11. Первичные сети. Сети pdh. Иерархия скоростей. Методы мультиплексирования. Недостатки технологии.

Первичные сети предназначены для создания коммутируемой инфраструктуры, с помощью которой можно достаточно быстро и гибко организовать постоянный канал с двухточечной топологией между двумя пользовательскими устройствами, подключенными к такой сети.

В первичных сетях используется техника коммутации каналов. На основе каналов, образованных первичными сетями, работают наложенные компьютерные и телефонные сети. Каналы, представляемые первичными сетями своим пользователям, отличаются высокой пропускной способностью.

Три поколения

– плезиохронная цифровая иерархия (Plesiochronus Digital Hierarchy, PDH);

– синхронная цифровая иерархия (Synchronous Digital Hierarchy, SDH), которой в Америке соответствует стандарт SONET;

– уплотненное волновое мультиплексирование (DWDM).

PDH и SDH используют технологию TDM (Time Division Multiplexing – Мультиплексирование с разделением времени). Каждая из них поддерживает иерархию скоростей, потребитель может выбрать подходящую ему скорость. В крупной первичной сети для магистралей используется SDH, для сетей доступа ― PDH.

Сети DWDM ― последнее достижение в области высокоскоростных каналов. Не являются цифровыми, выделенная волна модулируется и кодируется. Вытесняет SDH.

Технология PDH

Плезиохронная цифровая иерархия (PDH, Plesiochronous Digital Hierarchy) — цифровой метод передачи данных и голоса, основанный на временном разделении канала и технологии представления сигнала с помощью импульсно-кодовой модуляции (ИКМ).

Технология PDH была разработана в конце 60-х годов компанией AT&T для решения проблемы связи крупных коммутаторов телефонных сетей между собой. Линии связи FDM, применяемые ранее для решения этой задачи, исчерпали свои возможности по организации высокоскоростной многоканальной связи по одному кабелю.

К началу 80-х было разработано 3 подобных системы (Сев. Америка, Европа и Япония). Основанные на одинаковых принципах, системы использовали различные коэффициенты мультиплексирования.

Иерархия скоростей

Начало технологии PDH было положено мультиплексором T-1, который позволял мультиплексировать, передавать и коммутировать голосовой трафик 24-х абонентов. Передача голоса шла в аналоговой форме, Т-1 осуществлял оцифровку голоса по методу ИКМ. Каждый абонентский канал образовывал поток 64 Кбит/с, а Т-1 обеспечивал 1,544 Мбит/с. Для соединения крупных телефонных станций Т-1 являлся слишком слабым каналом, поэтому была реализована идея иерархии скоростей.

Четыре канала Т-1 объединяли в канал Т-2. Канал Т-3 представлял собой семь каналов Т-2. Т-4 представлял собой 6 каналов Т-3. Технология получила название системы Т-каналов.

Технология систем Т-каналов была стандартизована Американским национальным институтом стандартов (ANSI), а позже ― международным комитетом CCITT. При стандартизации она получила название Plesiochronous Digital Hierarchy (PDH). В результате внесенных комитетом CCITT изменений возникла несовместимость американской и международной версий стандарта PDH. Аналогом систем Т-каналов в международном стандарте являются каналы типа Е-1, Е-2 и Е-3 с отличающимися скоростями. Американская версия помимо США распространена также в Канаде и Японии (с некоторыми различиями), а в Европе применяется международный стандарт CCITT.

На практике в основном используются каналы Т-1/Е-1 и Т-З/Е-3.

Рис.1. Иерархия скоростей

[11.1]

Несмотря на различия американской и международных версий технологии цифровой иерархии, для обозначения иерархии скоростей принято использовать одни и те же обозначения - DSn (Digital Signal n).

Методы мультиплексирования

Мультиплексор Т-1 обеспечивает передачу данных 24-х абонентов со скоростью 1,544 Мбит/с в кадре простого формата. В этом кадре последовательно передаются байты каждого абонента, а после 24 байт вставляется бит синхронизации. Первоначально устройства Т-1 (а также и Т-2 и Т-3) работали на внутренних тактовых генераторах, каждый кадр с помощью битов синхронизации передавался асинхронно. Современные системы работают на централизованной тактовой частоте, распределяемой из одной точки сети. Однако принцип формирования кадра остался неизменным.

Суммарная скорость пользовательских каналов составляет 24х64 = 1,536 Мбит/с, 8 Кбит/с добавляют биты синхронизации, итого 1,544 Мбит/с.

Особенности формата кадра Т-1

Восьмой бит каждого байта в кадре имеет значение, зависящее от типа передаваемых данных и поколения аппаратуры. При передаче голоса с помощью этого бита передается служебная информация (номер абонента и другие сведения). Реальная скорость передачи данных не 64, а 56 Кбит/с. Техника использования 8-го бита получила название «кража бита».

При передаче компьютерных данных Т-1 предоставляет для пользовательских данных только 23 канала, а 24 отводится для служебных целей (восстановление искаженных кадров). Скорость передачи 64 Кбит/с. При одновременной передаче как голосовых, так и компьютерных данных используются все 24 канала, причем и компьютерные, и голосовые данные передаются со скоростью 56 Кбит/с.

Мультиплексирование Т-1

При мультиплексировании 4-х каналов Т-1 в один канал Т-2 между кадрами DS-1 по-прежнему передается один бит синхронизации. Кадры DS-2 (которые состоят из 4-х последовательных кадров DS-1) разделяются 12 служебными битами, которые предназначены не только для разделения кадров, но и для их синхронизации. Соответственно, кадры DS-3 состоят из 7 кадров DS-2, разделенных служебными битами.

Особенности формата кадра E-1

Версия технологии PDH комитета CCITT имеет отличия от американской технологии систем Т-каналов. В частности, в ней не используется схема «кражи бита». При переходе к следующему уровню иерархии коэффициент кратности скорости имеет постоянное значение 4. Вместо восьмого бита в канале Е-1 на служебные цели отводятся 2 байта из 32, а именно нулевой (для целей синхронизации приемника и передатчика) и шестнадцатый (в нем передается служебная сигнальная информация). Для голосовых каналов или каналов данных остается 30

каналов со скоростью передачи 64 Кбит/с каждый.

Пользовательские каналы

Пользователь может арендовать несколько каналов 64 Кбит/с (56 Кбит/с) в канале Т-1/Е-1. Такой канал называется «дробным» каналом Т-1/Е-1. В этом случае пользователю отводится несколько тайм-слотов работы мультиплексора.

Физический уровень технологии PDH поддерживает различные виды кабелей: витую пару, коаксиальный кабель и волоконно-оптический кабель. Основным вариантом абонентского доступа к каналам Т-1/Е-1 является кабель из двух витых пар с разъемами RJ-48. Две пары требуются для организации дуплексного режима передачи данных со скоростью 1,544/2,048 Мбит/с.

Ограничения PDH

1. Отсутствует полная синхронизация потоков данных при объединении низкоскоростных каналов в высокоскоростные. Изначально асинхронный подход сделал необходимой вставку битов синхронизации между кадрами.

2. В результате для извлечения данных из объединенного канала необходимо демультиплексировать все кадры этого канала. Чтобы получить данные одного абонентского канала 64 Кбит/с из кадров Т-3, необходимо демультиплексировать кадры до Т-2, затем полученные до Т-1, а затем и сами кадры Т-1. Если PDH используется как транзитная магистраль между двумя крупными узлами, то проблемы нет. Но если необходимо выделить абонентский канал на транзитном узле, то задача

[11.2]

простого решения не имеет.

3. В технологии PDH отсутствуют встроенные средства обеспечения отказоустойчивости и администрирования сети.

4. Слишком низкие по современным понятиям скорости передачи данных. Волоконно-оптические кабели позволяют передавать данные в несколько гигабит в секунду. Иерархия скоростей PDH заканчивается уровнем 139 Мбит/с.

12. Первичные сети. Сети SDH. Иерархия скоростей. Методы мультиплексирования. Кадры STM-n.

Технология синхронной цифровой иерархии первоначально была разработана компанией Bellcore под названием «Синхронные оптические сети» - Synchronous Optical NETs, SONET. 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 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.

Cтандарт SONET начинается со скорости 51,84 Мбит/с, а стандарт SDH - со скорости 155,52 Мбит/с, равной утроенной начальной скорости SONET.

Кадры данных технологий SONET и SDH, называемые также циклами, по форматам совпадают. Эти кадры обладают весьма большой избыточностью, так как передают большое количество служебной информации, которая нужна для:

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

2)обеспечения отказоустойчивости сети;

3)поддержки операций контроля и управления на уровне протокола сети;

4)синхронизации кадров в случае небольшого отклонения частот двух сопрягаемых сетей.

Иерархия скоростей

В сетях SDH, как и в SONET, используются синхронные схемы передачи с байт-интерливингом при мультиплексировании. В качестве формата основного сигнала первого уровня в иерархии SDH был принят синхронный транспортный модуль STM-1, скорость передачи которого 155.52 Мбит/сек. Мультиплексирование с коэффициентом кратности 4 дает следующий ряд скоростей SDH иерархии: STM-4, STM-16, STM-64 или соответственно 622.08, 2488.32, 9953.28 Мбит/сек. Ряд скоростей SONET начинается с сигнала ОС-1, имеющего скорость 51.84 Мбит/сек, а далее сигналы ОС-3, ОС-12, ОС-48 и т.д. совпадают по скорости с STM-1, STM-4, STM-64 и т.д.

Мультиплексирование

Основным функциональным модулем сетей SDH является мультиплексор. Мультиплексоры SDH выполняют как функции собственно мультиплексора, так и функции устройств терминального доступа, позволяя подключать низкоскоростные каналы PDH иерархии непосредственно к своим входным портам. Они являются универсальными и гибкими устройствами, позволяющие решать практически все перечисленные выше задачи, т.е. кроме задачи мультиплексирования выполнять задачи коммутации, концентрации и регенерации. Это оказываеться возможным в силу модульной конструкции SDH мульти

[12.1]

плексора - SMUX, при которой выполняемые функции определяются лишь возможностями системы управления и составом модулей, включённых в спецификацию мультиплексора.

Принято, однако, выделять два основных типа SDH мультиплексора: терминальный мультиплексор и мультиплексор ввода/вывода. Терминальный мультиплексор TM является мультиплексором и оконечным устройством SDH сети с каналами доступа, соответствующим трибутарным портам доступа PDH и SDH иерархии. Терминальный мультиплексор может либо вводить каналы, т.е. коммутировать их со входа трибутарного интерфейса на линейный выход, или выводить каналы, т.е. коммутировать с линейного входа на выход трибутарного интерфейса. Мультиплексор ввода/вывода ADM может иметь на входе тот же набор трибутарных портов, что и терминальный мультиплексор (рис).

Он позволяет вводить/выводить соответствующие им каналы. Дополнительно к возможностям коммутации, обеспечиваемым ТМ, ADM позволяет осуществлять сквозную коммутацию выходных потоков в обоих направлениях, а также осуществлять замыкание канала приёма на канал предачи на обоих сторонах ( "восточный" и "западный") в случае выхода из строя одного из направлений. Наконец, он позволяет (в случае аварийного выхода из строя мультиплексора) пропускать основной оптический поток мимо него в обходном режиме. Всё это даёт возможность использовать ADM в топологиях типа кольца.

Кадры STM-n

Синхронная Цифровая Иерархия (СЦИ: англ. SDH — Synchronous Digital Hierarchy) — это технология транспортных телекоммуникационных сетей. Стандарты СЦИ определяют характеристики цифровых сигналов, включая структуру фреймов (циклов), метод мультиплексирования, иерархию цифровых скоростей и кодовые шаблоны интерфейсов и т. д.

В стандарте SDH все уровни и форматы кадров для этих уровней имеют название STM-n (Synchronous Transport Module level n). В технологии SONET различают обозначения для передачи данных по проводам - STS-n (Synchronous Transport Signal level n) и по оптоволоконному кабелю - OC-n (Optical Carrier level n). При этом форматы кадров во всех случаях идентичны.

Поскольку низкоскоростные сигналы SDH мультиплексируются в структуру фрейма высокоскоростных сигналов SDH посредством метода побайтового мультиплексирования, их расположение во фрейме высокоскоростного сигнала фиксировано и определено или, скажем, предсказуемо. Поэтому низкоскоростной сигнал SDH, например 155 Мбит/с (STM-1) может быть напрямую добавлен или выделен из высокоскоростного сигнала, например 2.5 Гбит/с (STM-16). Это упрощает процесс мультиплексирования и демультиплексирования сигнала и делает SDH иерархию особенно подходящей для высокоскоростных волоконно-оптических систем передачи, обладающих большой производительностью.