Технология Synchronous Digital Hierarchy

SDH.

Технология SDH (Synchronous Digital Hierarchy) обозначает стандарт для транспорта трафика. Стандарт определяет уровни скорости прохождения сигнала синхронного транспортного модуля (Synchronous Transport Module, STM).

Стандарт также определяет физический (оптический) уровень, необходимый для совместимости оборудования от различных производителей.

Основная скорость передачи — 155,250 Мбит/с (STM-1). Более высокие скорости определяются как кратные STM-1: STM-4 — 622 Мбит/с, STM-16 — 2488,32 Мбит/с, STM-64 — 9953,28 Мбит/с.

Технология предполагает использование метода временного мультиплексирования (TDM) и кросс-коммутации тайм-слотов. При этом оконечное оборудование SDH оперирует потоками E1 (2,048 Мбит/с), к которым подключается клиентское оборудование. Основными устройствами сети являются SDH-мультиплексоры.

Важной особенностью сетей SDH является необходимость синхронизации временных интервалов трафика между всеми элементами сети. Обычно мультиплексор может синхронизироваться с любым внешним сигналом, с опорным тактовым сигналом (PRC) или с собственным внутренним генератором синхронизирующих импульсов. Синхронизация на основе опорного тактового сигнала может распространяться по цепи, в которой находится не более 20 сетевых элементов (G.803).

Выбор источника синхронизации может осуществляться либо автоматически под управлением программы, либо задаваться оператором.

При построении сетей SDH обычно используется топология сети типа «кольцо» с двумя контурами. По одному из контуров передается синхронизирующая и сигнальная информация, по другому — основной трафик. Имеются специальные механизмы резервирования сети на случай выхода из строя одного из контуров. Возможно также подключение устройств по топологии «точка-точка», однако в таком случае отказоустойчивость решения будет ниже.

Централизованное управление сетью обеспечивает полный мониторинг состояния каналов и узлов (мультиплексоров). Использование кольцевых топологий создает возможность автоматического переключения каналов при любых аварийных ситуациях на резервный путь. Оборудование SDH предусматривает возможность резервирования линии и основных аппаратных блоков по схеме 1+1, при аварии автоматически переключая трафик на резервное направление. Данное свойство значительно повышает «живучесть» сети и позволяет проводить различного типа технологические работы без перерыва трафика.

Управление конфигурацией сети, отслеживание и регистрация аварийных ситуаций осуществляются программными средствами с единой консоли управления. В функции центральной управляющей системы входят также средства поддержки тестирования каналов и контроля за качеством работы основных блоков мультиплексоров.

Сеть на базе SDH может служить в качестве транспортной сети для большинства существующих технологий высокоскоростной передачи информации по оптическим сетям (в том числе ATM и POS).

Существующее сегодня оборудование SDH способно передавать информацию со следующими линейными скоростями: 155 Мбит/c (STM-1), 622 Мбит/c (STM-4), 2,5 Гбит/c (STM-16). При этом для подключения пользователям предлагаются интерфейсы E1-E3.

Функционально мультиплексор SDH имеет два набора интерфейсов: пользовательский и агрегатный. Пользовательский набор отвечает за подключение пользователей, а агрегатный — за создание линейных межузловых соединений.

Данные интерфейсы позволяют создавать следующие базовые топологии: «кольцо», «цепочка», «точка-точка».

Из указанных базовых элементов складывается топология всей сети мультиплексоров. Сложные сети обычно имеют многоуровневую структуру. Первый уровень — оборудование доступа пользователей. Этот уровень состоит из оборудования «последней мили» и, как правило, из мультиплексоров STM-1. Оборудование «последней мили» отвечает за доведение сигнала пользователей (чаще — сигнала E1, E3) до мультиплексоров первого уровня. В роли оборудования «последней мили» обычно выступают так называемые оптические модемы, по сути являющиеся конверторами электрического сигнала в оптический и обратно. Мультиплексоры первого уровня собирают каналы пользователей для дальнейшей транспортировки. Следующий уровень могут составлять мультиплексоры уровня STM-4 и STM-16.

Основные преимущества технологии SDH.

• · простая технология мультиплексирования/демультиплексирования;
• · доступ к низкоскоростным сигналам без необходимости мультиплексирования/демультиплексирования всего высокоскоростного канала. Это позволяет достаточно просто осуществлять подключение клиентского оборудования и производить кросс-коммутацию потоков;
• · наличие механизмов резервирования на случай отказов каналов связи или оборудования;
• · возможность создания «прозрачных» каналов связи, необходимых для решения определенных задач, например для передачи голосового трафика между выносами АТС или передачи телеметрии;
• · возможность наращивания решения;
• · совместимость оборудования от различных производителей;
• · относительно низкие цены оборудования;
• · быстрота настройки и конфигурирования устройств.

Достоинства SDH.

• 1. упрощение сети: один мультиплексор ввода/вывода заменяет цепочку мультиплексоров PDH;
• 2. надежность и самовосстанавливаемость сети. Надежность обеспечивается использованием ВОК (волоконно-оптического кабеля). Самовосстанавливаемость — архитектура и гибкое управление сетями позволяют использовать защищенный режим работы, допускающий 2 альтернативных пути распространения сигнала, а также обход поврежденного узла сети.
• 3. гибкость управления сетью — наличие большого числа широкополосных каналов управления и компьютерная иерархия в системе управления; автоматическое дистанционное управление сетью из одного центра;
• 4. выделение полосы пропускания по требованию (возможно переключение на другой широкополосный канал);
• 5. прозрачность для передачи любого трафика — использование виртуальных контейнеров, инкапсулирующих трафик технологий АТМ (асинхронный режим передачи), ISDN и др.
• 6. универсальность применения — технология может использоваться для создания как глобальных, так и локальных сетей;
• 7. простота наращивания мощностей (используется универсальная стойка, на которой крепятся функциональные блоки (карты), легко заменяемые на большую скорость передачи).

Недостатки SDH.

• 1. жесткие требования к идентичности схем мультиплексирования при объединенном STM-N;
• 2. при формировании STM-1 из Е1 уменьшается информационная емкость,
• 3. SDH нельзя синхронизировать с АТС.

SONET.

Синхронная оптическая сеть (SONET) или технология синхронной цифровой иерархии (SDH), как ее называют в Европе — это набор стандартов для обеспечения сопряжения оптических сетей эксплуатационных телефонных компаний (OTC).

Это набор глобальных стандартов, предназначенных для сопряжения оборудования разных производителей (один из немногих, имеющих отношение к телефонии).

SONET — это протокол для Северной Америки и Японии, а SDH — определение для Европы. Разница между SONET и SDH небольшая.

Что это STM?

STM — это синхронный транспортный модуль, то есть логическая структура для передачи информационного потока со скоростью 155 Мбит/с, если это STM-1, его можно заполнить 63 потоками Е1. Данные в STM передаются посредством разделения всей полосы канала на базовые трансмиссионные элементы, называемые временными каналами или слотами. Слоты объединены в обойму, содержащую фиксированное число каналов, пронумерованных от 1 до N. Каждому слоту ставиться в соответствие одно соединение. Каждая из обойм (их тоже может быть несколько — от 1 до М), определяет свой набор соединений. Обойма предоставляет свои слоты для установления соединения с периодом Т. При этом гарантируется, что в течение этого периода необходимая обойма будет доступна. Параметры N, M и Т определяются соответствующими комитетами по стандартизации и различаются в Америке и Европе. В рамках канала STM каждое соединение ассоциируется с фиксированным номером слота в конкретной обойме. Однажды захваченный слот остается в распоряжении соединения в течение всего времени существования этого соединения. Неправда ли, немного напоминает вокзал, от которого в определенном направлении с периодом Т отбывает поезд? Если среди пассажиров есть тот, которому этот поезд подходит, он занимает свободное место. Если такого пассажира нет, то место остается пустым и не может быть занято никем другим. Естественно, что пропускная способность такого канала теряется, к тому же осуществить одновременно все потенциальные соединения (M*N) невозможно.

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).

Недостатки PDH.

• 1. Добавление выравнивающих бит делает невозможным идентификацию и вывод потока 64 кбит/с или 2048 кбит/с из потока 140 Мбит/с без полного демультиплексирования потока и удаления выравнивающих бит (т.е. начало цикла составляющего потока не фиксируется в потоке высшей ступени).
• 2. Слабые возможности в организации заголовков (нарушение схемы маршрутизации, особенно для ПД).
• 3. Слабые возможности в организации служебных каналов для цепей контроля и управления потоков сети (мониторинг и управление отсутствуют).
• 4. Небольшая загруженность заголовками приводит к недостатку при необходимости развитой маршрутизации (ввод / вывод в промежуточных пунктах).
• 5. Многоступенчатое восстановление требует достаточного времени.

Указанные недостатки PDH привели к разработке в США еще одной иерархии SONET (синхронной оптической сети), а в Европе — SDH (конец 80-х гг.).

Различия между N-ISDN и B-ISDN.

Цифровые сети ISDN с интеграцией услуг.

ISDN представляет собой глобальную сеть, которая для обеспечения передачи данных использует те же идеи, принципы и аппаратные решения, которые положены в основу построения современной телефонной сети. Сеть ISDN представляет также дальнейшее развитие идеи передачи голосового трафика в цифровой форме, что обеспечивает дополнительное повышение качества телефонной связи.

Типы сервиса ISDN.

Сеть N-ISDN (narrowband) обеспечивает передачу данных со скоростью до 2048 Кбит/сек. Сеть B-ISDN (broadband) предназначена для передачи данных со скоростью до 155 000 Кбит/сек. В дальнейшем будет рассматриваться только сеть N-ISDN Интеграция разнородных трафиков в сети ISDN выполняется по принципу временного разделения (time division multiplexing — TDM).

DSU (Digital Service Unit) модуль цифрового сервиса — пользовательское устройство, взаимодействующее с цифровым устройством, таким как CSU. DSU конвертирует пользовательские данные в биполярный формат для передачи.

CSU (Channel Service Unit) устройство обслуживания канала — оборудование, устанавливаемое на стороне заказчика (потребителя услуг), для подключения к линиям телефонной компании. Устройства CSU обеспечивают диагностику и защиту сети.

DSU/CSU — Внешнее устройство, объединяющее в себе возможности DSU и CSU и обеспечивающее подключение оборудования к цифровым системам.

• · Устройство обслуживания канала (CSU — channel service unit). Реализует фактический интерфейс между линией Т1 и узлом заказчика. CSU поддерживает качество линии, отслеживает соединения через интерфейс «абонент-сеть» и выполняет в линии Т1 роль физической оконечной точки.
• · Модуль обслуживания данных (DSU — data service unit). Отвечает за реальное преобразование сигналов локальной сети и речи в цифровые сигналы, передаваемые по линии T1. DSU подключается к CSU и к оборудованию, устанавливаемому в помещениях заказчика (СРЕ — customer premises equipment), то есть к мостам и маршрутизаторам, а также к устройствам мультиплексирования.
• · CSU и DSU обычно комбинируются в одно устройство, подключаемое к линии Т1 (со стороны CSU) и к локальной сети (со стороны DSU). Данное устройство является физическим воплощением интерфейса «пользователь — сеть» между узлом заказчика и местной телефонной компанией.
• · Мультиплексоры. Отвечают за организацию каналов в линии Т1. Допускается комбинирование в одной линии речи и данных.
• · Мосты и маршрутизаторы. Эти хорошо известные устройства локальной сети обычно передают устройствам DSU трафик локальной сети.

Состав сети SONET/SDH.

Сети SDH относятся к классу сетей с коммутацией каналов на базе синхронного мультиплексирования с разделением по времени (Time Division Multiplexing, TDM), при котором адресация информации от отдельных абонентов определяется ее относительным временным положением внутри составного кадра, а не явным адресом, как это происходит в сетях с коммутацией пакетов.

С помощью каналов SDH обычно объединяют большое количество периферийных (и менее скоростных) каналов плезиохронной цифровой иерархии (Plesiochronous Digital Hierarchy, PDH).

Сети SDH обладают многими достоинствами:

Гибкая иерархическая схема мультиплексирования цифровых потоков разных скоростей позволяет вводить в магистральный канал и выводить из него пользовательскую информацию любого поддерживаемого технологией уровня скорости без демультиплексирования потока в целом — а это означает не только гибкость, но и экономию оборудования. Схема мультиплексирования стандартизована на международном уровне, что обеспечивает совместимость оборудования разных производителей.

Отказоустойчивость сети. Сети SDH обладают высокой степенью «живучести» — технология предусматривает автоматическую реакцию оборудования на такие типичные отказы, как обрыв кабеля, выход из строя порта, мультиплексора или отдельной его карты, при этом трафик направляется по резервному пути или происходит быстрый переход на резервный модуль. Переключение на резервный путь осуществляется обычно в течение 50 мс.

Мониторинг и управление сетью на основе включаемой в заголовки кадров информации обеспечивают обязательный уровень управляемости сети вне зависимости от производителя оборудования и создает основу для наращивания административных функций в системах управления производителей оборудования SDH.

Высокое качество транспортного обслуживания для трафика любого типа — голосового, видео и компьютерного. Лежащее в основе SDH мультиплексирование TDM обеспечивает трафику каждого абонента гарантированную пропускную способность, а также низкий и фиксированный уровень задержек.

Сети SDH заняли прочное положение в телекоммуникационном мире. Сегодня они составляют фундамент практически всех крупных сетей — региональных, национальных и международных. Это положение еще более укрепилось в результате появления технологии спектрального мультиплексирования DWDM, поскольку сети SDH могут легко интегрироваться с этим новым типом оптических магистралей с поддержкой очень высоких скоростей в сотни гигабит в секунду. В магистральных сетях с ядром DWDM сети SDH будут играть роль сети доступа, т. е. выполнять те же функции, которые сети PDH играют по отношению к SDH.

Технологии SDH свойственны, конечно, и недостатки. Сегодня чаще всего говорят о ее неспособности динамически перераспределять пропускную способность между абонентами сети — свойстве, обеспечиваемом пакетными сетями. Значимость этого недостатка будет возрастать по мере увеличения доли и ценности трафика данных по отношению к стандартному голосовому.

Топология сети SONET/SDH.

Топология сетей SDH При построении сетей SDH одной из первых задач, которую необходимо решать, является задача выбора топологии. Рассмотрим набор базовых стандартных топологий из комбинации которых может быть составлена сеть в целом. Топология «точка-точка» Это простейшая топология, включающая два терминальных мультиплексора, соединенных оптической линией связи с или без регенератора. Каждый из мультиплексоров действует как концентратор трибутарных потоков Е1, Е3 и др. Эта топология широко используется при передаче больших потоков данных по высокоскоростным магистральным каналам. Она может быть реализована, как по схеме без резервирования канала, так и по схеме со 100% резервированием типа 1+1, использующей основной и резервный агрегатные каналы. Топология «последовательная линейная цепь» Эта топология используется тогда, когда существует необходимость ответвлений в ряде точек линии, где могут вводится и выводится каналы доступа. Реализуется она путем включения вдоль линии связи мультиплексоров ввода/вывода. Топология «звезда» В этой топологии один из узлов сети (кросс-коннектор) играет роль концентратора (или хаба), распределяя часть трафика по другим удаленным узлам, а оставшуюся часть на терминалы пользователей ее основе сети способны самовосстанавливаться после некоторых достаточно характерных типов отказов.

Механизмы самовосстановления и схемы резервирования.

synchronous digital hierarchy мультиплексирование Отказы в телекоммуникационных сетях, вследствие ошибок персонала или поломки оборудования, могут нанести значительный ущерб пользователям и операторам связи. С целью увеличения надежности сетей, в SDH предусмотрены механизмы, позволяющие компенсировать отказы элементов сетевой среды. Рассмотрим два основных метода, используемых в SDH, для защиты соединений, проложенных через сеть. Это линейная защита и, так называемая, кольцевая защита. Линейная защита. Простейшая форма реализации этой защиты — защита 1+1, используемая в соединениях точка-точка, где на каждую рабочую линию отводится одна резервная. При обнаружении потери сигнала на рабочей линии, оборудование на обоих концах автоматически переключается на резервную. Более экономичный вариант — защита 1: N, используемый, в основном, на магистральных участках большой протяженности. В этом случае на несколько рабочих линий отводится одна резервная. Резервная линия может быть использована для передачи низкоприоритетного трафика, который просто прерывается, если необходимо подменить вышедшую из строя рабочую линию. Механизмы защиты 1+1 и 1: N стандартизированы ITU-T в Рекомендации G.783. Кольцевая защита. Топология «кольцо» допускает несколько механизмов защиты, которые описаны в Рекомендации G.841 ITU-T, и различаются для кольцевых структур с однонаправленными и двунаправленными соединениями. В однонапревленном кольце все данные передаются по одной оптической жиле в одном направлении. Вторая оптическая жила, с противоположным направлением передачи, рассматривается как резервная. В случае аварии на одном из сегментов кольца, передача в направлении поврежденного участка автоматически коммутируется на резервное кольцо (Рисунок 46.). Рисунок 46. Схема самовосстановления однонаправленного кольца. В двунаправленном кольце обе оптические жилы используются для передачи и приема сигналов между элементами сети. Емкость канала разбивается на несколько двунаправленных рабочих линий. При разрыве кольца, на концах поврежденного сегмента потоки коммутируются на резервную рабочую линию в обход этого сегмента (Рисунок 47). Рисунок 47 Схема резервирования в двунаправленном кольце. Еще большую степень защиты обеспечивает двунаправленное кольцо с четырьмя оптическими жилами, однако этот способ является и наиболее дорогим. Сигнальная информация, необходимая SDH устройствам для реализации механизов защиты, передается в байтах K1 и K2 секционного заголовка STM-N. Время восстановления сети не превышает 50 миллисекунд.

Синхронизация Оборудование SDH, как и любые другие цифровые устройства, имеет встроенные источники тактовых импульсов (часы), к которым «привязаны» рабочие циклы его подсистем. Если в сети часы различных устройств работают несинхронно (различаются длительность и фазы тактовых импульсов), то это может приводить к «проскальзыванию» бит принимаемых потоков, а при мультиплексировании этих сигналов, для их выравнивания, необходимо осуществлять процедуры вставки или изъятия бит (что, как отмечалось выше, и делается в PDH). В SDH, где приняты синхронные схемы мультиплексирования, исключающие возможность вставки/изъятия бит, задача синхронизации узлов в сети выходит на первый план. Общие принципы синхронизации сетей SDH определены в Рекомендациях ITU-T G.811, G.812, G.813. Согласно этим рекомендациям элементы сети должна быть синхронизованы от центральных часов, называемых первичными эталонными часами (PRC — Primary Reference Clock), генерирующими 2048 КГц сигнал с точностью 10−11. Этот сигнал должен быть распределен по сети. Для этого используется иерархическая структура: сигнал синхронизации транслируется устройствами поддержки синхронизации (SSU — Synchronization Supply Units) и часами оборудования SDH (SEC — SDH Equipment Clock). Тактовый сигнал, регенерируемый SSU и SEC, подстраивается по фазе и частоте к сигналу синхронизации, приходящему на специальный порт или выделяемому из агрегатного или трибутарного потока. При раздаче синхронизации в сети необходимо соблюдать определенные правила: узлы сети должны получать сигнал синхронизации только от устройств, которые содержат часы такого же или более высокого качества; наиболее надежное оборудование (с наименьшей вероятностью отказов) должно выбираться в качестве синхронизирующего оборудования; общее количество сетевых элементов в последовательности от PRC должно быть минимизировано (не более 10 SSU и не более 60 SEC); нельзя допускать формирования замкнутых петель, например, когда узел, А получает синхронизацию от В, В — от С, С — от А. В сетях SDH предусмотрены механизмы, по-возможности, предотвращающие потерю синхронизации элементами сети. Если в результате аварии сетевое устройство перестает получать сигнал синхронизации, то оно переключается на другой источник временных сигналов с более низким приоритетом. Если это невозможно, то устройство переходит в режим удержания (hold-over mode). В этом режиме часы устройства корректируются в соответствии с данными о корректировках, сохраненными за предыдущее время работы, с поправкой на колебания температуры. Сообщения о состоянии синхронизации SSM (Synchronization Status Messages) элемента сети передаются в байте S1 секционного заголовка его соседям. Отдельная проблема — стыковка между сетями с независимыми источниками синхронизации. Если расхождения часов находятся в определенных пределах, то в SDH сети эта проблема решается с использованием указателей.