Первичные сети

Первичные сети предназначены для создания коммутируемой инфраструктуры, на основе которой работают наложенные компьютерные и телефонные сети. Каналы, предоставляемые первичными сетями, обеспечивают высокую пропускную способность – от 2 Мбит\с до 10 Гбит\с. В первичных сетях может использоваться техника коммутации каналов различного типа: с частотным (FDM), временным (TDM) и волновым (WDM) мультиплексированием.

Существует три поколения технологий первичных сетей.

1. Плезиохронная цифровая иерархия (pdh)

cинхронная цифровая иерархия SDH, которой в Америке соответствует стандарт SONET

уплотненное волновое мультиплексирование (DWDM)

Первые две технологии используют для разделения высокоскоростного канала временное мультиплексирование и передают данные в цифровой форме. Каждая из технологий поддерживает иерархию скоростей, так что пользователь может выбирать подходящую ему скорость для каналов, с помощью которых он будет строить свою наложенную сеть.

Технология SDH использует более высокие скорости, чем PDH, так что при построении крупных первичных сетей магистраль строится на основе технологии SDH, а сеть доступа – на основе PDH.

Сети DWBN представляют собой последнее достижение в области создания высокоскоростных каналов. Они уже не являются цифровыми, т.к. предоставляют пользователям выделенную волну для передачи информации по оптоволокну, которую те могут задействовать по своему усмотрению – моделировать или кодировать. Эта технология вытесняет сегодня технологию SDH из протяженных магистралей на периферию сетей, превращая ее в сеть доступа.

Три различные технологии коммутации и мультиплексирования позволяют создать гибкую и масштабируемую первичную сеть, способную обслужить большое количество компьютерных и телефонных сетей.

Технология pdh (Plesiochronic Digital Hierarchy)

Технология PDH была разработана в конце 60х годов компанией АТ&T для связи крупных коммутаторов телефонных сетей между собой и позволила создать качественные цифровые каналы между телефонными станциями. Цифровые первичные сети PDH позволяют образовывать каналы с пропускной способностью от 64кбит\с до 140 Мбит\с, предоставляя абонентам скорости четырех уровней иерархии.

PDH долгое время хорошо справлялась со своими обязанностями в качестве магистральной технологии. Однако быстрое развитие телекоммуникационных технологий привело к необходимости расширения линейки скоростей PDH и максимального использования всех возможностей, которые предоставляла новая среда — волоконно-оптические линии связи.

Одновременно нужно было освободиться от выявленных за время эксплуатации PDH-сетей недостатков, основном из которых является невозможность выделения отдельного низкоскоростного потока из объединенного (высокоскоростного) потока без полного демультиплексирования.

Сам термин «плезиохронный», т.е. «почти» синхронный, говорит о причине такого явления — отсутствии полной синхронности потоков данных при объединении низкоскоростных каналов в высокоскоростные, если каналы работают на несмежных уровнях иерархии скоростей.

Для выравнивания скоростей нескольких низкоскоростных каналов с рассогласованными частотами, технология PDH предусматривает вставку нескольких дополнительных бит между кадрами каналов с относительно меньшими скоростями. Затем эти кадры одинаковой частоты мультиплексируются с чередованием бит в составной кадр второго и более высоких уровней иерархии. В результате для извлечения пользовательских данных из объединенного канала необходимо полностью демультиплексировать кадры объединенного канала.

Если сеть используется в качестве транзитной магистрали между двумя крупными узлами – мультиплексирование (демультиплексирование) не представляет проблемы. Однако если необходимо выделить один или несколько абонентских каналов на промежуточном узле, то задача в рамках технологии PDH простого решения не имеет и требует установки дополнительного оборудования.

Кроме этого, в технологии PDH не были предусмотрены встроенные средства обеспечения отказоустойчивости и управления сетью.

Технология синхронной цифровой иерархии SDH / SONET

Указанные недостатки (недостаточные скорости, отсутствие систем отказоустойчивости и управления сетью, необходимость полного демультиплексирования для выделения отдельного канала) учтены в технологиях SONET (созданной в 1984г) и SDH. Цель разработчиков состояла в создании технологии, способной передавать трафик всех существующих цифровых каналов уровня по высокоскоростной магистральной сети на базе волоконно-оптических кабелей и расширить иерархию скоростей по сравнению с PDH до нескольких гигабит в секунду.

Технология синхронной цифровой иерархии (Synchronous Digital Hierarchy, SDH) и технология синхронных оптических сетей (Synchronous Optical Network, SONET) позволяют создавать надежные транспортные сети и гибко формировать цифровые каналы в широком диапазоне скоростей: от нескольких Мбит\с до десятков Гбит\с. Основная область применения — первичные сети операторов связи. Аппаратура этих двух технологий совместима по всем параметрам,

Мультиплексоры SDH с волоконно-оптическими линиями связи между ними образуют среду, в которой администратор сети SDH организует цифровые каналы между точками подключения абонентского оборудования, телефонных сетей и сетей передачи данных.

Сети SDH относятся к классу сетей с коммутацией каналов на базе синхронного мультиплексирования с разделением по времени (Time Division Multiplexing, TDM), при котором адресация информации от отдельных абонентов определяется ее относительным временным положением внутри составного кадра, а не явным адресом, как это происходит в сетях с коммутацией пакетов.

С помощью каналов SDH обычно объединяют большое количество периферийных (и менее скоростных) каналов PDH.

Сети SDH обладают многими достоинствами.

• Гибкая иерархическая схема мультиплексирования цифровых потоков разных скоростей позволяет вводить в магистральный канал и выводить из него пользовательскую информацию любого поддерживаемого технологией уровня скорости без демультиплексирования потока в целом — а это означает не только гибкость, но и экономию оборудования. Схема мультиплексирования стандартизована на международном уровне, что обеспечивает совместимость оборудования разных производителей.

Отказоустойчивость сети. Сети SDH обладают высокой степенью «живучести» — технология предусматривает автоматическую реакцию оборудования на такие типичные отказы, как обрыв кабеля, выход из строя порта, мультиплексора или отдельной его карты, при этом трафик направляется по резервному пути или происходит быстрый переход на резервный модуль. Переключение на резервный путь осуществляется обычно в течение 50 мс. «Самовосстановление» – автоматическое переключение на резервное оборудование.

Мониторинг и управление сетью на основе включаемой в заголовки кадров информации обеспечивают обязательный уровень управляемости сети вне зависимости от производителя оборудования, что создает основу для наращивания административных функций в системах управления производителей оборудования SDH.

Высокое качество транспортного обслуживания для трафика любого типа — голосового, видео и компьютерного. Лежащее в основе SDH мультиплексирование TDM обеспечивает трафику каждого абонента гарантированную пропускную способность, а также низкий и фиксированный уровень задержек.

Сети SDH заняли прочное положение в телекоммуникационном мире. Сегодня они составляют фундамент практически всех крупных сетей — региональных, национальных и международных. Это положение еще более укрепилось в результате появления технологии спектрального мультиплексирования DWDM, поскольку сети SDH могут легко интегрироваться с этим новым типом оптических магистралей с поддержкой очень высоких скоростей в сотни гигабит в секунду. В магистральных сетях с ядром DWDM сети SDH будут играть роль сети доступа, т. е. выполнять те же функции, которые сети PDH играют по отношению к SDH.

Технологии SDH свойственны, конечно, и недостатки. Сегодня чаще всего говорят о ее неспособности динамически перераспределять пропускную способность между абонентами сети — свойстве, обеспечиваемом пакетными сетями. Значимость этого недостатка будет возрастать по мере увеличения доли и ценности трафика данных по отношению к стандартному голосовому.

Кадры STM-N имеют достаточно сложную структуру, позволяющую агрегировать в общий магистральный поток потоки SDH и PDH с различными скоростями, а также выполнять операции ввода/вывода без полного демультиплексирования магистрального потока.

Операции мультиплексирования и ввода/вывода выполняются при помощи виртуальных контейнеров (Virtual Container, VC), в которых блоки данных PDH можно транспортировать через сеть SDH. Кроме блоков данных PDH в виртуальный контейнер помещается еще некоторая служебная информация, в частности, заголовок пути контейнера (Path OverHead, POH). В нем размещается статистическая информация о процессе прохождении контейнера вдоль пути от его начальной до конечной точки (сообщения об ошибках), а также другие служебные данные (например, индикатор установления соединения между конечными точками). В результате размер виртуального контейнера больше, чем соответствующая нагрузка PDH, которую он переносит. Например, виртуальный контейнер VC-12 помимо 32 байт данных потока E-1 содержит еще 3 байта служебной информации. Виртуальные контейнеры — единица коммутации мультиплексоров SDH.

Для совмещения в рамках одной сети синхронной передачи кадров с асинхронным характером переносимых этими кадрами пользовательских данных PDH в технологии SDH применяются указатели (pointers), отмечающие начало пользовательских данных в виртуальном контейнере. Концепция указателей — ключевая в технологии SDH, она заменяет принятое в PDH выравнивание скоростей асинхронных источников посредством дополнительных бит.

Стек протоколов SDH состоит из протоколов четырех уровней.

• Физический уровень, названный в стандарте фотонным (photonic), имеет дело с кодированием бит информации с помощью модуляции света.

Уровень секции (section) поддерживает физическую целостность сети. Под секцией в технологии SDH подразумевается каждый непрерывный отрезок волоконно-оптического кабеля, посредством которого пара устройств SONET/SDH соединяется между собой, например мультиплексор и регенератор, регенератор и регенератор. Ее часто называют регенераторной секцией, имея в виду, что от оконечных устройств не требуется выполнение функций этого уровня мультиплексора. Протокол регенераторной секции имеет дело с определенной частью заголовка кадра, называемой заголовком регенераторной секции (RSOH), и на основе служебной информации может проводить тестирование секции и поддерживать операции административного контроля.

Уровень линии (line) отвечает за передачу данных между двумя мультиплексорами сети. Протокол этого уровня работает с кадрами уровней STS-n для выполнения различных операций мультиплексирования и демультиплексирования, а также вставки и удаления пользовательских данных. Он осуществляет также проведение операций реконфигурирования линии в случае отказа какого-либо ее элемента - оптического волокна, порта или соседнего мультиплексора. Линию часто называют мультиплексной секцией.

Уровень тракта (path) контролирует доставку данных между двумя конечными пользователями сети. Тракт (путь) - это составное виртуальное соединение между пользователями. Протокол тракта должен принять поступающие в пользовательском формате данные, например формате E1, и преобразовать их в синхронные кадры (например,STM-N).

Существует несколько типов мультиплексоров, обеспечивающие возможность построения сети с различной топологией – цепь, кольцо, ячеистая топология

Сети DWDM

Технология уплотненного волнового мультиплексирования (Dense Wave Division Multiplexor) предназначена для создания оптических магистралей нового поколения, работающий на мульти-гигабитных скоростях. Скачок производительности обеспечивается за счет принципиально иного по сравнению с SDH метода мультиплексирования – информация в оптическом волокне передается одновременно большим количеством световых волн. Сеть работает по принципу коммутации каналов, при эток каждая световая волна представляет отдельный спектральный канал и несет собственную информацию.

Оборудование DWDM не занимается непосредственно проблемами передачи данных на каждой волне, то есть способом кодирования информации. Основными функциями являются демультиплексирование и мультиплксирование, т.е. объединение различных волн в едином световом пучке и выделение информации каждого спектрального канала из общего сигнала.

Принципиальная новизна состоит в том не только в многократном повышении верхнего предела скоростей передачи по оптоволокну, но и в возможности мультиплексирования световых сигналов без их преобразования в электрические. Все другие технологии, использующие передачу световых сигналов по оптоволокну (SDH, Gigabit Ethernet), обязательно преобразуют световые сигналы в электрические, и только потом могут их мультиплексировать и коммутировать.

В ранних системах WDM использовалось небольшое число спектральных каналов – от 2 до 16. В системах DWDM задействовано от 32 до 160 каналов, что обеспечивает скорость передачи данных для одного волокна до нескольких терабит в секунду.

Современные оптические усилители позволяют увеличить длину линии связи без преобразования сигнала в электрическую форму до 700-1000 км.

Для взаимодействия с традиционными оптическими сетями применяются специальные устройства (трансляторы длин волн), преобразующие длину волны входного сигнала в длину одной из волн стандартного диапазона DWDM.

В полностью оптических сетях все операции мультиплексирования и коммутации каналов выполняются без промежуточного преобразования в электрическую форму, что упрощает и удешевляет сеть