуры фрейма.

Два правила относятся к разряду общих: при наличии иерархии структур структура верхнего уровня может строиться из структур нижнего уровня, несколько структур того же уровня, могут быть объединены в одну более общую структуру. Остальные правила отражают специфику технологии. Например, на входе мультиплексора доступа имеем трибы PDH, которые должны быть упакованы в оболочку фрейма так, чтобы их легко можно было ввести и вывести в нужном месте с помощью мультиплексора ввода-вывода. Для этого сам фрейм достаточно представить в виде некоторого контейнера стандартного размера (в силу синхронности сети его размеры не должны меняться), имеющего сопровождающую документацию - заголовок, где собраны все необходимые для управления и маршрутизации контейнера поля-параметры, и внутреннюю емкость для размещения полезной нагрузки, где должны располагаться однотипные контейнеры меньшего размера (нижних уровней), которые также должны иметь некий заголовок и полезную нагрузку и т. д. по принципу матрешки, или по методу последовательных вложений, или инкапсуляций.

Для реализации этого метода было предложено использовать понятие контейнер, в который и упаковывается триб. По типоразмеру контейнеры делятся на 4 уровня, соответствующие уровням PDH. На контейнер должен неклеиваться ярлык, содержащий управляющую информацию для сбора статистики прохождения контейнера. Контейнер с таким ярлыком используется для переноса информации, т. е. является логическим, а не физическим объектом, поэтому его называют виртуальным контейнером.

Итак, вторая особенность иерархии SDH - трибы должны быть упакованы в стандартные помеченные контейнеры, размеры которых определяются уровнем триба в иерархии PDH.

Виртуальные контейнеры могут объединяться в группы двумя различными способами. Контейнеры нижних уровней могут, например, мультиплексироваться (т. е. составляться вместе) и использоваться в качестве полезной нагрузки контейнеров верхних уровней (т. е. большего размера), которые, в свою очередь, служат полезной нагрузкой контейнера самого верхнего уровня (самого большого размера) - фрейма STM-1.

Такое группирование может осуществляться по жесткой синхронной схеме, при которой место отдельного контейнера в поле для размещения нагрузки строго фиксировано. С другой стороны, из нескольких фреймов могут быть составлены новые (более крупные) образования мультифреймы.

Из-за возможных различий в типе составляющих фрейм контейнеров и непредвиденных временных задержек в процессе загрузки фрейма положение контейнеров внутри мультифрейма может быть, строго говоря, не фиксировано, что может привести к ошибке при вводе/выводе контейнера, учитывая общую нестабильность синхронизации в сети. Для устранения этого факта, на каждый виртуальный контейнер заводится указатель, содержащий фактический адрес начала виртуального контейнера на карте поля, отведенного под полезную нагрузку. Указатель дает контейнеру некоторую степень свободы, т. е. возможность "плавать" под действием непредвиденных временных флуктуаций, но при этом гарантирует, что он не будет потерян.

Итак, третья особенность иерархии SDH - положение виртуального контейнера может определяться с помощью указателей, позволяющих устранить противоречие между фактом синхронности обработки и возможным изменением положения контейнера внутри поля полезной нагрузки.

Хотя размеры контейнеров различны и емкость контейнеров верхних уровней достаточно велика, может оказаться так, что либо она все равно недостаточна, либо под нагрузку лучше выделить несколько (в том числе и с дробной частью) контейнеров меньшего размера. Для этого в SDH технологии предусмотрена возможность сцепления или конкатенации контейнеров (составление нескольких контейнеров вместе в одну структуру, называемую связистами "сцепкой") . Составной контейнер отличается соответствующим индексом от основного и рассматривается (с точки зрения размещения нагрузки) как один большой контейнер. Указанная возможность позволяет с одной стороны оптимизировать использование имеющейся номенклатуры контейнеров, с другой стороны позволяет легко приспособить технологию к новым типам нагрузок, не известных на момент ее разработки.

Итак, четвертая особенность иерархии SDK - несколько контейнеров одного уровня могут быть сцеплены вместе и рассматриваться как один непрерывный контейнер, используемый для размещения нестандартной полезной нагрузки.

Пятая особенность иерархии SDH состоит в том, что в ней предусмотрено формирование отдельного (нормального для технологий пакетной обработки в локальных сетях) поля заголовков размером 9х9=81 байт. Хотя перегруженность общим заголовком невелика и составляет всего 3. 33%, он достаточно большой, чтобы разместить необходимую управляющую и контрольную информацию и отвести часть байт для организации необходимых внутренних (служебных) каналов передачи данных. Учитывая, что передача каждого байта в структуре фрейма эквивалентна потоку данных со скоростью 64 кбит/с, передача указанного заголовока соответствует организации потока служебной информации эквивалентного 5. 184 Мбит/с.

Естественно, что при построении любой иерархии должен быть определен либо ряд стандартных скоростей этой иерархии, либо правило его формирования и первый (порождающий) член ряда. Если для PDH значение DSO (64 кбит/с) вычислялось достаточно просто, то для SDH значение первого члена ряда можно было получить только после определения структуры фрейма и его размера. Схема логических рассуждений достаточно проста. Во-первых, поле его полезной нагрузки должно было вмещать максимальный по размеру виртуальный контейнер VC-4, формируемый при инкапсуляции триба 140 Мбит/с. Во-вторых, его размер: 9х261=2349 байт и определил размер поля полезной нагрузки STM-1, а добавление к нему поля заголовков определило размер синхронного транспортного модуля STM-1:

9х261 + 9х9=9х270=2430 байт или 2430х8=19440 бит, что при частоте повторения 8000 Гц позволяет определить и порождающий член ряда для иерархии SDH: 19440х8000=155. 52 Мбит/с.

2. 2. 2. Обобщенная схема мультиплексирования потоков в SDH

Разработанная с учетом указанных общих принципов стандартная схема инкапсуляции PDH трибов в контейнеры и их последующего мультиплексирования при формировании модуля STM-1 первоначально имела вид, представленный на рис. 2-1 [17] .

В этой обобщенной схеме мультиплексирования используются следующие основополагающие обозначения: С-n - контейнеры уровня n (n=1, 2, 3, 4) ; VC-n - виртуальные контейнеры уровня n (n=1, 2, 3, 4), TU-n - трибные блоки уровня n (n=1, 2, 3), TUG-n - группы трибных блоков уровня n (n=2, 3), AU-n - административные блоки уровня n (n=3, 4) ; AUG - группа административных блоков и, наконец, STM-1 - синхронный транспортный модуль, используемые в SDH технологии.

Контейнеры С-п служат для инкапсуляции (размещения с целью последующего переноса) соответствующих сигналов каналов доступа или трибов, питающих их входы. Слово "инкапсуляция" больше подчеркивает физический смысл процесса, тогда как логически происходит отображение структуры фрейма соответствующего триба на структуру инкапсулирующего его контейнера. Уровни контейнера n соответствуют уровням PDH иерархии, т. е. п=1, 2, 3, 4, а число типоразмеров контейнеров N должно быть равно числу членов объединеного стандартного ряда, т. е. 7. Эти числа согласованы, так как четвертый уровень PDH по стандарту [13] имеется только у ЕС иерархии, т. е. С-4 инкапсулирует Е4, а контейнеры С-1, 2, 3 должны быть разбиты каждый на два подуровня, для инкапсуляции соответствующих трибов АС и ЕС иерархий.

Итак, имеем:

- Т-п, Е-п - стандартные каналы доступа или трибы уровня n (в терминологии связистов "компонентные сигналы") - входные потоки (или входы) SDH мультиплексора, соответствовующие объединеному стандартному ряду АС и ЕС иерархий PDH, приведенному выше.

- С-п - контейнер уровня п - элемент SDH, содержащий триб Т-п, т. е. несущий в себе информационную нагрузку соответствующего уровня иерархии PDH, стандартизованного в [13] ; контейнеры уровня п разбиваются на следующие контейнеры подуровней C-nm:

- С-1 - разбивается на контейнер С-11, инкапсулирующий триб Т1=1. 5 Мбит/с, и контейнер С-12, инкапсулирующий триб Е1=2 Мбит/с;

- С-2 - разбивается на контейнер С-21, инкапсулирующий триб T2= ^: 6 Мбит/с и контейнер С-22, инкапсулирующий триб Е2=8 Мбит/с;

- С-3 - разбивается на контейнер С-31, инкапсулирующий триб Е3=34 Мбит/с и контейнер С-32, инкапсулирующий триб Т3=45 Мбит/с;

- С-4 не имеет контейнеры подуровней и инкапсулирует триб Е4=140 Мбит/с. В первом варианте стандарта G. 708 [17, редакция 1988] контейнеры С-п предназначались не только для инкапсуляции PDH трибов, но и других (тогда еще не конкретизированных) широкополосных сигналов.

2. 2. 3. Виртуальные контейнеры и другие элементы синхронной иерархии

Контейнеры можно рассматривать в качестве первых элементов в номенклатуре элементов иерархии SDH. К контейнеру (как и к любому пакету, подлежащему отправлению по некоторому маршруту) добавляется маршрутный заголовок. В результате от превращается в виртуальный контейнер VC уровня n, т. е. VC-n. В номенклатуре элементов иерархии SDH существуют следующие виртуальные контейнеры:

- VC-1, VC-2 - виртуальные контейнеры нижних уровней 1 или 2 и VC-3, VC-4 - виртуальные контейнеры верхних уровней 3 или 4 - элементы SDH, структура которых или формат достаточно прост и определяется формулой: РОН + PL, где РОН - маршрутный заголовок (в терминологии связистов трактовый заголовок) ; PL - полезная нагрузка.

Виртуальные контейнеры VC-1, 2, 3 уровней 1, 2, 3, также как и контейнеры С-1, 2, 3, разбиваются на виртуальные контейнеры подуровней nm, т. е. VC-nm, а именно:

- VC-1 разбивается на VC-11 и VC-12;

- VC-2 разбивается на VC-21 и VC-22;

- VC-3 разбивается на VC-31 и VC-32.

Поля PL и РОН формата виртуального контейнера как логического элемента имеют вид:

- PL - поле различного (в зависимости от типа виртуального контейнера) размера, формат которого имеет двумерную структуру по типу фрейма вида 9хm» (9 строк, m столбцов) ; это поле формируется либо из контейнеров соответствующего уровня (например, для виртуальных контейнеров VC-1, 2 оно формируется из контейнеров С-1, 2 соответственно), либо из других соответствующих элементов структуры мультиплексирования SDH (см. ниже) ;

- РОН - поле, размером не более 9 байт, формат которого имеет двумерную структуру вида 1хn (например, формат 1х9 байт для VC-4 или VC-32 и формат 1х6 байт для VC-31) ; это поле составлено из различных по назначению байтов (см. ниже) .

- TU-n - трибные блоки уровня n (п=1, 2, 3) (в терминологии связистов субблоки) - элементы структуры мультиплексирования SDH, формат которых прост и определяется формулой: PTR + VC, гдеPTR - указатель трибного блока (TU-n PTR), относящийся к соответствующему виртуальному контейнеру, например, TU-1 = (TU-1 PTR) + VC-1. Трибные блоки уровня n, как и виртуальные контейнеры, делятся на трибные блоки подуровней nm, т. е. TU-nm, а именно:

- TU-1 разбивается на TU-11 иТи-12;

- TU-2 разбивается на TU-21 и TU-22;

- TU-3 разбивается на TU-31 и TU-32.

- TUG-n - группа трибных блоков уровня п (первоначально использовался только уровень 2, а затем добавился уровень 3), формируемая в результате мультиплексирования нескольких трибных блоков.

- TUG-2 - группа трибных блоков уровня 2 - элемент структуры мультиплексирования SDH, формируемый путем мультиплексирования трибных блоков TU-1, 2 со своими коэффициентами мультиплексирования; TUG-2 также, как и TU-1, 2 разбивается на 2 подуровня - TUG-21 и TUG-22.

В результате использования всех возможных вариантов, диктуемых наличием подуровней, приведенная на рис. 2-1 обобщенная схема разворачивается в детальную симметричную относительно контейнера С-4 схему мультиплексирования (рис. 2-2), предложенную в первом варианте стандарта G. 709 [18, редакция 1988] . Здесь xN означают коэффициенты мультиплексирования (например, хЗ на ветви от блока AU-32 к блоку AUG означает, что 3 административных блока мультиплексируются (объединяются) в одну группу административных блоков AUG) .

В ней для трибов дополнительно используются обозначения, соответствующие принятым для высокоскоростных каналов широкополосной ISDN - B-ISDN [44] (Hnm означает в B-ISDN высокоскоростной канал различного типа - это