Синхронные каналы SDH/SONET

Семёнов Ю.А. (ГНЦ ИТЭФ), book.itep.ru

Мультиплексирование потоков информации при формировании мощных региональных и межрегиональных каналов имеет два решения. Одно базируется на синхронном мультиплексировании и носит название синхронная цифровая иерархия (SDH, cм. Н.Н.Слепов, Синхронные цифровые сети SDH. ЭКО-ТРЕНДЗ, Москва, 1998), другое использует простой асинхронный пакетный обмен и носит название асинхронный режим передачи (ATM, см. предыдущую главу).

Стандарт SDH (synchronous digital hierarchy) разработан в Европе, (предназначен для замены иерархии асинхронных линий E-1/E-3) используется в настоящее время многими сетями и представляет собой модификацию американского стандарта на передачу данных по оптическим каналам связи SONET (synchronous optical network). Несмотря на свое название SONET не ограничивается исключительно оптическими каналами. Спецификация определяет требования для оптического одно- и мультимодового волокна, а также для 75-омного коаксиального кабеля CATV 75. Пропускная способность SONET начинается с 51,84 Мбит/с STS-1 (synchronous transport signal-1). Более высокие скорости передачи информации в sonet кратны этому значению. Стандартизованы следующие скорости передачи, которые кратны скорости 64 Кбит/с.

STS-1	51,840	STS-18	933,120
STS-3	155,520	STS-24	1244,160
STS-9	466,560	STS-36	1866,240
STS-12	622,080	STS-48	2488,320

Соответствие каналов SONET и SDH приведено ниже[W. Simpson RFC-1619 “PPP over SONET/SDH”] (и тот и другой могут использоваться для организации связей по схеме PPP):

sonet	sdh
STS-3c	STM-1
STS-12c	STM-4
STS-48c	STM-16

sonet (стандарт ANSI, предназначенный для замены NADH - north american digital hierarchy) использует улучшенную PDH - (plesiochronous digital hierarchy - plesios - близкий (греч.)) схему мультиплексирования каналов. В плезиохронной (почти синхронной) иерархии используется мультиплексирование с чередованием бит, а не байт. Мультиплексор формирует из N входных потоков один выходной (сети, где разные часы сфазированы с разными стандартами, но все они привязаны к одной базовой частоте называются плезиохронными).
Так как скорости разных каналов могут не совпадать и нет структур, которые могли бы определить позиции битов для каждого из каналов, используется побитовая синхронизация. Здесь мультиплексор сам выравнивает скорости входных потоков путем введения (или изъятия) соответствующего числа бит. Информация о введенных и изъятых битах передается по служебным каналам. Помимо синхронизации на уровне мультиплексора происходит и формирование кадров и мультикадров. Так для канала Т2 (6312кбит/с) длина кадра равна 789 бит при частоте кадров 8 кГц. Мультикадр содержит 12 кадров. Помимо европейской и американской иерархии каналов существует также японская. Каждая из этих иерархий имеет несколько уровней. Сравнение этих иерархий представлено в таблице 4.3.6.1.

Таблица 4.3.6.1. Сравнение европейской и американской иерархии каналов

Уровень иерархии	Скорости передачи для иерархий
Уровень иерархии	Американская 1544 Кбит/c	Европейская 2048 Кбит/c	Японская 1544 Кбит/c
0	64 (DS0)	64	64
1	1544 (DS1)	2048 (Е1)	1544 (DS1)
2	6312 (DS2)	8448 (Е2)	6312 (DS2)
3	44736 (DS3)	34368 (Е3)	32064 (DSJ3)
4	274176 (Не входит в рекомендации МСЭ-Т)	139264 (Е4)	97728 (DSJ4)

Но добавление выравнивающих бит в PDH делает затруднительным идентификацию и вывод потоков 64 Кбит/с или 2 Мбит/с, замешанных в потоке 140 Мбит/с, без полного демультиплексирования и удаления выравнивающих бит. Если для цифровой телефонии PDH достаточно эффективна, то для передачи данных она оказалась недостаточно гибкой. Именно это обстоятельство определило преимущество систем SONET/SDH. Эти виды иерархических систем позволяют оперировать потоками без необходимости сборки/разборки. Структура кадров позволяет выполнять не только маршрутизацию, но и осуществлять управление сетями любой топологии. Здесь использован чисто синхронный принцип передачи и побайтовое, а не побитовое чередование при мультиплексировании. Первичной скоростью SONET выбрана 50688 Мбит/с (ОС1). Число уровней иерархии значительно расширено (до 48). Кратность уровней иерархии равна номеру уровня.

CCITT выработал следующие рекомендации на эту тему: G.707, G.708 и G.709. CCITT разработал рекомендации для высокоскоростных каналов H:

H0		384 Кбит/с=464 Кбит/с. 3h0=1,544 Мбит/с
H1	H11	1536 Кбит/с
H1	H12	1920 Кбит/с
h4		~135 Мбит/с
H21		~34 Мбит/с
H22		~55 Мбит/с.

На нижних уровнях SDH и SONET в некоторых деталях различаются. Внедрение стандарта SONET ликвидировало многие недостатки каналов T-1 (ограничения на размер максимальной полезной нагрузки, простота стыковки скоростных каналов связи). SONET хорошо согласуется с ATM и FDDI, что создает фундаментальный базис для широкополосных сетей ISDN (B-ISDN). Следует учитывать, что SONET сохраняет совместимость с уже существующими каналами, убирая лишь некоторые присущие им недостатки. Одним из базовых каналов сегодня является T-1 (1544 Кбит/с для США). Он содержит в себе 24 субканалов DS-0 (digital signal at zero level, 64 Кбит/с, США). Мультиплексирование 24 каналов DS-0 по времени формирует канал DS-1 (24 канала*64 Кбит/с)+8 Кбит/с=1544 Кбит/с, последнее слагаемое связано с заголовками информационных блоков). Этой величине соответствует в Европе 2048 Кбит/с (канал E-1 = 30*ds0). Два канала T-1 образуют канал T-1c, четыре канала T-1 формируют канал T-2, а семь T-2 (28 T-1) образуют T-3. Для оптических систем связи в качестве базового принят канал OC-1, равный по пропускной способности T-3. А кадр STS-1 выбран в качестве основного в системе SONET. Кадр STS-1 имеет 9 строк и 90 столбцов (810 байт). Кадры передаются с частотой 8 кГц, что дает для канала STS-1 51840 Кбит/с = 8000Гц*810байт*8бит. Эта цифра характеризует физическую скорость обмена, включающую в себя передачу служебной информации (заголовков), эффективная информационная пропускная способность равна 50112 Кбит/с. Быстродействие каналов более высокого уровня SONET получается умножением пропускной способности STS-1 (51,84 Мбит/с) на целое число. Так пропускная способность OC-3 будет равна 155,52 Мбит/с, а OC-24 - 1244,16 Мбит/с и т.д. Целью создателей SONET было прямая стыковка оптических каналов различных сервис-провайдеров (вспомним, что непосредственное соединение каналов T-1 и E-1 не возможно).

SDH допускает сцепление нескольких контейнеров (в том числе и разных размеров), если в один контейнер данные не помещаются. Допускается объединение нескольких контейнеров равного размера в один большой. Хотя относительный размер заголовка виртуального контейнера невелик (~3,33%), его объем достаточен для передачи достаточно больших объемов служебной информации (до 5,184 Мбит/c).

В SONET предусмотрено четыре варианта соединений: точка-точка, линейная цепочка (add-drop), простое кольцо и сцепленное кольцо (interlocking ring). Линейные варианты используются для ответвлений от основного кольца сети. Наиболее распространенная топология - самовосстанавливающееся кольцо (см. также ). Такое кольцо состоит из ряда узлов, которые связаны между собой двухсторонними линиями связи, образующими кольцо и обеспечивающими передачу сообщений по и против часовой стрелки. Способность сетей SONET к самовосстановлению определяется не только топологией, но и средствами управления и контроля состояния. При повреждении трафик перенаправляется в обход, локально это приводит к возрастанию информационного потока, по этой причине для самовосстановления сеть должна иметь резерв пропускной способности (как минимум двойной). Но, проектируя сеть, нужно избегать схем, при которых основной и резервный маршрут проходят через одну и ту же точку, так как они могут быть, если не повезет, повреждены одновременно. Резервные пути могут использоваться для низкоприоритетных обменов, которые могут быть заблокированы при самовосстановлении.
Сети SONET (и SDH) имеют 4 архитектурных уровня:

фотонный (photonic) - нижний уровень иерархии. Этот уровень определяет стандарты на форму и преобразование оптических сигналов, на электронно-оптические связи.
секционный (section) - предназначен для управление передачей STS-кадров (sonet) между терминалами и повторителями. В его функции входит контроль ошибок.
линейный (line) - служит для синхронизации и мультиплексирования, осуществляет связь между отдельными узлами сети и терминальным оборудованием, например линейными мультиплексорами, выполняет некоторые функции управления сетью.
маршрутный (path) - описывает реальные сетевые услуги (T-1 или T-3), предоставляемые пользователю на участке от одного терминального оборудования до другого.

Существующие PDH-сети мультиплексируют каналы, используя каскадную схему, показанную на рис. 4.3.6.1.

Рис. 4.3.6.1. pdh-мультиплесирование

SDH-иерархия распространяется до 2500 Мбит/с и может быть расширена вплоть до 13 Гбит/с (ограничение оптического кабеля). SDH предоставляет существенно улучшенную схему мультиплексирования каналов для быстродействующих интерфейсов с полосой 150 Мбит/с и выше:

спечивается единый стандарт для мультиплексирования и межсетевого соединения;
мой доступ к низкоскоростным каналам без необходимости полного демультиплексирования сигнала;
стая схема управления сетью;
можность использования новых протоколов, по мере их появления (напр. atm)

При передаче по сети SDH информация вкладывается в специальные структуры, называемые виртуальными контейнерами (VC). Эти контейнеры состоят из двух частей:

бственно контейнер (C), где лежит передаваемая информация;
головок (path overhead - POH), который содержит вспомогательную информацию о канале, управляющую информацию, связанную с маршрутом передачи.

Описано несколько типов виртуальных контейнеров для использования в различных каналах.

Таблица 4.3.6.2. Виды виртуальных контейнеров

Виртуальный контейнер	Поддерживаемые услуги
VC-11	1.544 Мбит/с североамериканские каналы
VC-12	2.048 Мбит/с европейские каналы
VC-2	6.312 Мбит/с каналы (используются редко). VC-2 могут также объединяться для достижения больших скоростей
VC-3	34.368 Мбит/с и 44.736 Мбит/с каналы
VC-4	139.264 Мбит/с каналы и другие высокоскоростные услуги

В схеме мультиплексирования применены следующие обозначения:

С-n	Контейнер уровня n (n=1,2,3,4);
VC-n	Виртуальный контейнер уровня n (n=1,2,3,4);
TU-n	Трибные блоки уровня n (n=1,2,3);
TUG-n	Группа трибных блоков n (n=2,3);
AU-n	Административные блоки уровня n (n=3,4);
AUG	Группа административных блоков (стандарт G.709).

Контейнеры С-n используются для инкапсуляции сигналов каналов доступа или трибов, при этом уровни n соответствуют уровням PDH.

Контейнер С-1 может нести в себе контейнер С-11, который содержит триб Т1=1,54 Мбит/с, и контейнер С-12, несущий триб Е1=2 Мбит/с. Контейнер С-2 разбивается на контейнер С-21, содержащий триб Т2=6 Мбит/с и контейнер С-22 с трибом Е2=8Мбит/с. Контейнер С-3 разбивается на контейнер С-31 (триб Е3=34 Мбит/с) и контейнер С-32 с трибом Т3=45Мбит/с. С-4 не имеет подуровней и несет в себе триб Е4=140 Мбит/с.

Виртуальный контейнер VC-3 делится на два виртуальных контейнера VC-31 и VC-32, полезная нагрузка VC-3 образуется из одного контейнера С-3 или с помощью мультиплексирования нескольких групп TUG-2.

Виртуальный контейнер VC-4 с полезной нагрузкой в виде контейнера С-4 или путем мультиплексирования нескольких групп TUG-2 и TUG-3.

Административный блок AU-3 разбивается на подуровни AU-31 и AU-32, поле данных которых формируется из виртуального контейнера VC-31 или VC-32 соответственно.

Административный блок AU-4 не имеет подуровней, его поле данных формируется из виртуального контейнера VC-4 или комбинаций других блоков: 4*VC-31 или 3*VC-32 или 21*TUG-21 или 16*TUG-22.

Рис. 4.3.6.2 Иерархия мультиплексирования SDH

На рис. 4.3.6.2 отображена иерархия мультиплексирования потоков информации в SDH. На рисунке не показана возможность вложения контейнера VC-11 в TU-12. SDH-сигнал состоит из STM-1 кадров (synchronous transport module уровень 1; рис. 4.3.6.3). Этот сигнал обеспечивает интерфейс для обмена со скоростью 155.52 Мбит/c, что является базовым блоком, из которого строятся интерфейсы с более высоким быстродействием. Для более высоких скоростей может быть использовано n STM-1 кадров с перекрытием байтов (byte interleave, см. рис. 4.3.6.6). Согласно требованиям CCITT n может принимать значения 1, 4 и 16, предоставляя интерфейс для каналов с полосой 155.52, 622.08 и 2488 Мбит/с. Каждый STM-1 кадр содержит 2430 байтов, передаваемых каждые 125 мксек. Для удобства такой кадр можно отобразить в виде блока, содержащего 9 строк по 270 байт.

Рис. 4.3.6.3 Структура кадра STM-1

Первые 9 колонок кадра, исключая строку 4, используются в качестве заголовка. Регенераторная часть служит для передачи сигнала между линейным оборудованием и несет в себе флаги разграничения кадров, средства для обнаружения ошибок и управления телекоммуникационным каналом.

Мультиплексорный заголовок используется мультиплексорами, обеспечивая детектирование ошибок и информационный канал с пропускной способностью 576 Кбит/с. AU (administrative units) - предлагает механизм эффективной транспортировки информации STM-1. Административный блок перераспределяет информацию внутри виртуального контейнера. Начало виртуального контейнера индицируется указателем au, в котором содержится номер байта, с которого начинается контейнер. Таким образом, начала STM-1 и VC не обязательно совпадают.

Рис. 4.3.6.5. VC-4, плавающий в AU-4

VC-4 (см. рис. 4.3.6.5) позволяет реализовать каналы с быстродействием 139.264 Кбит/с. Более высокая скорость обмена может быть достигнута путем соединения нескольких VC-4 вместе. Для более низких скоростей (около 50 Мбит/с) предлагается структура AU-3.

Три VC-3 помещаются в один кадр STM-1, каждый со своим au-указателем. Когда три VC-3 мультиплексируются в один STM-1, их байты чередуются, то есть за байтом первого VC-3 следует байт второго vc-3, а затем третьего. Чередование байтов (byte interleaving) используется для минимизации задержек при буферизации. Каждый VC-3 имеет свой AU-указатель, что позволяет им произвольно размещаться в пределах кадра STM-1.

Рис. 4.3.6.6. Три VC-3 в STM-1 кадре

Каждому VC-3 при занесении в STM-1 добавляется 2 колонки заполнителей, которые размещаются между 29 и 30, а также между 57 и 58-ой колонками контейнера VC-3. VC, соответствующие низким скоростям, сначала вкладываются в структуры, называемые TU (tributary units - вложенные блоки), и лишь затем в более крупные - VC-3 или VC-4. TU-указатели позволяют VC низкого уровня размещаться независимо друг от друга и от VC высокого уровня.

VC-4 может нести в себе три VC-3 непосредственно, используя TU-3 структуры, аналогичные AU-3.

Однако транспортировка VC-1 и VC-2 внутри vc- 3 несколько сложнее. Необходим дополнительный шаг для облегчения процесса мультиплексирования VC-1 и VC-2 в структуры более высокого уровня (см. рис. 4.3.6.7).

Рис. 4.3.6.7. Транспортировка VC при низких скоростях с использованием TU-структур

Так как VC-1 и VC-2 оформляются как TU, они вкладываются в TUG (Tributary Unit Group). TUG-2 имеет 9 рядов и 12 колонок, куда укладывается 4 VC-11, 3 VC-12 или один VC-2. Каждый TUG-2 может содержать VC только одного типа. Но TUG-2, содержащие различные VC, могут быть перемешаны произвольным образом. Фиксированный размер TUG-2 ликвидирует различия между размерами VC-1 и VC-2, упрощая мультиплексирование виртуальных контейнеров различных типов и их размещение в контейнерах более высокого уровня. Данная схема мультиплексирования требует более простого и дешевого оборудования для осуществления мультиплексирования, чем PDH.

Если в SDH управление осуществляется на скоростях в несколько килобайт, в ATM оно реализуется на скорости канала, что влечет за собой определенные издержки.

Для управления SDH/SONET используется протокол SNMP (см. RFC-1595, “Definitions of Managed Objects for the SONET/SDH Interface Type”) и база данных MIB.

Архитектура сети, базирующейся на SDH, может иметь кольцевую структуру или схему точка-точка.

Содержание раздела