10.5.3. Основные принципы организации самозалечивающихся сетей на основе синхронной цифровой иерархии
Одно из основных достоинств SDH – возможность достижения высокой надежности и живучести. Это связано с тем, что, с одной стороны, аппаратура SDH проще и надежнее; с другой – в ней предусмотрены встроенные средства контроля и управления, облегчающие и ускоряющие процессы обнаружения неисправностей и переключения на резерв.
Однако преимущества SDH в части надежности и живучести не реализуются в полной мере сами по себе. Более того, внедрение SDH без должной проработки вопросов устойчивости сети может даже ухудшить положение дел. Объясняется это тем, что волоконно-оптические линии связи, на которые в основном ориентирована SDH, обладают огромной пропускной способностью, и отказ одного участка может привести к разрыву связи для десятков тысяч пользователей и значительным экономическим потерям. Таким образом, при переходе к SDH многократно возрастает цена отказа.
Поэтому необходимо применять специальные меры по обеспечению отказоустойчивости сетей, закладывая резервные емкости и предусматривая алгоритмы реконфигурации сети при выходе из строя ее элементов, использующие обходные пути вокруг отказавших участков. Ряд факторов облегчает принятие указанных мер, в частности: значительные емкости волоконно-оптических линий, что снижает стоимость одного канало-километра в них; наличие встроенных средств контроля и управления SDH; деление сети SDH на независимые функциональные слои; широкие возможности интеллектуальных мультиплексоров, цифровых систем оперативного переключения (ЦСОП) и другой аппаратуры.
Отмеченные обстоятельства привели к концепции построения так называемых самозалечивающихся (selfhealing) сетей на основе SDH. Ее суть -создание сети, которая при отказах элементов способна сохранять или автоматически восстанавливать нарушенные связи таким образом, что пользователи не ощущают этого.
В России уже функционируют сети на основе SDH, в частности, сеть МАКОМНЕТ в Москве. В настоящее время разрабатывается ряд проектов построения таких сетей: "50x50", предусматривающий развертывание сети, охватывающей значительную часть России; модернизация Московской городской телефонной сети и др. При проектировании этих сетей важно обеспечивать их надежность и живучесть при минимальных затратах, выбирая рациональные варианты их построения.
Основные структуры. Существует достаточно много методов организации самозалечивающихся сетей, обеспечивающих надежность и живучесть в различных ситуациях. Можно выделить три основных подхода: резервирование по разнесенным трассам по схеме 1+1 (иногда пишут 1:1 или 1х1),организация кольцевых сетей и использование ЦСОП. Три указанных подхода могут применяться как в чистом виде, так и во всевозможных комбинациях. Кроме того, они имеют различные варианты организации.
Отметим, что некоторые авторы трактуют понятие самозалечивающихся сетей более узко, относя к ним только кольцевые структуры. Вообще терминология в данной области еще не устоялась, а на русском языке она только начинает складываться.
Схема 1+1. В этом случае два пункты сети соединяются между собой двумя кабелями по географически разнесенным трассам. На приемном конце осуществляется контроль поступающих сигналов и выбор лучшего из них. Данная схема является достаточно традиционной и не нуждается в более подробном описании. Отметим только, что возможности аппаратуры SDH, в частности интеллектуальных мультиплексоров, существенно облегчают ее реализацию.
Кольцевые сети. Возможности мультиплексоров ввода-вывода (МВВ) позволяют организовывать кольцевые самозалечивающиеся сети. Существуют два варианта их построения: однонаправленное и двунаправленное кольцо.
При первом варианте каждый входной поток направляется вокруг кольца в обоих направлениях, а на приемной стороне, как и в случае схемы 1+1, осуществляется выбор лучшего сигнала. Для построения кольца используются два волокна. Передача по всем основным путям происходит в одном направлении (например, по часовой стрелке), а по всем резервным – в противоположном (деление на основной и резервный пути здесь является условным, так как они оба равноправны}. Поэтому такое кольцо называется однонаправленным, с переключением трактов или с закрепленным резервом.
Схема прохождения сигналов обоих направлений передачи для одного соединения по основному и резервному путям в таком кольце изображена на рис.10.5.
Рис.10.5. Однонаправленное кольцо
В случае двунаправленного кольца с двумя волокнами удвоения сигнала не происходит. При нормальной работе каждый входной поток направляется вдоль кольца по кратчайшему пути в любом направлении (отсюда и название "двунаправленное"). При возникновении отказа МВВ на обоих концах отказавшего участка переключают весь поток информации, поступавший на этот участок, в обратном направлении. О таком кольце также говорят, что в нем осуществляется переключение секции или защита с совместно используемым резервом.
Пример двунаправленного кольца приведен на рис. 10.6. На нем показана схема прохождения сигналов обоих направлений передачи для одного соединения при нормальном режиме работы (рис.10.6, а) и в аварийном режиме при отказе одного из участков кольца (рис.10.6, б).
При использовании двунаправленного кольца с четырьмя волокнами обеспечивается более высокий уровень отказоустойчивости, чем кольца с двумя волокнами. Однако затраты на его построение существенно больше, поэтому такой вариант редко применяется и в дальнейшем не рассматривается. Таким образом, под двунаправленным будет подразумеваться кольцо с двумя волокнами.
Рис.10.6. Двунаправленное кольцо
Двунаправленное кольцо во многих случаях оказывается более экономичным, так как при этом требуется меньшая пропускная способность. В то же время однонаправленное кольцо проще в реализации. Анализ типичных ситуаций показывает, что каждый из двух видов кольцевой архитектуры имеет свою область применения.
Однонаправленные кольца больше подходят для случаев центростремительного трафика. Это типично для сетей доступа, предназначенных для подключения пользователей к ближайшему узлу. Двунаправленные кольца более выгодны при достаточно равномерном распределении трафика, при котором становится заметным их преимущество в пропускной способности. Поэтому их применение целесообразно для городских, зоновых и магистральных сетей. В обоих вариантах возможно сохранение полной работоспособности сети при любом одиночном отказе.
Использование ЦСОП наиболее приемлемо для сетей с произвольной, например, ячеистой или решетчатой структурой. В узлах сети устанавливаются ЦСОП, которые могут кроссировать потоки по всем инцидентным узлу линиям. При возникновении на сети отказов, разрывающих имеющиеся тракты, производится перекроссировка с использованием резервов пропускной способности работоспособных линий (реконфигурация). На рис.10.7, а показан пример фрагмента сети и схема прохождения трактов на нем при нормальном режиме работы; на рис.10.7, б – тот же фрагмент после реконфигурации, вызванной отказом линии между узлами А и В.
Этот подход также имеет несколько вариантов. Во-первых, процедура реконфигурации может быть централизованной или децентрализованной (распределенной). В первом случае необходим сетевой центр управления, который собирает информацию о состоянии сети, принимает решение о реконфигурации и рассылает соответствующие команды на перекроссировку всем ЦСОП. Основное преимущество централизованного метода –- его простота; основной недостаток -- критичность к отказам центра управления и к потере или искажению информации, поступающей в центр, и команд, идущих от центра к ЦСОП.
Рис.10.7. Пример выполнения реконфигурации сети
Для полностью распределенных процедур (например, FITNESS или TRANS) подобный центр не нужен. В этом случае при возникновении отказов на сети ЦСОП, обмениваясь между собой сообщениями, определяют состояние сети, вырабатывают согласованное решение по реконфигурации и реализуют принятое решение. Основной недостаток – гораздо большая сложность распределенных процедур, и как следствие – большие временные затраты на их выполнение. А для того чтобы пользователи не ощущали перерывов в связи, все операции должны быть выполнены в доли секунды.
Новый план распределения потоков может выбираться путем обращения либо к процедурам поиска в ответ на изменение состояния сети в реальном масштабе времени, либо к конфигурационным таблицам, заранее рассчитанным и хранящимся в памяти процессоров центра управления или ЦСОП.
В первом варианте в принципе может быть проанализирована любая ситуация на сети, однако следует учитывать отмеченное выше ограничение времени на принятие решения. Во втором – возникает трудность, обусловленная тем, что весьма велико общее число возможных состояний сети (оно равно 2N, где N -общее число элементов сети). А иметь таблицу, охватывающую все состояния сети, невозможно, так как для ее хранения потребовался бы недостижимый на практике объем памяти, и время поиска в ней было бы недопустимо большим. Поэтому приходится ограничиваться охватом некоторого подмножества состояний сети, размер которого выбирается с учетом, с одной стороны, требований к отказоустойчивости, а с другой – из реальных возможностей по объему памяти и быстродействию. Например, подмножество может включать только состояния с одним отказавшим элементом или все состояния с одним отказом и часть состояний с двумя и т. п.
Наконец, существуют комбинированные методы. Например, возможен подход, при котором все ЦСОП хранят конфигурационные таблицы. охватывающие некоторое подмножество возможных состояний сети. При отказах включается распределенная процедура определения состояния сети, после выполнения которой принимается решение о реконфигурации на основании имеющихся таблиц. Состояние сети контролируется также единым центром, который при необходимости обновляет конфигурационные таблицы и рассылает их всем ЦСОП. В этом случае выход из строя центра управления не приведет к полной блокировке процедур самозалечивания, а может только снизить их эффективность.
Комбинированные структуры. Описанные выше основные подходы могут применяться не только в чистом виде, но и в различных комбинациях. Как правило, построение реальных достаточно больших сетей требует применения многих (если не всех) из рассмотренных здесь методов.
Резервирование по схеме 1+1 может использоваться на отдельных направлениях в сочетании с любой другой архитектурой, что оказывается оправданным, когда трафик на этих направлениях существенно больше, чем на остальных, и число таких направлений невелико.
Схема 1 + 1 может использоваться также на отдельных участках на первых этапах внедрения на сети SDH путем ее наложения на существующую асинхронную сеть до создания замкнутого кольца.
Возможно применение смешанной архитектуры, использующей как кольцевые структуры, так и ЦСОП. Это позволяет более эффективно строить сети и обеспечивает тот же уровень отказоустойчивости, что и у чисто кольцевой сети, при меньшей суммарной пропускной способности всех линий.
Анализ конфигураций типичных сетей городов Северной Америки показал, что наиболее эффективно внедрять на них SDH путем создания нескольких колец, связанных между собой небольшим числом ЦСОП, расположенных в местах соприкосновения колец. Такая архитектура позволяет снизить затраты на построение сети на 26...36% по сравнению с сетью, имеющей ЦСОП во всех узлах. Для выбора рационального варианта построения подобной сети разработана интерактивная система автоматизированного проектирования на базе ПЭВМ "Макинтош".
Примерно такую же архитектуру имеет и функционирующая в Москве сеть МАКОМНЕТ, хотя при ее создании необходимо было учитывать ограничения, связанные с тем, что кабели прокладывались в туннелях, а оборудование узлов размещалось в станционных помещениях метрополитена. Основу этой сети составляют несколько колец, связанных между собой ЦСОП. Каждое из колец является двунаправленным с двумя волокнами.
Вообще, построение самозалечиваюшихся сетей в виде нескольких объединенных колец представляется весьма перспективным. В связи с этим заслуживают внимания проблемы сопряжения и взаимодействия колец между собой.
Наиболее простым и дешевым является вариант, когда два смежных кольца имеют один общий узел. Однако он обладает тем недостатком, что при выходе этого узла из строя связь между кольцами прерывается. Поэтому для обеспечения устойчивости сети к одиночным отказам элементов для сопряжения колец обычно рекомендуется применять два узла.
В некоторых случаях требуется обеспечить бесперебойную работу не только при любых одиночных отказах, но и при любом сочетании двух одновременно неработоспособных элементов в различных кольцах (по одному в каждом). Для этого каждый поток, направляемый в смежное кольцо, должен достигать обоих узлов сопряжения, а узлы оснащаются специальными устройствами для выбора и переключения сигналов.
На основании изложенного можно сделать следующие выводы.
1. Одной из важнейших задач при построении сетей на основе SDH, без решения которой невозможно в полной мере реализовать преимущества этой технологии, является обеспечение их отказоустойчивости. Основной путь ее решения – создание самозалечивающихся сетей.
2. При построении сетей связи целесообразно, как правило, совместное применение различных способов организации самозалечивающихся сетей.
3. Оптимальный вариант должен выбираться на основе технико-экономического анализа, учитывающего размеры сети, требования по надежности и живучести, распределении тяготений между узлами.