Синхронные цифровые сети

Размещено на http://www.allbest.ru/

Отчёт

по преддипломной практике

Кириенко П.

г. Ставрополь

Содержание

Введение

1. Синхронные цифровые сети

2. Функциональные задачи и модули сетей SDH

3. Мультиплексоры

4. Концентраторы

5. Регенераторы

6. Коммутаторы

7. Методы кросс-коммутации и взаимодействие сетей SDH

8. Топологии сетей SDH

Введение

Первой коммерческой цифровой системой передачи голоса, использующей ИКМ и методы мультиплексирования с временным разделением каналов, считают систему компании Bell System (США), установленную в Чикаго в 1962 году. Система давала возможность передавать 24 голосовых канала по медному кабелю, проложенному между офисами компании Bell System .Каждый голосовой канал использовал скорость передачи 64 кбит/с, все каналы объединялись с помощью мультиплексора в единый поток двоичных данных со скоростью 1544 кбит/с. Он стал известен как канал DS1 или T1.

Развитие схем мультиплексирования привело к возникновению трёх цифровых иерархий с разными уровнями стандартизированных скоростей передачи каналов: DS2 (T2/E2), DS3(T3/E3), DS4(T4/E4). Эти иерархии, названные плезиохронными цифровыми иерархиями PDH (ПЦИ) широко используются как в цифровой телефонии, так и для передачи данных.

Развитие технологий скоростных телекоммуникаций на основе PDH привело к появлению двух цифровых технологий: синхронной оптической сети SONET (COC), и синхронной цифровой иерархии SDH (СЦИ). Эти технологии были ориентированы на использование волоконно-оптических кабелей (ВОК) в качестве среды передачи.

1. Синхронные цифровые сети

Цифровые сети, разработанные и внедрённые до появления синхронных сетевых технологий SONET/SDH, были, по сути, асинхронными системами, т.к. не использовали внешнюю синхронизацию от центрального опорного источника. В них потеря бит 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.

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^. В этой ситуации необходимость выравнивая фреймов или мультифреймов стоит не так остро, а диапазон выравнивания значительно уже.

Ситуация с выделением определенного фрагмента потока (например DS1 или E1) упрощается, если ввести указатели начала этого фрагмента в структуре инкапсулирующего его фрейма. Использование указателей 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, 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, позволяя непосредственно вывести (ввести), например сигнал Е 1 (2 Мбит/с) из фрейма (или в фрейм) STM-1 (155 Мбит/с), заменяет целую "гирлянду" мультиплексоров PDH, давая экономию не только в оборудовании (его цене и номенклатуре), но и в требуемом месте для размещения, питании и обслуживании;

- надёжность и самовосстановление 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 защищённый режим работы, допускающий два альтернативных пути распространения сигнала с почти мгновенным переключением в случае повреждения одного из них, а также обход повреждённого 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 так же 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 осуществлён только по заранее (за несколько дней) спланированной договоренности (например, вывод требуемого канала при проведении видеоконференции), теперь может быть предоставлен в считанные секунды путём переключения на другой канал;

- прозрачность для передачи любого трафика - факт, обусловленный использованием виртуальных контейнеров для передачи трафика, сформированного другими технологиями, включая самые современные технологии Frame Relay, ISDN и ATM;

- универсальность применения - технология может быть использована как для создания глобальных сетей или глобальной магистрали, передающей из точки в точку тысячи каналов со 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.

Общие особенности построения синхронной иерархии

Несмотря на очевидные преимущества сетей SDH перед PDH, они не имели бы такого успеха, если бы не обеспечивали преемственность и поддержку стандартов PDH. При разработке технологии SONET обеспечивалась преемственность американской, а при разработке SDH - европейской иерархии 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 расчитаны на поддержку только тех выходных каналов (каналов доступа), скорость передачи которых соответствовала объединённому стандартному ряду американской и европейской иерархии PDH, а 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 (компонентные сигналы), а сигналы, скорость передачи которых соответствует стандартному ряду скоростей SDH - трибами SDH.

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, имеющего сопровождающую документацию - заголовок, где собраны все необходимые для управления и маршрутизации контейнера поля-параметры, и внутреннюю ёмкость 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 размеру контейнеры делятся на 4 уровня, соответствующие уровням PDH. На контейнер должен наклеиваться 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.

Вторая способность иерархии SDH - трибы должны быть упакованы в стандартные помеченные контейнеры, размеры которых определяются 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 системе, 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. мультиплексирование цифровой сеть широкополосный

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 ёмкость контейнеров верхних уровней достаточно велика, может оказаться так, что либо она всё равно недостаточна, либо под нагрузку лучше выделить несколько контейнеров меньшего размера. Для этого в SDH технологии предусмотрена возможность сцепления или конкатенации контейнеров. Составной контейнер отличается соответствующим индексом от основного и рассматривается как один большой контейнер. Указанная возможность позволяет с одной стороны оптимизировать использование имеющихся номенклатуры контейнеров, с другой стороны позволяет легко приспособить технологию к новым типам нагрузок, не известных на момент её разработки.

Четвёртая особенность иерархии SDH - 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 поля заголовков размером 9*9=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 эквивалента потоку данных со скоростью 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 DS0 (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 логичес ких 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: 9x261=2349 байт и определил размер поля полезной нагрузки STM-1, а добавление к нему поля заголовков определило размер синхронного транспортного модуля STM-1: 9x261+ 9x9=9x270=2430 байт или 2430x8=19440 бит, что при частоте повторения 8000 Гц позволяет определить и порождающий член ряда для иерархии SDH: 19440x8000=155.52 Мбит/с.

2. Функциональные задачи и модули сетей SDH

Сеть SDH, как и любая сеть, строится из отдельных функциональных модулей ограниченного набора: мультиплексоров, коммутаторов, концентраторов, регенераторов и терминального оборудования. Этот набор определяется основными функциональными задачами, решаемыми сетью:

- сбор входных потоков через каналы доступа в агрегатный блок, пригодный для транспортировки в сети SDH - задача мультиплексирования, решаемая терминальными мультиплексорами - ТМ сети доступа;

- транспортировка агрегатных блоков по сети с возможностью ввода/вывода входных/выходных потоков - задача транспортирования, решаемая мультиплексорами ввода/вывода - ADM, логически управляющими информационным потоком в сети, а физически - потоком в физической среде, формирующей в этой сети транспортный канал;

- перегрузка виртуальных контейнеров в соответствии со схемой маршрутизации из одного сегмента сети в другой, осуществляемая в выделенных узлах сети, - задача коммутации, или кросс-коммутации, решаемая с помощью цифровых коммутаторов или кросс- коммутаторов - DXC;

- объединение нескольких однотипных потоков в распределительный узел - концентратор (или хаб) - задача концентрации, решаемая концентраторами,

- восстановление (регенерация) формы и амплитуды сигнала, передаваемого на большие расстояния, для компенсации его затухания - задача регенерации, решаемая с помощью регенераторов - устройств, аналогичных повторителям в LAN;

- сопряжение сети пользователя с сетью SDH - задача сопряжения, решаемая с помощью оконечного оборудования - различных согласующих устройств, например, конвертеров интерфейсов, конвертеров скоростей, конвертеров импедансов и т. д.

3. Мультиплексоры

5. Регенераторы

Регенератор представляет собой вырожденный случай мультиплексора, имеющего один входной канал - как правило, оптический триб STM-N и один или два (при использовании схемы защиты 1 + 1) агрегатных выхода. Он используется для увеличения допустимого расстояния между узлами сети SDH путем регенерации сигналов полезной нагрузки. Обычно это расстояние (учитывая практику использования одномодовых волоконно-оптических кабелей) составляет 15-40 км для длины волны порядка 1300 нм или 40-80 км - для 1500 нм, хотя при использовании оптических усилителей оно может достигать 100- 150 км. Более точно это расстояние определяется отношением допустимых для секции регенератор; суммарных потерь к затуханию на 1 км длины кабеля.

6. Коммутаторы

Подавляющее большинство современных мультиплексоров ввода/вывода строятся по модульному принципу. Среди этих модулей центральное место занимает кросс-коммутатор или просто коммутатор - DXC. В синхронной сети он позволяет установить связи между различными каналами, ассоциированными с определенными пользователями сети, путем организации полупостоянной (временной) перекрестной связи, или кросс-коммутации, между ними. Возможность такой связи позволяет осуществить маршрутизацию в сети SDH на уровне виртуальных контейнеров VC-n, управляемую сетевым менеджером (управляющей системой) в соответствии с заданной конфигурацией сети.

Физически возможности внутренней коммутации каналов заложены в самом мультиплексоре SDH, что позволяет говорить о мультиплексоре как о внутреннем или локальном коммутаторе. Например, менеджер полезной нагрузки может динамически изменять логическое соответствие между трибным блоком TU и каналом доступа (трибным интерфейсом), что равносильно внутренней коммутации каналов. Кроме этого, мультиплексор, как правило, имеет возможность коммутировать собственные каналы доступа, что равносильно локальной коммутации каналов. На мультиплексоры, например, можно возложить задачи локальной коммутации на уровне однотипных каналов доступа, т.е. задачи, решаемые концентраторам.

Все это говорит о возможности распределенного управления процессом коммутации в узлах сети SDH. Однако эти возможности в большинстве своем ограничены как по числу коммутируемых каналов, так и по типу виртуальных контейнеров VC, доступных для коммутации. Поэтому в общем случае приходится использовать специально разработанные синхронные коммутаторы - SDXC, осуществляющие не только локальную, но и общую или проходную (сквозную) коммутацию высокоскоростных потоков (34 Мбит/с и выше) и синхронных транспортных модулей STM-N. Важной особенностью таких коммутаторов является отсутствие блокировки других каналов при коммутации, когда коммутация одних групп TU не накладывает ограничений на процесс обработки других групп TU. Такая коммутация называется неблокирующей.

Существуют несколько типов коммутаторов SDXC в зависимости от того, какие виртуальные контейнеры они могут коммутировать. Их обозначение в общем случае имеет вид SDXC л/m, где л означает номер виртуального контейнера, который коммутатор может принять на вход, am- номер максимально возможного уровня виртуального контейнера, который он способен коммутировать. Иногда вместо номера виртуального контейнера т указывают набор коммутируемых виртуальных контейнеров, например, m/p/q. Так, например, для уровня STM-1 могут быть указаны следующие типы коммутаторов:

- SDXC 4/4 - коммутатор, позволяющий принимать и обрабатывать VC-4, или потоки 140 и 155 Мбит/с;

- SDXC 4/3/2/1 - коммутатор, позволяющий принимать VC-4, или потоки 140 и 155 Мбит/с, и обрабатывать VC-3, VC-2 и VC-1, или потоки 34 или 45, 6 и 1.5 или 2 Мбит/с;

- SDXC 4/3/1 - коммутатор, позволяющий принимать VC-4, или потоки 140 и 155 Мбит/с, и обрабатывать VC-3 и VC-1, или потоки 34 или 45 и 1.5 или 2 Мбит/с;

- SDXC 4/1 - коммутатор, позволяющий принимать VC-4, или потоки 140 и 155 Мбит/с, и обрабатывать VC-1, или потоки 1.5 или 2 Мбит/с.

Коммутатор выполняет ряд специфических функций в зависимости от режима работы и состава оборудования, с которым он работает.

Функции, выполняемые коммутатором

Можно выделить шесть различных функций, выполняемых коммутатором:

- маршрутизация (routing) виртуальных контейнеров VC, проводимая на основе использования информации в маршрутном заголовке РОН соответствующего контейнера;

- консолидация или объединение (consolidation/hubbing) виртуальных контейнеров VC, проводимая в режиме работы концентратора/хаба;

- трансляция (translation) потока от точки к нескольким точкам, или к мультиточке, (point-to- multipoint), осуществляемая при использовании режима связи "точка-мультиточка";

- сортировка или перегруппировка (grooming) виртуальных контейнеров VC, осуществляемая с целью создания нескольких упорядоченных, например, по типу контейнеров, потоков VC из общего потока VC, поступающего на коммутатор;

- доступ к виртуальному контейнеру VC (test access), осуществляемый при тестировании оборудования;

- ввод/вывод (drop/insert) виртуальных контейнеров, осуществляемый при работе мультиплек-) j сора ввода/вывода.

7. Методы кросс-коммутации и взаимодействие сетей SDH