Передача пакетного трафика по транспортным сетям последующих поколений

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНСТВО СВЯЗИ РФ

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

МОСКОВСКИЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ СВЯЗИ И ИНФОРМАТИКИ

М.С. Тверецкий

Рекомендовано УМО по образованию в области телекоммуникаций в качестве учебного пособия по специальностям 210401, 210404 и 210406 по направлению 210400.

Протокол № 90 от 28 января 2010г

ПЕРЕДАЧА ПАКЕТНОГО ТРАФИКА ПО ТРАНСПОРТНЫМ СЕТЯМ ПОСЛЕДУЮЩИХ ПОКОЛЕНИЙ

Учебное пособие

Москва 2010

УДК 621.395.341 (075)

М.С. Тверецкий. Передача пакетного трафика по транспортным сетям последующих поколений

/ МТУСИ. – М., 2010. – 51 с. ил.

Изложены принципы передачи трафика по базовым транспортным сетям последующих поколений между сетями с коммутацией пакетов. Рассмотрены необходимые для этого процедуры: формирование из поступающих потоков унифицированных кадров (GFP), использование виртуальных сцепок (VCAT) и динамическое регулирование пропускной способности каналов (LCAS). Пособие предназначено для студентов, обучающихся по специальностям 210401 «Физика и техника оптической связи», 210404 «Многоканальные телекоммуникационные системы» и 210406 «Сети связи и системы коммутации» по направлению 210400 «Телекоммуникации», но может быть использовано и при изучении соответствующих разделов курсов других специальностей и направлений.

Ил. 19, табл. 14, список лит. 13 названий.

Рецензенты:

Профессор Башкирского ГУ, д.ф.-м.н. Акманов А.Г.

Зав. кафедрой «Связь» АГТУ, д.т.н., проф. Дмитриев В.Н.

© Московский технический университет связи и информатики, 2010

2

1. ВВЕДЕНИЕ Современные транспортные сети, позволяющие соединять удаленные друг

от друга пункты трактами с высокой пропускной способностью, используют цифровые потоки, структурированные по октетам (с октетной синхронизацией). Применение таких потоков удобно для создания постоянных соединений, используемых для конфигурации сети и ее реконфигурации при защитных переключениях. Однако создаваемая глобальная информационная инфраструктура (ГИИ) предполагает широкое внедрение сетей последующих поколений NGN (Next Generation Network) использующих пакетную коммутацию [1. 2, 3]. Однако сети с пакетной коммутацией, как правило, не имеют развитых транспортных функций и для передачи их трафика на значительные расстояния приходится использовать тракты сетей с октетной синхронизацией [4, 5].

Необходимость передачи пакетного трафика по таким трактам, то есть по трактам сетей плезиохронной PDH (Plesiochronous Digital Hierarhy), синхронной цифровой иерархии SDH (Synchronous Digital Hierarhy) и полностью оптической транспортной сети ОТN (Оptical Transport Network), требует применения некоторых специальных методов. Эти методы заключаются в соответствующей унификации интерфейсов доступа и в обеспечении с минимальными затратами эффективного использования пропускной способности транспортной сети.

Например, при вводе трафика с пакетной коммутацией в сеть SDH необходимо преобразование интерфейсов локальных сетей, использующих те или иные технологии, в интерфейсы синхронной цифровой иерархии (Е-1, Е-3, STM-1, STM-4 и т.д.). Ранее этот процесс осуществлялся посредством буферного оборудования, различного для разных технологий, что излишне увеличивало объем станционного оборудования. Кроме того, надо было учитывать, что интерфейсы доступа SDH имеют скорости передачи, не соответствующие ряду скоростей локальных сетей (например, 10, 100, 1000 Мбит/с). Это приводило к недоиспользованию пропускной способности транспортной сети и заметно ограничивало возможность эффективного предоставления услуг.

Преодоление указанных недостатков предполагается в NGN, непременным атрибутом которых являются унифицированные интерфейсы доступа транспортного ядра сети. Кроме того, для повышения эффективности использования транспортной сети, предполагается динамически перераспределять пропускную способность трактов при передаче данных с переменной скоростью. Обязательными

3

условиями этих нововведений должна быть их невысокая стоимость и возможность применения на существующем оборудовании. Это позволит создавать многофункциональные мультисервисные платформы, предоставляющие множество услуг без усложнения коммутируемых сетей и по доступным ценам.

Таким образом, телекоммуникационную систему можно считать отвечающей концепции NGN, если она включает поддержку следующих функций.

1.Общую процедуру разбиения на кадры GFP (General Framing Procedure), обеспечивающую адаптацию асинхронного трафика данных на основе кадров (пакетов) переменной длины к трафику с октетной синхронизацией с минимальными задержками и избыточностью заголовков [6].

2.Виртуальную конкатенацию VCAT (Virtual Concatenation), обеспечивающую возможность объединения на логическом уровне нескольких кадров, например виртуальных контейнеров VC-12, VC-3, VC-4 SDH или блоков данных оптического канала ODU (Optical Channel Data) полностью оптической транспортной сети (ОТN) в общий канал пере-

дачи данных [8, 9, 10, 11].

3.Схему регулирования пропускной способности канала LCAS (Link Capacity Adjustment Scheme), позволяющую динамически изменять

пропускную способность канала без прекращения передачи данных

[7].

Процедуры GFP [6] первоначально были разработаны для замены ранее применяемых методов инкапсуляции данных при вводе в сеть SDH пакетного трафика для удешевления и упрощения оборудования. Метод GFP поддерживает инкапсуляцию таких служб как 10/100/1000 Мбит/с Ethernet, IP, РРР, протоколы сетей хранения данных FC, FICON, ESCON. В будущем планируется поддержка цифровых широковещательных видеосигналов DVB-ASI. Метод GFP адаптирует поток данных на основе кадров переменной длины к потоку с октетной синхронизацией, преобразуя данные различных служб в кадры общего назначения, которые затем отображаются в кадры соответствующей транспортной сети. Эта кадровая структура лучше определяет и исправляет ошибки и обеспечивает большую эффективность использования полосы пропускания, чем традиционные методы инкапсуляции. Еще раз подчеркнем, что метод GFP может быть применен при вводе пакетной информации в любую сеть с октетной синхронизацией.

4

Хотя принцип GFP весьма удобен при передаче данных по сети «из конца в конец», нужны технологии, позволяющие выбирать необходимую пропускную способность тракта и динамически ее настраивать. Этим требованиям удовлетворяет виртуальная конкатенация (сцепка) контейнеров или блоков (VCAT).

Виртуальная конкатенация логически связывает отдельные тракты в одну группу. Разные количества трактов PDH, VC-n SDH или оптических каналов ODU могут быть объединены, образуя логический канал. Это обеспечивает широкий набор скоростей передачи, что дает возможность гибкой установки необходимой пропускной способности тракта и, тем самым, позволяет эффективно использовать пропускную способность транспортной сети в целом.

Например, в системах SDH при обычных способах мультиплексирования пропускная способность тракта определяется скоростью передачи виртуальных контейнеров VC-n или их смежных сцепок. Таким образом, для транспортировки потока GbEthernet (1000 Мбит/с) потребуется сцепка VC-4-16с. Поскольку скорость передачи такого тракта составит 149760×16 = 2396160 кбит/с, то его эффективность использования не превысит (1000000/2396160)×100 ≈ 42%. Виртуальная же конкатенация позволяет выделить под транспортировку потока данных минимально необходимое для этого количество трактов VC. Так, для GbEthernet достаточно восьми логически объединенных виртуальных контейнеров VC-4-7v, которые будут иметь общую скорость передачи 149760×7 = 1048320 кбит/с, что обеспечит эффективность использования канала, равную (1000000/1048320)×100 ≈

95%.

В табл. 1 приведено сравнение эффективности использования трактов SDH при передаче других видов трафика Ethernet смежными1 и виртуальными сцепками.

К высокой эффективности использования трактов добавляется упрощение промежуточного оборудования, поскольку распознавание и обработка виртуаль-

1 Смежные сцепки определяются стандартными схемами мультиплексирования SDH и OTN; число контейнеров в смежной сцепке равно 4, 16, 64 или 256 для SDH, а для OTN – 4 или 16.

5

ной сцепки осуществляется только оконечным оборудованием, в то время как смежные сцепки должны обрабатываться во всех промежуточных узлах.

Возникающие при таком методе конкатенации фазовые расхождения между контейнерами виртуальной сцепки на приеме (каждый контейнер перемещается независимо по сети) необходимо сглаживать. Параметры, отвечающие за компенсацию задержек и гарантирующие целостность всех элементов группы, передаются в заголовках соответствующих виртуальных сцепок, о чѐм подробнее будет сказано в соответствующих разделах.

Динамическое изменение пропускной способности для трафика с переменной скоростью передачи обеспечивает протокол LCAS, рассмотренный в одном из новых стандартов NGN [3]. По этому протоколу осуществляется обмен командами между двумя оконечными сетевыми элементами (СЭ) посредством управляющих пакетов, помещаемых в заголовках объединенных контейнеров. На основании данных в управляющих пакетах определяется, какой из СЭ активизирован, как используются элементы виртуальной сцепки, и устанавливается возможность динамически изменять количество контейнеров в группе конкатенации в ответ на производимые в реальном времени запросы по изменению пропускной способности тракта.

Эти увеличения или уменьшения пропускной способности выполняются без какого-либо негативного воздействия на услуги.

Кроме всего, данный метод позволяет обеспечить независимую схему защиты транспортной сети, поскольку контейнеры виртуальной сцепки могут проходить разными сетевыми маршрутами. В случае отказов на одном из маршрутов механизмы протокола LCAS оставляют в соединении маршруты, незатронутые отказом, тем самым, сохраняя, хотя и с меньшей пропускной способностью, работоспособность соединения. После устранения отказа соединение возвращается к исходному состоянию.

Сказанное иллюстрируется рисунком 1, на котором представлена схема участка сети NGN, включающая в себя традиционную сетевую структуру SDH. Информация клиента от провайдера П1 сети доступа с пакетной коммутацией (сеть Ethernet) поступает на узел А, где преобразуется в пакеты GFP, которые упаковываются в виртуальные контейнеры VC. Контейнеры VC поступают на устройство, реализующее функцию VCAT (образующее виртуальные сцепки контейнеров). Элементы виртуальных сцепок посредством процедуры LCAS переда-

6

ются по тем или иным маршрутам традиционной сети SDH. При этом по протоколам LCAS можно осуществлять постоянный контроль прохождения названных элементов, а также подключать или отключать маршруты в зависимости от загрузки или повреждения трактов. Следует отметить, что, защита трафика процедурой LCAS весьма эффективна, так как не требует создания дополнительных резервных трактов, как, например, при защите в сетях SDH методами MS-SPRing или SNCP. Элементы виртуальных сцепок на узле D объединяются, из них выделяются пакеты GFP, которые распаковываются; после чего информация, приведенная к исходному виду, передается в сеть доступа провайдера П2.

Важно иметь в виду, что процедуры LCAS не являются самостоятельными, а задаются традиционной системой управления сетью (NMS). Система NMS устанавливает также и маршруты прохождения пакетов по сети.

Таким образом, транспортные сети, поддерживающие технологии GFP, VCAT и LCAS являются эффективным многофункциональным средством предоставления связи для самых разнообразных служб.

7

8

2.СТРУКТУРА КАДРА GFP

Внастоящее время технология GFP использует два типа адаптации клиентского сигнала: кадровый (GFP-F) и прозрачный (GFP-T). Первый метод осуществляет инкапсуляцию одного кадра клиентского сигнала (протокольного блока данных) PDU (Protocol Data Unit) в кадр GFP. Длина кадра GFP в этом случае переменна, а избыточность заголовка минимальна. Кадровый метод адаптируется к скорости передачи клиентского сигнала, которая может быть переменной. Все это позволяет наиболее эффективно использовать ресурсы сети, но, поскольку при этом методе кадры клиента записываются в буфер (а размеры клиентских кадров могут быть большими), может происходить значительная задержка передаваемой информации.

Метод прозрачной адаптации GFP-T ориентирован на сигналы (GbEthernet, протоколы распределенной сети хранения данных SAN – Storage Area Network), в которых используется кодирование 8В10В. Длина кадра GFP-Т постоянна, а задержки минимальны, поскольку в этом методе буферизация кадров не осуществляется. Очевидно, что метод GFP-T наиболее подходит для организации интерак-

9

Считывание информации из кадра производится слева направо и сверху вниз. Первые биты являются значащими старшими MSB (Most Significant Bit), а по-

следние – значащими младшими LSB (Least Significant Bit).

Основной заголовок GFP состоит из двухбайтного поля индикатора длины полезной нагрузки PLI (Payload Length Indicator) и двухбайтного поля обнаружения ошибок основного заголовка cHEC (Header Error Check).

Поле PLI содержит двоичное число, представляющее количество байтов в области полезной нагрузки GFP. Абсолютное минимальное число в поле PLI соответствует 4-м байтам полезной нагрузки. Значения PLI, равные 0 − 3, зарезервированы для использования в кадре управления GFP.

Двухбайтное поле обнаружения ошибок основного заголовка содержит проверочное слово кода CRC-16 (Cyclic Redundancy Check-16), с помощью которого в поле индикатора длины обнаруживаются возникшие в нем ошибки, причем однобитовые ошибки исправляются. Кодовое слово сНЕС вычисляется следующим образом.

Два байта поля PLI представляют в виде полинома M(x) 15-й степени, который умножают на х16 и делят по модулю 2 на образующий полином кода G(x) = x16 + x12 + x5 + 1. При этом получается остаток в виде полинома R(x) 15-й или меньшей степени. Соответствующая остатку 16-битовая последовательность представляет собой проверочное слово CRC-16, где бит, передаваемый первым, является коэффициентом при x15, а последний передаваемый бит представляет собой коэффициент при x0 = 1.

На приеме повторяются такие же операции, после чего производится сравнение полученного и принятого остатков. На основании сравнения остатков одиночная ошибка в основном заголовке исправляется, а если ошибок оказывается более одной, кадр GFP с таким заголовком сбрасывается.

Основной заголовок (оба поля) для уменьшения вероятности появления больших пакетов «нулей» и «единиц» суммируется по модулю 2 с шестнадцатеричным числом B6AB31E02. В результате чего обеспечивается достаточное число переходов 0-1 и 1-0, необходимое для устойчивого выделения тактового синхросигнала на приеме.

Область полезной нагрузки РА может включать в себя от 4 до 65535 байтов. Как показано на рисунке 2, область полезной нагрузки содержит заголовок полез-

2 В6АВ31Е0 в двоичном исчислении равно 10110110 10101011 00110001 11100000

10