ВОЛОКОННО ОПТИЧЕСКИЕ СЕТИ
ЛИТЕРАТУРА 1. Р. Р. Убайдуллаев Волоконно оптические сети М. : Эко Трендз, 2001 2. Р. Фриман. Волоконно оптические системы связи. – М. , Техносфера. 2004 3. Д. Гринфилд. Оптические сети. – К. , ООО «ТИД ДС» , 20021 4. О. К. Скляров. Волоконно оптические сети и системы связи. — М. : СОЛОН Пресс, 2004
Лекция 1 CИНХРОННЫЕ ОПТИЧЕСКИЕ СЕТИ SONET И СИНХРОННАЯ ЦИФРОВАЯ ИЕРАРХИЯ SDH
Технологии передачи информационного сигнала развивались параллельно с развитием телефонных сетей. Для оцифровки речевого сигнала стал применяться метод, названный импульсно кодовой модуляцией (PCM — Pulse Code Modulation), согласно которому дискретные отсчеты сигнала, взятые с частотой 8 КГц, кодировались 8 ми битной последовательностью (квантовались), что давало цифровой поток 8 КГц х 8 бит = 64 Кбит/сек. Этот цифровой сигнал получил название DS 0 (Digital Signal level zero), и, именно, он является тем строительным "кирпичиком", на базе которого создаются более мощные цифровые системы передач, емкость которых измеряется числом DS 0, содержащихся в них. 125 мкс, 8 к. Гц
• Использование одной линии для передачи нескольких каналов в цифровых системах передачи достигается за счет мультиплексирования с разделением по времени (TDM — Time Division Multiplex). Схематично эта процедура выглядит так: на вход мультиплексора подается n цифровых сигналов, мультиплексор поочередно отбирает из этих входных каналов биты или байты, составляя из них выходной сигнал, скорость которого в n раз превышает скорость входных сигналов. Если каскадно соединить несколько мультиплексоров, то можно сформировать различные иерархические наборы цифровых скоростей передачи. 1 2 3 MX 1 2 3 1 MX
На сегодняшний день имеется три таких иерархии: Североамериканская, Японская и Европейская
В качестве первичной скорости иерархии в Европе была принята скорость 2048 Кбит/сек (результат, когда 30 информационных сигналов DS 0 собрали в кадр вместе с необходимой сигнальной и управляющей информацией), в США, Канаде и Японии использовалась первичная скорость 1544 Кбит/сек, формируемая комбинацией 24 х каналов вместо 30. Эти иерархии получили название плезиохронные цифровые иерархии (PDH — Plesiochronous Digital Hierarchy), т. к. мультиплексируемые потоки не были синхронными, их скорости могли различаться в пределах допустимой нестабильности тактовых генераторов, формирующих битовые последовательности, каждого из них. Поэтому при мультиплексировании таких потоков, необходимо производить вставку либо исключение бит для согласования скоростей. Использование таких методов при передаче звука приводит к появлению щелчков в динамиках, для передачи трафика ЛВС такие методы мало пригодны. входной сигнал с ЗГ 1 входной сигнал с ЗГ 2 отсчеты времени
• Наличие в PDH потоках выравнивающих битов, делает невозможным прямое извлечение из потока, составляющих его компонентов. Так, чтобы извлечь из потока 140 Мбит/сек (Е 4) поток 2 Мбит/сек (Е 1) необходимо демультиплексировать Е 4 на четыре потока 34 Мбит/сек (Е 3), затем один из Е 3 на четыре потока 8 Мбит/сек (Е 2), и только после этого можно вывести требуемый Е 1. А для организации ввода/вывода требуется трехуровневое демультиплексирование, а затем трехуровневое мультиплексирование. Понятно, что использование систем PDH в сетях передачи данных, требует большого количества мультиплексоров, что значительно удорожает сеть и усложняет ее эксплуатацию.
К недостаткам PDH следует, также, отнести слабые возможности в организации служебных каналов для целей контроля и управления потоком в сети и полное отсутствие средств маршрутизации низовых мультиплексированных потоков, что крайне важно для использования в сетях передачи данных.
Желание преодолеть указанные недостатки PDH привели к разработке в США иерархии синхронной оптической сети (SONET), а в Европе аналогичной синхронной цифровой иерархии (SDH), предложенными для использования на волоконно оптических линиях связи. Целью разработки, в обоих случаях, было создание иерархии, которая позволила бы: вводить/выводить исходные потоки без необходимости производить сборку разборку; разработать структуру кадров, позволяющую осуществлять развитую маршрутизацию и управление сетями с произвольной топологией; загружать и переносить в кадрах новой иерархии кадры PDH иерархии и других типов трафика (АТМ, IP); разработать стандартные интерфейсы для облегчения стыковки оборудования
SONET и SDH являются похожими цифровыми транспортными форматами, которые были разработаны с целью обеспечения надежной и гибкой цифровой структуры, способной использовать возможности увеличения емкости и скорости передачи, предоставляемые оптическим волокном. SONET — сокращение, расшифровываемое как синхронная оптическая сеть. В аналогичной манере, SDH — расшифровывается, как синхронная цифровая иерархия. Можно сказать, что SONET имеет североамериканские особенности, a SDH европейские.
• Как SONET, так и SDH, используют технику базовых строительных блоков. • SONET начал с меньшей скорости 51, 84 Мбит/с. Эта базовая скорость называется STS 1 (синхронный транспортный сигнал 1 го уровня). Полезные нагрузки, имеющие меньшие скорости, отображаются на формат STS 1, тогда как сигналы более высоких скоростей получаются по схеме байт интерливинга, • N выровненных фреймов STS 1 позволяют создать сигнал STS N. • Скорость передачи сигнала STS N в точности равна N 51, 84 Мбит/с, где N в настоящее время определена для значений 1, 3, 12, 24, 48 и 192 (дополнительно используются значения 96 и 786)
• Как в SONET, так и в SDH, скорость передачи фреймов составляет 8000 фреймов/с, что соответствует периоду повторения фреймов 125 мкс. Существует высокая степень совместимости между SONET и SDH. Ввиду различия в размере основных строительных блоков: 51, 84 Мбит/с для SONET и 155, 52 Мбит/с для SDH, они отличаются по структуре. Однако, если мы умножим скорость SONET на три, формируя тем самым сигнал STS 3, мы фактически получим начальную скорость SDH — 155, 52 Мбит/с
Скорости передачи SONET и SDH Оптическая Электрический несущая SONET уровня OC N STS N Эквивалентный Линейная модуль скорость, SDH STM N Мбит/с ОС 1 STS 1 51, 84 ОС 3 STS 3 STM 1 155, 52 ОС 12 STS 12 STM 4 622, 08 ОС 24 STS 24 1244, 16 ОС 48 STS 48 STM 16 2488, 32 ОС 192 STS 192 STM 64 9953, 28 ОС 768 STS 768 STM 256 39813, 121)
• Кроме отличия скоростей основных строительных блоков, SONET и SDH отличаются характером использования заголовка. Эти различия в заголовке можно сгруппировать в две широкие категории: определение формата интерпретация использования. Поэтому в дальнейшем мы будем рассматриватьэти сети отдельно.
Конфигурация SONET
• В рамках SONET соединение между офисами следует описывать как путь (раth), состоящий из последовательности каналов (line) и секций (section) На самом деле путь является лишь виртуальной конструкцией. Уровнем ниже находятся физические каналы, которые идут от одного элемента сети к другому. Подобным же образом каждый канал (line) состоит из множества секций медных или волоконно оптических кабелей, связанных между собой усилителями или повторителями, предназначенными для усиления амплитуды сигналов. Каждая такая часть канала называется секцией (section). Термины – пути, каналы, секции важны, поскольку их понимание станет особенно важным при рассмотрении формирования кадров (framing) SONET.
• • • Фрейм STS 1 представлен в виде структуры из 9 строк и 90 столбцов (т. е. матрицы размера 9 90). Имея в виду периодичность повторения фрейма 125 мкс (8000 фреймов/с), получаем, что скорость переда чи. STS 1 равна 51, 840 Мбит/с. Порядок передачи структуры (схема развертки матрицы фрейма) — по строкам, слева — направо. В каждом байте STS 1 самый старший бит (MSB) передается первым. Первые три колонки фрейма STS 1 содержат транспортный заголовок. Эти три колонки имеют всего 27 байт (9 3), причем 9 из них — секционный заголовок, а 18 — линейный заголовок. Остальные 87 колонок составляют емкость оболочки STS 1
Структура фрейма STS N. • Этот фрейм состоит из последовательности N 810 байт и формируется с помощью байт интерливинга модулей STS 1 и STS M (3 М N).
• Для достижения более мелкой разбивки полосы пропускания линии STS 1 подразделяются на каналы VT. Существует четыре типа каналов VT: VТ 1. 5, УТ 2, VТ 3 и VТ 6. По этим каналам, обладающим небольшой пропускной способностью, информация «вытекает» из корпоративных офисов и вливается в более крупные линии подобно тому, как мелкие ручейки вливаются в большую реку Количе ство каналов VT в группе STS-1 VT Тип VT Скорость передачи VT-1. 5 1, 728 Мбит/с 4 28 VT-2 2, 403 Мбит/с 3 21 VT-3 3, 456 Мбит/с 2 14 VT-6 6, 912 Мбит/с 1 7
Структура мультиплексирования SONET.
Оболочка SPE модуля STS 1 технологии SONET емкостью 50, 11 Мбит/с была сформирована специально для транспортировки сигнала триба DS 3. Для того, чтобы приспособиться к субскоростной (ниже скорости 51, 84 Мбит/с) полезной нагрузке, такой как DS 1, используется структура виртуальных трибов (VT). Она состо ит из 4 типоразмеров: VT 1. 5 (1, 728 Мбит/с) для передачи DS 1, VT 2 (2, 304 Мбит/с) для передачи El, VT 3 (3, 456 Мбит/с) для передачи DS 1 C, VT 6 (6, 912 Мбит/с) для передачи DS 2. В структуре оболочки SPE модуля STS 1 (9 87) указанные VT занимают 3, 4, 6 и 12 столбцов соответственно.
Три уровня заголовков SONET Три уровня заголовков внедрены в формат фрейма SONET: 1. Маршрутный (трактовый) заголовок (РОН). 2. Линейный заголовок (LOH). 3. Секционный заголовок (SOH). Эти уровни заголовков, представляются в виде перекрытий участков на маршруте SONET. Одной из важных функций, выполняемых этими заголовками, является поддержка функционирования, администрирования и обслуживания (ОА&М).
• Маршрутный заголовок (РОН) состоит из 9 байт и занимает первый столбец оболочки SPE, как было указано выше. Он создается в процессе сборки оболочки SPE, а затем включается в нее. Заголовок РОН обеспечивает средства для поддержки и обслуживания транспортировки SPE между терми нальными мультиплексорами маршрута, где происходит сборка и разборка SPE. • Устройства для поддержки и обслуживания транспортировки SPE между соседними узлами, снабжаются линейными и секционными заголовками. Эти две группы заголовков совместно используют первые три столбца фрейма STS 1. Заголовок SOH занимает первые три верхние строки (всего 9 байт), а заголовок LOH нижние шесть строк (18 байт).
Мультиплексирование ввода-вывода (ADM) Мультиплексоры ввода вывода (ADM) SONET мультиплексируют один или больше сигналов DS N для формирования канала OC N. Выполняя обратную функцию, ADM SONET демультиплексирует агрегатный сигнал STS N, восстанавливая трибы (компонентные сигналы) DS N, для вывода их пользователю или перенаправлению их в трибный поток. ADM может быть сконфигурирован для работы или в режиме ввода вывода, или в терминальном режиме. В режиме ввода вывода ADM может работать тогда, когда низкоскоростные сигналы DS 1 терминируются на устройствах SONET, получающих синхронизацию от тех же самых или эквивалентных синхронных источников, так как сама система SONET, имеет интерфейсы с асинхронными источниками, но не берет от них синхронизацию.
• Здесь приведен пример ADM, сконфигурированного для работы в режиме ввода вывода с DS 1 и DS N интерфейсами.
• • Проблемы, стоящие перед SONET, хорошо справляется с предоставлением услуг, например при передаче голосовых сообщений. Но телекоммуникационные системы движутся вперед, и хотя голосовые сообщения составляют основную доходную часть трафика, общий рост его объемов связан с передачей цифровых данных. Провайдеры начинают искать пути, которые позволили бы сохранить преимущества SONET – надежность, предсказуемость и управляемость протокола, и, вместе с тем, преодолеть следующих шесть ограничений: Ограниченная гибкость – Возможности SONET в отношении работы с линиями, обладающими различными скоростями передачи, остаются ограниченными. Нерациональность – Фиксированный размер области полезных данных в кадрах SONET хорошо подходит для передачи голосовых сообщений, но в случае цифровых данных это не так. Обычно отображение кадров Еthernet на кадры SONET при водит к неполному использованию сети, поскольку часть элементарных временных окон остается неиспользованной. Большой объем необходимого оборудования. Одним из крупных преимуществ SONET является то, что он позволяет извлекать элементарные временные окна, не прибегая к демультиплексированию всего сигнала. Но даже несмотря на это, SONET требует установки большого количества различных устройств в помещениях телефонных компаний. Большие сроки подготовки линий. Для обработки заказа на развертывание канала (circuit) сегодня может понадобиться от трех до четырех недель. Нерациональный расход полосы пропускания – При установлении между двумя точками соединения посредством канала ОС 3/SТМ 1 фактически создаются два ка нала – один для приема и один для передачи с той же скоростью и в том же направлении. Проблема состоит в том, что значительная часть трафика Internet имеет асимметричный характер, что приводит к напрасному расходованию полосы пропускания.
• Резюме • • • Протокол SONET весьма эффективен при передаче прогнозируемого трафика, требующего прогнозируемого доступа к сети. Эта технология менее приспособлена для передачи корпоративного цифрового трафика, имеющего импульсивный характер. Для точного объединения элементарных временных окон в SONET используются единые синхронизирующие импульсы. В предыдущих технологиях для этой цели использовалось несколько синхронизирующих импульсов, что делало их менее эффективными SONET работает с использованием иерархии сигналов. Наименьшим инкрементом каналов являются виртуальные притоки (virtual tributaries – VT), которые объединяются в синхронные транспортные сигналы (synchronous transport signals – STS) для электрических интерфейсов и оптические линии (optical carriers – ОС) для оптических интерфейсов. Кадр SONET состоит из четырех разделов – три из них содержат служебную информацию, необходимую для сетевого управления, а также идентификации ошибок на уровне секций, каналов и путей, а четвертый – фактические данные, называемые полезными данными (рауload) SONET. В первых трех столбцах кадра SONET содержится служебная информация о секции (первые три строки) и канале (последние шесть строк). Рассматриваемая как одно целое, она называется транспортной служебной информацией. В последних 87 столбцах содержится служебная информация о пути (первый столбец) и полезные данные, кото рые, взятые вместе, называются конвертом полезных данных SONET (SONET payload envelope – SРЕ). К числу основных недостатков традиционной среды SONET относятся следующие: ограниченная гибкость, большой объем необходимого оборудования, большие сроки подготовки линий, и нерациональный расход производительности полосы пропускания