Лекция 5 (Лекции по системам передачи данных)

Лекция 5.

Оборудование, формат кадров, топология сетей SDH.

Oсновным элементом сети SDH является мультиплексор

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:

• Линейные (агрегатные) порты. 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.

• Порты ввода/вывода (трибутарные).

Эти названия портов отражают топологию сетей SDH, где имеется ярко выраженная магистраль, по которой передаются потоки данных, поступающие от пользователей сети через порты ввода/вывода. Эти потоки как бы втекают в агрегированный поток. (Tributary дословно означает «приток»).

Сами мультиплексоры SDH обычно делят на:

• Терминальные (Terminal Multiplexor, TM)

• Ввода/вывода (Add-Drop Multiplexor, ADM).

Разница между ними состоит не в составе портов, а в положении мультиплексора в сети SDH.

Терминальный мультиплексор завершает агрегатные каналы, мультиплексируя в них большое количество трибутарных потоков, поступающих на порты ввода/вывода .

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.

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.

Конфигурация мультиплексора с двумя агрегатными портами является минимальной, обеспечивающей работу в сети с топологией кольцо или цепь. Такая конструкция 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.

КАДРЫ STM-N

Рассмотрим основные элементы кадра STM-N на примере 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), а один байт каждой строки содержит заголовок тракта, что позволяет контролировать соединение «из конца в конец».

Заголовок регенераторной секции RSOH (строки 1-3) 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.

Строка 4 заголовка – указатель административного блока.

Остальные байты заголовка 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.

Указатель может задавать не только фиксированное смещение, 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.

Размер смещения для контейнеров VC4 был выбран для унификации этих операций над контейнерами любого типа, размещаемыми непосредственно в группе административных блоков (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.

6