Технология синхронной цифровой иерархии SONET/SDH

Технология синхронной цифровой иерархии первоначально была разработана компанией Bellcore под названием «Синхронные оптические сети» - Synchronous Optical NETs, SONET. Первый вариант стандарта появился в 1984 году. Затем эта технология была стандартизована комитетом T1 ANSI. Международная стандартизация технологии проходила под эгидой Европейского института телекоммуникационных стандартов (ETSI) и CCITT совместно с ANSI и ведущими телекоммуникационными компаниями Америки, Европы и Японии. Основной целью разработчиков международного стандарта было создание такой технологии, которая позволяла бы передавать трафик всех существующих цифровых каналов (как американских Т1 - ТЗ, так и европейских Е1 - ЕЗ) в рамках высокоскоростной магистральной сети на волоконно-оптических кабелях и обеспечила бы иерархию скоростей, продолжающую иерархию технологии PDH, до скорости в несколько гигабит в секунду.

В результате длительной работы удалось разработать международный стандарт Synchronous Digital Hierarchy, SDH (спецификации G.707-G.709), а также доработать стандарты SONET таким образом, что аппаратура и стеки SDH и SONET стали совместимыми и могут мультиплексировать входные потоки практически любого стандарта PDH - как американского, так и европейского. В терминологии и начальной скорости технологии SDH и SONET остались расхождения, но это не мешает совместимости аппаратуре разных производителей, а технология SONET/ SDH фактически стала считаться единой технологией. В России применяются стандарты и адаптированная терминология SDH.

Иерархия скоростей при обмене данными между аппаратурой SONET/SDH, которую поддерживает технология SONET/SDH, представлена в табл. 6.3.

Таблица 6.3. Скорости технологии SONET/SDH

В стандарте SDH все уровни скоростей (и, соответственно, форматы кадров для этих уровней) имеют общее название: STM-n - Synchronous Transport Module level n. В технологии SONET существуют два обозначения для уровней скоростей: STS-n - Synchronous Transport Signal level n, употребляемое при передаче данных электрическим сигналом, и ОС-n - Optical Carrier level n, употребляемое при передаче данных световым лучом по волоконно-оптическому кабелю. Форматы кадров STS и ОС идентичны.

Как видно из таблицы, стандарт SONET начинается со скорости 51,84 Мбит/с, а стандарт SDH - со скорости 155,52 Мбит/с, равной утроенной начальной скорости SONET. Международный стандарт определил начальную скорость иерархии в 155,52 Мбит/с, чтобы сохранялась стройность и преемственность технологии SDH с технологией PDH - в этом случае канал SDH может передавать данные уровня DS-4, скорость которых равна 139,264 Мбит/с. Любая скорость технологии SONET/ SDH кратна скорости STS-1. Некоторая избыточность скорости 155,52 Мбит/с для передачи данных уровня DS-4 объясняется большими накладными расходами на служебные заголовки кадров SONET/SDH.

Кадры данных технологий SONET и SDH, называемые также циклами, по форматам совпадают, естественно начиная с общего уровня STS-3/STM-1. Эти кадры обладают весьма большой избыточностью, так как передают большое количество служебной информации, которая нужна для:

• обеспечения гибкой схемы мультиплексирования потоков данных разных скоростей, позволяющих вставлять (add) и извлекать (drop) пользовательскую информацию любого уровня скорости, не демультиплексируя весь поток;

• обеспечения отказоустойчивости сети;

• поддержки операций контроля и управления на уровне протокола сети;

• синхронизации кадров в случае небольшого отклонения частот двух сопрягаемых сетей.

Стек протоколов и основные структурные элементы сети SONET/SDH показаны на рис. 6.7.

Рис. 6.7. Стек протоколов и структура сети SONET/SDH

Ниже перечислены устройства, которые могут входить в сеть технологии SONET/ SDH.

• Терминальные устройства (Terminal, Т), называемые также сервисными адаптерами (Service Adapter, SA), принимают пользовательские данные от низкоскоростных каналов технологии PDH (типа Т1/Е1 или ТЗ/ЕЗ) и преобразуют их в кадры STS-n. (Далее аббревиатура STS-n используется как общее обозначение для кадров SONET/SDH.)

• Мультиплексоры (Muliplexers) принимают данные от терминальных устройств и мультиплексируют потоки кадров разных скоростей STS-n в кадры более высокой иерархии STS-m.

• Мультиплексоры «ввода-вывода» (Add-Drop Multiplexers) могут принимать и передавать транзитом поток определенной скорости STS-n, вставляя или удаляя «на ходу», без полного демультиплексирования, пользовательские данные, принимаемые с низкоскоростных входов.

• Цифровые кросс-коннекторы (Digital Cross-Connect, DCC), называемые также аппаратурой оперативного переключения (АОП), предназначены для мультиплексирования и постоянной коммутации высокоскоростных потоков STS-n различного уровня между собой (на рис. 6.7 не показаны). Кросс-коннектор представляет собой разновидность мультиплексора, основное назначение которого - коммутация высокоскоростных потоков данных, возможно, разной скорости. Кросс-коннекторы образуют магистраль сети SONET/SDH.

• Регенераторы сигналов, используемые для восстановления мощности и формы сигналов, прошедших значительное расстояние по кабелю. На практике иногда сложно провести четкую грань между описанными устройствами, так как многие производители выпускают многофункциональные устройства, которые включают терминальные модули, модули «ввода-вывода», а также модули кросс-коннекторов.

Стек протоколов состоит из протоколов 4-х уровней.

• Физический уровень, названный в стандарте фотонным (photonic), имеет дело с кодированием бит информации с помощью модуляции света. Для кодирования сигнала применяется метод NRZ (благодаря внешней тактовой частоте его плохие самосинхронизирующие свойства недостатком не являются).

• Уровень секции (section) поддерживает физическую целостность сети. Секцией в технологии называется каждый непрерывный отрезок волоконно-оптического кабеля, который соединяет пару устройств SONET/SDH между собой, например мультиплексор и регенератор. Протокол секции имеет дело с кадрами и на основе служебной информации кадра может проводить тестирование секции и поддерживать операции административного контроля. В заголовке протокола секции имеются байты, образующие звуковой канал 64 Кбит/с, а также канал передачи данных управления сетью со скоростью 192 Кбит/с. Заголовок секции всегда начинается с двух байт 11110110 00101000, которые являются флагами начала кадра. Следующий байт определяет уровень кадра: STS-1, STS-2 и т. д. За каждым типом кадра закреплен определенный идентификатор.

• Уровень линии (line) отвечает за передачу данных между двумя мультиплексорами сети. Протокол этого уровня работает с кадрами разных уровней STS-n для выполнения различных операций мультиплексирования и демультиплексирования, а также вставки и удаления пользовательских данных. Таким образом, линией называется поток кадров одного уровня между двумя мультиплексорами. Протокол линии также ответственен за проведения операций реконфигури-рования линии в случае отказа какого-либо ее элемента - оптического волокна, порта или соседнего мультиплексора.

• Уровень тракта (path - путь) отвечает за доставку данных между двумя конечными пользователями сети. Тракт (путь) - это составное виртуальное соединение между пользователями. Протокол тракта должен принять данные, поступающие в пользовательском формате, например формате Т1, и преобразовать их в синхронные кадры STS-n/STM-m.

Как видно из рис. 6.7, регенераторы работают только с протоколами двух нижних уровней, отвечая за качество сигнала и поддержания операций тестирования и управления сетью. Мультиплексоры работают с протоколами трех нижних уровней, выполняя, кроме функций регенерации сигнала и реконфигурации секций, функцию мультиплексирования кадров STS-n разных уровней. Кросс-коннектор представляет собой пример мультиплексора, который поддерживает протоколы трех уровней. И наконец, функции всех четырех уровней выполняют терминалы, а также мультиплексоры «ввода-вывода», то есть устройства, работающие с пользовательскими потоками данных.

Формат кадра STS-1 представлен на рис. 6.8. Кадры технологии SONET/SDH принято представлять в виде матрицы, состоящей из n строк и m столбцов. Такое представление хорошо отражает структуру кадра со своего рода подкадрами, называемыми виртуальными контейнерами (Virtual Container, VC - термин SDH) или виртуальными притоками (Virtual Tributaries, VT - термин SONET). Виртуальные контейнеры - это подкадры, которые переносят потоки данных, скорости которых ниже, чем начальная скорость технологии SONET/SDH в 51,84 Мбит/с (например, поток данных Т1 со скоростью 1,544 Мбит/с).

Рис. 6.8. Формат кадра STS-1

Кадр STS-1 состоит из 9 строк и 90 столбцов, то есть из 810 байт данных. Между устройствами сети кадр передается последовательно по байтам - сначала первая строка слева направо, затем вторая и т. д. Первые 3 байта каждой строки представляют собой служебные заголовки. Первые 3 строки представляют собой заголовок из 9 байт протокола уровня секции и содержат данные, необходимые для контроля и реконфигурации секции. Остальные 6 строк составляют заголовок протокола линии, который используется для реконфигурации, контроля и управления линией. Устройства сети SONET/SDH, которые работают с кадрами, имеют достаточный буфер для размещения в нем всех байт кадра, протекающих синхронно через устройство, поэтому устройство для анализа информации на некоторое время имеет полный доступ ко всем частям кадра. Таким образом, размещение служебной информации в несмежных байтах не представляет сложности для обработки кадра.

Еще один столбец представляет собой заголовок протокола пути. Он используется для указания местоположения виртуальных контейнеров внутри кадра, если кадр переносит низкоскоростные данные пользовательских каналов типа Т1/Е1. Местоположение виртуальных контейнеров задается не жестко, а с помощью системы указателей (pointers).

Концепция указателей является ключевой в технологии SONET/SDH. Указатель призван обеспечить синхронную передачу байт кадров с асинхронным характером вставляемых и удаляемых пользовательских данных.

Указатели используются на разных уровнях. Рассмотрим, как с помощью указателя выполняется выделение поля данных кадра из синхронного потока байт. Несмотря на питание всех устройств сети SONET/SDH тактовой частотой синхронизации из одного центрального источника, синхронизация между различными сетями может незначительно нарушаться. Для компенсации этого эффекта началу поля данных кадра (называемого в стандарте SPE - Synchronous Payload Environment) разрешается смещаться относительно начала кадра произвольным образом. Реальное начало поля SPE задается указателем HI, размещенным в заголовке протокола линии. Каждый узел, поддерживающий протокол линии, обязан следить за частотой поступающих данных и компенсировать ее несовпадение с собственной частотой за счет вставки или удаления одного байта из служебного заголовка. Затем узел должен нарастить или уменьшить значения указателя первого байта поля данных СРЕ относительно начала кадра STS-1. В результате поле данных может размещаться в двух последовательных кадрах, как это показано на рис. 6.9.

Рис. 6.9. Использование указателей для поиска данных в кадре

Тот же прием применяется для вставки или удаления пользовательских данных в потоке кадров STS-n. Пользовательские данные каналов типа Т1/Е1 или ТЗ/ЕЗ асинхронны по отношению к потоку байтов кадра STS-n. Мультиплексор формирует виртуальный контейнер и, пользуясь указателем HI, находит начало очередного поля данных. Затем мультиплексор анализирует заголовок пути и находит в нем указатель Н4, который описывает структуру содержащихся в кадре виртуальных контейнеров. Обнаружив свободный виртуальный контейнер нужного формата, например для 24 байт канала Т1, он вставляет эти байты в нужное место поля данных кадра STS-1. Аналогично производится поиск начала данных этого канала при выполнении операции удаления пользовательских данных.

Таким образом, кадры STS-n всегда образуют синхронный поток байтов, но с помощью изменения значения соответствующего указателя можно вставить и извлечь из этого потока байты низкоскоростного канала, не выполняя полного демультиплексирования высокоскоростного канала.

Виртуальные контейнеры также содержат дополнительную служебную информацию по отношению к данным пользовательского канала, который они переносят. Поэтому виртуальный контейнер для переноса данных канала Т1 требует скорости передачи данных не 1,544 Мбит/с, а 1,728 Мбит/с.

В технологии SONET/SDH существует гибкая, но достаточно сложная схема использования поля данных кадров STS-n. Сложность этой схемы в том, что нужно «уложить» в кадр наиболее рациональным способом мозаику из виртуальных контейнеров разного уровня. Поэтому в технологии SONET/SDH стандартизовано шесть типов виртуальных контейнеров, которые хорошо сочетаются друг с другом при образовании кадра STS-n. Существует ряд правил, по которым контейнеры каждого вида могут образовывать группы контейнеров, а также входить в состав контейнеров более высокого уровня.

Отказоустойчивость сети SONET/SDH встроена в ее основные протоколы. Этот механизм называется автоматическим защитным переключением - Automatic Protection Switching, APS. Существуют два способа его работы. В первом способе защита осуществляется по схеме 1:1. Для каждого рабочего волокна (и обслуживающего его порта) назначается резервное волокно. Во втором способе, называемом 1:n, для защиты n волокон назначается только одно защитное волокно.

В схеме защиты 1:1 данные передаются как по рабочему, так и по резервному волокну. При выявлении ошибок принимающий мультиплексор сообщает передающему, какое волокно должно быть рабочим. Обычно при защите 1:1 используется схема двух колец, похожая на двойные кольца FDDI (рис. 6.10), но только с одновременной передачей данных в противоположных направлениях. При обрыве кабеля между двумя мультиплексорами происходит сворачивание колец, и, как и в сетях FDDI, из двух колец образуется одно рабочее.

Рис. 6.10. Использование двойных колец для обеспечения отказоустойчивости сети SONET/SDH

Применение схемы резервирования 1:1 не обязательно требует кольцевого соединения мультиплексоров, можно применять эту схему и при радиальном подключении устройств, но кольцевые структуры решают проблемы отказоустойчивости эффективнее - если в сети нет колец, радиальная схема не сможет ничего сделать при обрыве кабеля между устройствами.

Управление, конфигурирование и администрирование сети SONET/SDH также встроено в протоколы. Служебная информация протокола позволяет централизованно и дистанционно конфигурировать пути между конечными пользователями сети, изменять режим коммутации потоков в кросс-коннекторах, а также собирать подробную статистику о работе сети. Существуют мощные системы управления сетями SDH, позволяющие прокладывать новые каналы простым перемещением мыши по графической схеме сети.