Слепов Н.Н. Синхронные цифровые иерархии SDH – М.: Радио и связь, 1999.

2. СИНХРОННЫЕ ЦИФРОВЫЕ СЕТИ НА ОСНОВЕ ТЕХНОЛОГИИ SDH

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 DS 3 (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 DS 1 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 самовосстанавливаемость 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 самовосстанавливающимися;

- 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 рассчитаны 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 опеределяются 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.

2.5. ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ МЕТОДЫ ЗАЩИТЫ СИНХРОННЫХ ПОТОКОВ

Одним из основных преимуществ технологии SDH является возможность такой организации сети, при которой достигается не только высокая надежность ее функционирования, обусловленная использо­ванием ВОК, но и возможность сохранения или восстановления (за очень короткое время в десятки миллисекунд) работоспособности сети даже в случае отказа одного из ее элементов или среды пе­редачи - кабеля. Такие сети и системы логично назвать существующим в нашей литературе по сис­темному анализу термином самовосстанавливающиеся. Заметим, что применительно к сетям SDH иногда используется термин "самозалечивающиеся" [11].

В принципе существуют различные методы обеспечения быстрого восстановления работоспо­собности синхронных сетей [51,52], которые могут быть сведены к следующим схемам:

1 - резервирование участков сети по схемам 1 + 1 и 1:1 (см. объяснение ниже) по разнесен­ным трассам;

2 - организация самовосстанавливающихся кольцевых сетей, резервированных по схемам 1 + 1 и 1:1;

3 - резервирование терминального оборудования по схемам 1:1 и N :1;

4 - восстановление работоспособности сети путем обхода неработоспособного узла;

5 - использование систем оперативного переключения.

Указанные методы могут использоваться как отдельно, так и в комбинации.

В первом случае участки между двумя узлами сети соединяются по двум разнесенным трассам (стопроцентное резервирование), сигналы по которым распространяются одновременно. В узле приема они могут обрабатываться по двум схемам:

•  резервирование по схеме 1+1 - сигналы анализируются и выбирается тот, который имеет наилучшее соотношение параметров;

•  резервирование по схеме 1:1 - альтернативным маршрутам назначаются приоритеты -низкий и высокий, ветвь с низким приоритетом находися в режиме горячего резерва, пере­ключение на нее происходит по аварийному сигналу от системы управления.

Это общие методы восстановления работоспособности, применимые для любых сетей (см. ни­же, 2.7.3, пример с ячеистой сетью).

Во втором случае, наиболее распространенном в сетях SDH , используется топология типа "кольцо", которое может быть организовано с помощью двух волокон (топология "сдвоенное кольцо") или четырех волокон (два сдвоенных кольца). Несмотря на более высокую стоимость четырехволоконного варианта он стал использоваться в последнее время, так как обеспечивает более высокую надежность. Например, такую схему защиты позволяет реализовать мультиплексор 1664 SM / C ком­пании Alcatel и мультиплексоры других фирм.

Защита маршрута в сдвоенном кольце, которая соответствует типу 1+1, может быть организо­вана двумя путями [51].

Первый путь - используется защита на уровне трибных блоков TU - n , передаваемых по разным кольцам. Весь основной трафик передается в одном из направлений (например, по часовой стрел­ке). Если в момент приема мультиплексором блока, посланного другими мультиплексорами, проис­ходит сбой в одном из колец, система управления, осуществляющая постоянный мониторинг колец, автоматически выбирает такой же блок из другого кольца. Эта защита носит распределены** по кольцу характер, а сам метод носит название метода организации однонаправленного сдвоен­ного кольца.

Второй путь - защита маршрута может быть организована так, что сигнал передается в двух противоположных направлениях (восточном и западном), причем одно направление используются как основное, второе - как защитное. Такой метод в случае сбоя использует переключение с основного кольца на резервное и называется методом организации двунаправленного сдвоенного кольца. В этом случае блоки TU - n исходно имеют доступ только к основному кольцу. В случае сбоя происходит замыкание основного и защитного колец на границах дефектного участка (рис.2-33а), образующее но­вое кольцо. Это замыкание происходит обычно за счет включения петли обратной связи, замыкающей приемник и передатчик агрегатного блока на соответствующей стороне мультиплексора (восточной или западной). Современные схемы управления мультиплексорами могут поддерживать оба эти метода защиты. Треугольники на рис.2-33-2-36 и последующих обозначают мультиплексоры SDH .

В третьем случае восстановление работоспособности осуществляется за счет резервирования на уровне трибных интерфейсов. Схема резервирования в общем случае М:1, что допускает различную степень резервирования: от 1:1 (100%) до меньшей степени, например, 4:1 (25%), когда на 4 основных трибных интерфейсных карты используется одна резервная, которая автоматически выби­рается системой кросс-коммутации при отказе одной из основных. Этот метод широко (если не пов­семестно) распространен в аппаратуре SDH для резервирования трибных карт 2 Мбит/с (4:1 или 3:1 для STM -1 или 16:1, 12:1, 8:1 для STM -4), а также резервирования наиболее важных сменных блоков, например, блоков кросс-коммутации и систем управления и резервного питания, время переключе­ния которых на запасные не превышает обычно 10 мсек.

В четвертом случае резервирование как таковое не используется, а работоспособность систе­мы в целом (на уровне агрегатных блоков) восстанавливается за счет исключения поврежденного уз­ла из схемы функционирования. Так, системы управления SDH мультиплексоров обычно дают возмо­жность организовывать обходной путь, позволяющий пропускать поток агрегатных блоков мимо мультиплексора в случае его отказа (рис.2-336).

В пятом случае, характерном для сетей общего вида или ячеистых сетей, в узлах сети устанав­ливаются кросс-коммутаторы систем оперативного переключения, которые осуществляют, в слу­чае отказа, вызванного либо разрывом соединительного кабеля, либо отказом узла последовательной линейной цепи, реконфигурацию прилегающих (входящих или исходящих) участков сети и соответст­вующую кросс-коммутацию потоков. Процедура такой реконфигурации может быть централизованной или распределенной [11]. В первом случае она осуществляется сетевым центром управления, что может быть реализовано достаточно просто, во втором - совместное решение о реконфигурации должно вырабатываться группой прилегающих систем оперативного переключения. Могут применять­ся и комбинированные методы.

Использование систем оперативного переключения по принципу организации защиты напоми­нает схему резервирования 1:1 метода резервирования по разнесенным трассам. Разница, однако, состоит в том, что в последнем случае физический или виртуальный канал уже существует, тогда как в первом он формируется в момент оперативного переключения (действие более характерное для коммутатора/маршрутизатора в сетях пакетной коммутации).

ВВЕРХ