Как устроена сеть SDH

Оборудование, формат кадров, топология.

Oсновным элементом сети SDH является мультиплексор (см. Рисунок 1). Обычно он оснащен некоторым количеством портов PDH и SDH: например, портами PDH на 2 и 34/45 Мбит/с и портами SDH STM-1 на 155 Мбит/c и STM-4 на 622 Мбит/c. Порты мультиплексора SDH делятся на агрегатные и трибутарные. Трибутарные порты часто называют также портами ввода/вывода, а агрегатные — линейными. Эта терминология отражает типовые топологии сетей SDH, где имеется ярко выраженная магистраль в виде цепи или кольца, по которой передаются потоки данных, поступающие от пользователей сети через порты ввода/вывода (т. е. втекающие в агрегированный поток: tributary дословно означает «приток»).

Мультиплексоры SDH обычно делят на терминальные (Terminal Multiplexor, TM) и ввода/вывода (Add-Drop Multiplexor, ADM). Разница между ними состоит не в составе портов, а в положении мультиплексора в сети SDH. Терминальное устройство завершает агрегатные каналы, мультиплексируя в них большое количество каналов ввода/вывода (трибутарных). Мультиплексор ввода/вывода транзитом передает агрегатные каналы, занимая промежуточное положение на магистрали (в кольце, цепи или смешанной топологии). При этом данные трибутарных каналов вводятся в агрегатный канал или выводятся из него. Агрегатные порты мультиплексора поддерживают максимальный для данной модели уровень скорости STM-N, значение которой служит для характеристики мультиплексора в целом, например мультиплексор STM-4 или STM-64.

Иногда различают так называемые кросс-коннекторы (Digital Cross-Connect, DXC) — в отличие от мультиплексоров ввода/вывода, они выполняют коммутацию произвольных виртуальных контейнеров, а не только контейнера из агрегатного потока с соответствующим контейнером трибутарного потока. Чаще всего кросс-коннекторы реализуют соединения между трибутарными портами (точнее — виртуальными контейнерами, формируемыми из данных трибутарных портов), но могут применяться кросс-коннекторы и агрегатных портов, т. е. контейнеров VC-4 и их групп. Последний вид мультиплексоров пока встречается реже, чем остальные, так как его применение оправдано при большом количестве агрегатных портов и ячеистой топологии сети, а это существенно увеличивает стоимость как мультиплексора, так и сети в целом.

Большинство производителей выпускает универсальные мультиплексоры, которые могут использоваться в качестве терминальных, ввода/вывода и кросс-коннекторов — в зависимости от набора установленных модулей с агрегатными и трибутарными портами. Однако возможности использования таких мультиплексоров в качестве кросс-коннекторов весьма ограничен, поскольку производители часто выпускают модели мультиплексоров с возможностью установки только одной агрегатной карты с двумя портами. Конфигурация с двумя агрегатными портами является минимальной, обеспечивающей работу в сети с топологией кольцо или цепь. Такая конструкция мультиплексора не слишком дорога, но способна усложнить проектирование сети, если требуется реализовать ячеистую топологию на максимальной для мультиплексора скорости.

Кроме мультиплексоров в состав сети SDH могут входить регенераторы, они необходимы для преодоления ограничений по расстоянию между мультиплексорами, зависящих от мощности оптических передатчиков, чувствительности приемников и затухания волоконно-оптического кабеля. Регенератор преобразует оптический сигнал в электрический и обратно, восстанавливая при этом форму сигнала и его временные параметры. В настоящее время регенераторы SDH применяются достаточно редко, так как стоимость их ненамного меньше стоимости мультиплексора, а функциональные возможности несоизмеримы.

Стек протоколов SDH состоит из протоколов четырех уровней.

• Физический уровень, названный в стандарте фотонным (photonic), имеет дело с кодированием бит информации с помощью модуляции света.
• Уровень секции (section) поддерживает физическую целостность сети. Под секцией в технологии SDH подразумевается каждый непрерывный отрезок волоконно-оптического кабеля, посредством которого пара устройств SONET/SDH соединяется между собой, например мультиплексор и регенератор, регенератор и регенератор. Ее часто называют регенераторной секцией, имея в виду, что от оконечных устройств не требуется выполнение функций этого уровня мультиплексора. Протокол регенераторной секции имеет дело с определенной частью заголовка кадра, называемой заголовком регенераторной секции (RSOH), и на основе служебной информации может проводить тестирование секции и поддерживать операции административного контроля.
• Уровень линии (line) отвечает за передачу данных между двумя мультиплексорами сети. Протокол этого уровня работает с кадрами уровней STS-n для выполнения различных операций мультиплексирования и демультиплексирования, а также вставки и удаления пользовательских данных. Он осуществляет также проведение операций реконфигурирования линии в случае отказа какого-либо ее элемента - оптического волокна, порта или соседнего мультиплексора. Линию часто называют мультиплексной секцией.
• Уровень тракта (path) контролирует доставку данных между двумя конечными пользователями сети. Тракт (путь) - это составное виртуальное соединение между пользователями. Протокол тракта должен принять поступающие в пользовательском формате данные, например формате E1, и преобразовать их в синхронные кадры STM-N.

На Рисунке 2 показано распределение протоколов SDH по типам оборудования SDH.

КАДРЫ STM-N

На Рисунке 3 приведены основные элементы кадра STM-1. Кадр обычно представляют в виде матрицы, состоящей из 270 столбцов и девяти строк. Первые 9 байт каждой строки отводятся под служебные данные заголовков, а из последующих 261 байт 260 заняты полезной нагрузкой (данные таких структур, как AUG, AU, TUG, TU и VC — см. статью В. Олифера «Технология синхронной цифровой иерархии» в предыдущем номере), а один байт каждой строки содержит заголовок тракта, что позволяет контролировать соединение «из конца в конец».

Заголовок регенераторной секции RSOH содержит:

• синхронизирующие байты;
• байты контроля ошибок для регенераторной секции;
• один байт служебного аудиоканала (64 Кбит/с);
• три байта канала передачи данных (Data Communication Channel, DCC), работающего со скоростью 192 Кбит/с;
• байты, зарезервированные для использования по усмотрению национальных операторов связи.

Указатели H1, H2, H3 задают положение начала виртуального контейнера VC-4 или трех виртуальных контейнеров VC-3 относительно поля указателей.

В заголовке протокола мультиплексной секции содержатся:

• байты контроля ошибок для мультиплексной секции;
• шесть байт канала передачи данных (Data Communication Channel, DCC), работающего со скоростью 576 Кбит/с;
• два байта протокола автоматической защиты трафика (байты K1 и K2), обеспечивающего живучесть сети;
• один байт передачи сообщений статуса системы синхронизации.

Остальные байты заголовка MSOH либо зарезервированы национальными операторами связи, либо не используются.

Механизм работы указателя H1-H2-H3 рассмотрим на примере кадра STM-1 с контейнером VC-4. Указатель занимает 9 байт четвертого ряда кадра, причем под каждое из полей H1, H2 и H3 в этом случае отводится по 3 байт. Разрешенные значения указателя находятся в диапазоне 0-782; указатель отмечает начало контейнера VC-4 в трехбайтовых единицах. Например, если указатель имеет значение 27, то первый байт VC-4 находится на расстоянии 27 x 3 = 81 байт от последнего байта поля указателей, т. е. является 90-м байтом (нумерация начинается с единицы) в четвертой строке кадра STM-1. Фиксированное значение указателя позволяет учесть сдвиг фазы между конкретным мультиплексором и источником данных, в качестве которого может выступать мультиплексор PDH, оборудование пользователя с интерфейсом PDH или другой мультиплексор SDH. В результате виртуальный контейнер передается в двух последовательных кадрах STM-1.

Указатель может задавать не только фиксированный сдвиг, но и учитывать рассогласование тактовой частоты мультиплексора с тактовой частотой устройства, от которого поступают пользовательские данные. Для компенсации этого эффекта значение указателя периодически наращивается или уменьшается на единицу.

Если скорость поступления данных контейнера VC-4 меньше, чем скорость отправки STM-1, то у мультиплексора периодически (этот период зависит от величины рассогласования частоты синхронизации) возникает нехватка пользовательских данных для заполнения соответствующих полей виртуального контейнера. Поэтому мультиплексор вставляет три «холостых» (незначащих) байта в данные виртуального контейнера, после чего продолжает заполнение VC-4 «подоспевшими» за время паузы данными. Указатель наращивается на единицу, что отражает запаздывание начала очередного контейнера VC-4 на 3 байт. Эта операция над указателем называется положительным выравниванием. В итоге средняя скорость отправляемых пользовательских данных становится равной скорости их поступления, причем без вставки дополнительных бит в стиле PDH.

Если же скорость поступления данных VC-4 выше, чем скорость отправки кадра STM-1, то у мультиплексора периодически возникает потребность вставки в кадр «лишних», т. е. преждевременно пришедших байт, для которых в поле VC-4 нет места. Их размещение происходит при помощи трех младших байтов указателя, т. е. поля H3 (само значение указателя умещается в байты полей H1 и H2). Указатель при этом уменьшается на единицу, поэтому такая операция носит название отрицательного выравнивания.

То, что выравнивание контейнера VC-4 происходит с дискретностью в 3 байт, объясняется достаточно просто. В кадре STM-1 может переноситься или один контейнер VC-4, или три контейнера VC-3. Каждый из контейнеров VC-3 имеет в общем случае независимое значение фазы относительно начала кадра, а также собственную величину рассогласования частоты. Указатель VC-3, в отличие от указателя VC-4, состоит уже не из 9, а из 3 байт: H1, H2, H3 (каждое из этих полей — длиной 1 байт). Последние помещаются в те же байты, что и указатель VC-4, но по схеме с чередованием байт (byte interleaving), т. е. в порядке H1-1, H1-2, H1-3, H2-1, H2-2, H2-3, H3-1, H3-2, H3-3 (второй индекс — это принадлежность определенному VC-3). Значения указателей VC-3 интерпретируются в байтах, а не трехбайтовых единицах. При отрицательном выравнивании контейнера VC-3 лишний байт помещается в соответствующий байт H3-1, H3-2 или H3-3 — в зависимости от того, над каким из контейнеров VC-3 проводится эта операция.

Вот мы и дошли до объяснения выбора размера смещения для контейнеров VC4 — он был выбран для унификации этих операций над контейнерами любого типа, размещаемыми непосредственно в AUG кадра STM-1. Выравнивание контейнеров более низкого уровня всегда происходит с шагом в 1 байт.

При объединении блоков TU и AU в группы выполняется их последовательное побайтное расслоение, так что период следования пользовательских данных в кадре STM-N совпадает с периодом их следования в трибутарных портах, что исключает необходимость в их временной буферизации — поэтому говорят, что мультиплексоры SDH передают данные в реальном масштабе времени.

ТИПОВЫЕ ТОПОЛОГИИ

В сетях SDH применяются различные топологии связей. Наиболее употребительны кольцо и шина; однако все чаще встречается ячеистая топология, близкая к полносвязной.

Кольцо SDH строится из мультиплексоров ввода/вывода, имеющих по крайней мере по два агрегатных порта (см. Рисунок 4а). Пользовательские потоки вводятся и выводятся из кольца через трибутарные порты, образуя соединения «точка-точка» (на рисунке показаны в качестве примера два таких соединения). Кольцо является классической регулярной топологией, обладающей потенциальной отказоустойчивостью — при однократном обрыве кабеля или выходе из строя мультиплексора соединение сохранится, если его направить в противоположном направлении. Кольцо обычно строится на основе кабеля с двумя оптическими волокнами, но иногда для повышения надежности и пропускной способности применяют четыре волокна.

Шина (см. Рисунок 4б) — линейная последовательность мультиплексоров, из которых два оконечных играют роль терминальных, а остальные — мультиплексоров ввода/вывода. Обычно сеть с шинной топологией применяется в тех случаях, когда узлы имеют соответствующее географическое расположение, например вдоль магистрали железной дороги или трубопровода. Правда, тогда подходит и плоское кольцо (см. Рисунок 4в), поскольку оно обеспечивает более высокий уровень отказоустойчивости за счет использования двух дополнительных волокон в магистральном кабеле и по одному дополнительному агрегатному порту у терминальных мультиплексоров.

Эти базовые топологии могут комбинироваться при построении сложной и разветвленной сети SDH, образуя участки с радиально-кольцевой топологией, соединениями «кольцо-кольцо» и т. п. Наиболее общим случаем является ячеистая топология сети (см. Рисунок 4г), при которой мультиплексоры имеют большое количество взаимных связей, а сеть может достичь очень высокой производительности и надежности.