Журнал сети и системы связи.
В первой публикации, посвященной основам технологии SDH [1], были описаны плезиохронная и синхронные цифровые иерархии, а также принципы и схемы формирования синхронного транспортного модуля STM-1 из входных потоков стандартных каналов доступа. В настоящей статье речь пойдет о функциональных модулях систем передачи данных на основе SDH. Межсоединение модулей рассматривают с логической и физической сторон. Взаимоотношение модулей, необходимое для реализации логики работы сети, определяет функциональные связи - топологию и архитектуру. Они помогают исследовать общие закономерности функционирования сети выявлять ее достоинства и недостатки, находить оптимальные решения конкретной задачи. В то же время модули связаны кабелями (как правило, волоконно-оптическими) или радиоканалами, формирующими физическую среду распространения SDH-сигнала, с присущими ей техническими ограничениями. Ниже мы рассмотрим лишь логику построения волоконно-оптических сетей.
Функциональные модули сети SDH Набор модулей, из которых строятся SDH-сети - мультиплексоров, коммутаторов, концентраторов, регенераторов и терминальных устройств, определяется следующими основными операциями, выполняемыми при передаче данных по сетям:
* сбор входных потоков с помощью каналов доступа (трибов) 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. [2].
Мультиплексор (Multiplexer - MUX) - основной функциональный модуль сетей SDH и PDH. Этим термином обозначают устройства сборки (мультиплексирования) высокоскоростного потока из низкоскоростных и разборки (демультиплексирования), т.е. выделения из высокоскоростного низкоскоростных потоков. SDH-мультиплексоры (SMUX) в отличие от мультиплексоров, используемых в сетях PDH, могут выполнять и функции собственно мультиплексора и устройства терминального доступа, позволяя подключать низкоскоростные каналы PDH-иерархии 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) является оконечным устройством SDH-сети с некоторым числом каналов доступа, соответствующим определенному уровню PDH- и SDH-иерархий. Для мультиплексора четвертого уровня SDH-иерархии (STM-64), имеющего скорость выходного потока 10 Гбит/с, входными каналами могут служить PDH-трибы со скоростью передачи данных 1.5, 2, 6, 8, 34, 45, 140 Мбит/с и SDH-трибы со скоростью 155, 622 и 2500 Мбит/с (соответствующие STM-1, STM-4, STM-16). Если PDH каналы являются электрическими, то SDH каналы 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 PDH-трибы. Конкретный мультиплексор может и не поддерживать полный набор входных каналов доступа. Важной особенностью SDH-мультиплексора является наличие двух оптических выходов (каналов приема/передачи), называемых агрегатными, используемых для резервирования или защиты по схеме 1+1 с целью повышения надежности [3]. 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 SDH 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 - 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 SDH-сети. 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. Коммутатор - устройство, позволяющее связывать различные каналы, закрепленные за пользователями, путем организации полу постоянного перекрестного соединения между ними. Тем самым становится возможной маршрутизация в SDH-сети на уровне виртуальных контейнеров VC-n, управляемая менеджером сети в зависимости от заданной конфигурации. Возможность внутренней коммутации каналов физически заложена в SDH-мультиплексоре. Так, если менеджер полезной нагрузки устанавливает логическое соответствие между каналом доступа и трибным блоком TU, как показано на рис. 3, то это означает установление внутренней коммутации каналов. Коммутация собственных каналов доступа мультиплексора, рис. 4, 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 SDXCn/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, рис. 6:
* маршрутизация виртуальных контейнеров с помощью соответствующего POH-заголовка;
* 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 в режиме мультиплексора ввода/вывода. Топология SDH-сетей
Для решения конкретных задач из описанных выше модулей строят отдельные элементы SDH-сети. "Точка-точка". Соединение узлов A и B с помощью терминальных мультиплексоров является наиболее простым примером организации SDH-cети (рис.5). Основной и резервный (электрические или оптические) агрегатные выходы формируют систему резервирования типа 1 + 1. При отказе основного канала сеть автоматически переходит на резервный. Благодаря своей простоте именно эта топология широко используется при передаче больших потоков данных по высокоскоростным магистральным каналам (например, по трансокеанским подводным кабелям). Ее же применяют при переходе к более высоким скоростям - 2,5 и 10 Гбит/с в качестве "радиусов" в сети с "радиально-кольцевой" топологией и как основу для топологии "линейная цепь". Топологию "точка-точка" с резервированием можно рассматривать и как упрощенный вариант топологии "кольцо".
"Линейная цепь". Применяется, если интенсивность трафика сети не велика и в ряде точек линии необходимо сделать ответвления для ввода и вывода каналов доступа. Она реализуется использованием как терминальных, так и мультиплексоров ввода/вывода. Эта топология напоминает линейную цепь, состоящую из отдельных звеньев мультиплексоров ввода/вывода. Для нее возможно соединение без резервирования (рис.8) и с резервированием типа 1 + 1 (рис. 9). Последний вариант иногда называют "уплощенное кольцо" [4]. "Звезда". В этой топологии один из удаленных узлов сети, связанный с центром коммутации (например, цифровой АТС) или узлом SDH-сети на центральном кольце, играет роль концентратора, у которого часть трафика выведена например на терминалы пользователей, а оставшиеся каналы распределены по другим удаленным узлам (рис. 10). Очевидно, что такой концентратор должен быть активным и интеллектуальным (в терминологии локальных сетей), иными словами, необходимо, чтобы он обладал свойствами мультиплексора ввода/вывода с развитыми возможностями кросс-коммутации. Концентратор, на входы которого подаются частично заполненные потоки STM-N-1 или STM-N, а выход также соответствует STM-N, называют оптическим.
"Кольцо". Эта топология широко используется для построения SDH-сетей первых уровней (со скоростями 155 и 622 Мбит/с). Ее основное преимущество - легкость организации защиты типа 1 + 1 благодаря наличию в мультиплексорах SMUX двух оптических агрегатных выходов, позволяющих сформировать двойное кольцо со встречными потоками (показаны стрелками на рис. 11). Организовать систему защиты можно двумя способами. Суть первого способа заключается в том, что блочные виртуальные контейнеры TU-n, передаются одновременно в двух противоположных направлениях по разным кольцам. Если в момент приема блока происходит сбой в одном из колец, система управления автоматически выбирает этот же блок из другого кольца. Второй способ защиты предполагает возможность переключения с "основного" кольца на "резервное". Первоначально блоки TU-n имеют доступ только к основному кольцу. В случае сбоя происходит замыкание основного и резервного колец на границах дефектного участка (рис. 12а), т.е. приемник и передатчик агрегатного блока соединяются на соответствующей стороне мультиплексора. Так образуется новое кольцо. Современные программы управления мультиплексорами обычно поддерживают оба метода защиты. Следует отметить, что системы управления SDH-мультиплексоров способны сформировать и обходной путь, по которому поток агрегатных блоков сможет "пройти, минуя отказавшей мультиплексор (рис. 12б).
Архитектура сетей SDH
Архитектура сети SDH использует описанные выше топологии в качестве отдельных сегментов. Мы рассмотрим здесь только сети, построенные на наиболее часто применяемом сочетании "кольцевой" и "радиальной", или "линейной" топологий. Радиально-кольцевая архитектура SDH-сети, показанная на рис. 13, фактически построена на базе кольцевой и линейной топологий. Вместо линейной может быть использована и топология точка-точка . Число радиальных ветвей зависит от нагрузки (числа каналов доступа) на кольцо.
"Кольцо - кольцо". Еще одно часто используемое в архитектуре SDH-сети сочетание топологий. Необходимо отметить, что кольца здесь могут принадлежать к одному или разным уровням. На рис. 14 показано соединение двух колец одного уровня STM-4 с помощью интерфейсных карт STM-1, а на рис. 15 - каскадное соединение трех колец нарастающих уровней STM-1 - STM-4 - STM-16. При таком соединении допустимо использовать оптические трибы (n-1)-го уровня при переходе от одного уровня к другому (триб STM-1 при переходе на кольцо STM-4 и STM-4 при переходе на кольцо STM-16).
Сети большой протяженности. В линейных сетях для восстановления сигнала обычно устанавливают регенераторы там, где с расстояние между терминальными мультиплексорами превышает допустимое с точки зрения затухания сигнала в волоконно-оптическом кабеле. Сеть можно представить в виде последовательного соединения ряда секций, перечисленных в рекомендациях ITU-T G.57 [5] и G.58 [6]. Различают оптические секции (от точки электронно-оптического до точки опто-электронного преобразований), которые по сути являются участками волоконно-оптического кабеля между элементами SDH сети (на схеме рис. 16 не показана), регенерационные секции и мультиплексные секции.
Существует три категории длины оптических секций: I - внутристанционные (до 2 км); S - короткие межстанционные (до 15 км), и L - длинные межстанционные секции (до 40 км при длине волны 1310 нм и 60 км при длине волны 1550 нм). Общая длина маршрута может составлять при этом сотни и тысячи километров. Согласно [7] маршрут - участок тракта между терминальными мультиплексорами. Мультиплексной секцией называется участок тракта между транспортными узлами (мультиплексорами и коммутаторами). Регенерационная секция рассматривается как участок тракта между двумя регенераторами или между регенератором и другим элементом сети SDH. Все три участка допускают автоматическое поддерживание функционирования сети с номинальной производительностью.
В [5] для подобных определений используются эталонные точки А (вход/выход волокна) и С (вход/выход RST - окончаний регенерационной секции), приведенные в рекомендации [3]. Более подробно см.[5-8]. Описанный в [1] секционный заголовок SOH кадра STM, содержащий управляющую информацию, делится на две части: RSOH - заголовок регенерационной секции занимающий 27 байт (cтолбцы 1-9, строки 1-3) и MSOH - заголовок мультиплексной секции его размер - 47 байт (столбцы 1-9, строки 5-9).
Регенерационная секция обрабатывает RSOH, который включает синхросигнал и управляющую и контрольную информацию, позволяющую локализовать поврежденную секцию. Этот заголовок, будучи сформированным и введенным в кадр на входе RST, считывается каждым регенератором и выводится из кадра на выходе RST [8, 9]. Разветвленные сети общего вида. По мере своего развития SDH-cети стали использовать решения, характерные для глобальных сетей. Например, "остова" (backbone) и магистральная ячеистая (mash) структура, позволяют провести виртуальные контейнеры по альтернативному (резервному) пути в случае возникновения проблем при маршрутизации по основной магистрали. Вместе с внутренним резервированием это повышает надежность всей сети в целом. На рис.17 представлена архитектура такой разветвленной сети, остовой каркас которой сформирован в виде одной сетевой ячейки,
узлами которой являются коммутаторы типа SDXC, связанные "каждый с каждым". К остову присоединены различные периферийные SDH-сети: корпоративные (с выходом на локальные сети), общегородские SDH-сети, или сегменты других глобальных сетей. Подобную структуру можно рассматривать и как транспортную сеть АТМ (Asynchronous Transfer Mode), поскольку виртуальный контейнер, например VC-4, может нести в упакованном виде поток ATM-ячеек в качестве рабочей нагрузки.