«Л.А. Никитюк ТЕЛЕКОММУНИКАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ЦИФРОВЫХ СЕТЕЙ Учебное пособие Под редакцией докт. техн. наук Н.В. ЗАХАРЧЕНКО УТВЕРЖДЕНО методическим советом академии связи Протокол № 4 от 24.12.1999 г. Одесса 2000 2 ...»

При всем возможном разнообразии, получаемая структура фрейма (его формат) для конкретной системы передачи является фиксированной.

По аналогии с длительностью цикла передачи Тц в идеальном мультиплексировании, здесь можно говорить о периоде повторения фрейма - времени, затрачиваемом на один полный цикл, плюс времени передачи вставляемых битовых групп синхронизации и сигнализации.

1.4 Коммутация временных каналов SC (Switching Circuits) Предоставление связи корреспондирующим абонентам на основании метода коммутации каналов (КК) включает три фазы:

1 Установление дуплексного канала. Для этого в сеть передается служебная информация, содержащая в кодовом виде адрес вызываемого абонента.

На основе этой информации устанавливается маршрут передачи сообщения, соединяющий опорные станции через цепь промежуточных узлов коммутации.

Служебная информация формируется самим абонентом (набором номера вызываемого абонента) или его терминалом и передается по каналам сигнализации или по информационным каналам.

2 Осуществление сеанса связи. После установления канала абоненты могут начинать процесс обмена информационными сообщениями. При этом ресурсы сети, обеспечивающие данный сеанс связи, полностью закреплены за установленным каналом связи и, в случае пауз при передаче информации, не могут быть предоставлены для организации других соединений.

3 Отсоединение канала. После соответствующей команды о прекращении сеанса связи от одной из опорных станций по каналу сигнализации проходит сигнал разъединения, в результате чего занимаемые ресурсы высвобождаются в сеть.

Для установления канала коммутационная система УК должна обеспечить взаимные соединения любых каналов. Для коммутации каждого входящего временного канала с каждым исходящим необходимо иметь возможность перестановки выборки, определяющей амплитуду речевого сигнала (байта информации) из одного временного интервала в любой другой.

В настоящее время используются два принципа построения коммутационных блоков (КБ): пространственный и временной.

12 Телекоммуникационные технологии цифровых сетей Пространственный принцип построения КБ. Соединение осуществляется в одной и той же временной позиции каналов входящей уплотненной линии (ВУЛ) с каналами исходящей уплотненной линии (ИУЛ). В этом случае 8-разрядная выборка поступает из канала і ВУЛ в канал і ИУЛ. Структурная схема пространственного однокаскадного КБ показана на рис. 1.4.

процессе коммутации нет возможности изменить временную позицию. Осуществить такую возможность позволяет временной принцип построения КБ.

Временной принцип построения КБ основан на установлении связи входа с выходом через буферное запоминающее устройство (БЗУ) (рис. 1.5).

Рисунок 1.5 - Коммутационный блок с временной коммутацией Телекоммуникационные технологии цифровых сетей Канальные выборки, последовательно поступающие с ВУЛ в результате демультиплексирования, через вспомогательную ячейку ВЯ1, куда накапливается 8-разрядная кодовая комбинация при побитовом ее поступлении, размещаются в БЗУ в ячейку с адресом, соответствующим номеру временного канала. В течение времени одного тайм-слота производится одна запись в БЗУ канальной выборки, поступающей из ВУЛ, и одно считывание канальной выборки из БЗУ, направляемой в ИУЛ. В связи с этим канальный интервал (таймслот) разделен на две фазы. В первой производится запись, во второй - чтение.Считывание выборок осуществляется с помощью управляющего запоминающего устройства (УЗУ). В нем на этапе установления связи с помощью служебных сигналов записывается информация в номерах выходных временных каналов, с которыми должны быть скоммутированы последовательно входные временные каналы. Так, если входной канал і коммутируется с выходным каналом j, то в j-ю ячейку УЗУ записывается число і. Во второй фазе таймслота с номером j подается сигнал “адреса считывания” и из ячейки j УЗУ выбирается число і. Оно помещается в адресный регистр, в результате чего содержимое ячейки с номером і из БЗУ считывается во вспомогательную ячейку ВЯ2. Из ВЯ2 кодовая комбинация побитово передается в канал ИУЛ.

К достоинствам метода КК относятся возможность организации сеанса связи в режиме диалога и отсутствие задержек в передаче сообщений. Это определяет приоритет применения метода КК для передачи речевых сообщений.

К недостаткам метода КК следует относить неэффективное использование ресурсов сети (простои в паузах) и возникновение повторных вызовов в случае отказа в установлении соединения. Отказ в установлении соединения возникает не только при занятости вызываемого абонента, но и в случае занятости одного из промежуточных участков соединительного тракта под другой соединительный тракт. Повторные вызовы, в свою очередь, создают дополнительную нагрузку на сеть.

1.5 Технологии высокоскоростной передачи цифровых потоков Эффективное использование широкополосных линий связи, например ВОЛС, требует увеличения скорости передачи цифровых потоков до нескольких тысяч, сотен и более килобитов в секунду. Используя каскадное включение мультиплексоров, можно формировать различные уровни скоростей: DS0, DS1, DS2, DS3, DS4 и т. д. (рис. 1.6).

Все они объединяются общим понятием цифровой иерархии. Цифровая иерархия позволяет довести процесс мультиплексирования до необходимого уровня, дающего требуемое число каналов уровня DS0 (со скоростью 64 кбит/с), выбирая разнообразные коэффициенты мультиплексирования n, m, k, l.

14 Телекоммуникационные технологии цифровых сетей В начале 80-х годов в мире были реализованы три цифровых иерархии.

Первая иерархия, принятая в США и Канаде, на выходе мультиплексора MUX1 обеспечивает поток DS1 с коэффициентом мультиплексирования n = и скоростью На следующих уровнях используются коэффициенты мультиплексирования m = 4; k = 7; l = 6, что обеспечивает получение последовательности скоростей:

Вторая иерархия, принятая в Японии, с учетом скорости DS0 и ряда коэффициентов мультиплексирования n=24; m=4; k=5; l=3 обеспечивает получение следующих скоростей:

Третья иерархия, принятая в Европе и Южной Америке, с учетом скорости DS0 и коэффициентов мультиплексирования n = 30 (32); m = 4; k = 4; l = 4, обеспечивает скорости соответственно:

Европейская иерархия позволяет организовывать соответственно 30, 120, 480 и 1920 каналов уровня DS0 в линии, что нашло отражение в названии систем передачи, таких, как ИКМ-30, ИКМ-120, ИКМ-480 и т. п.

Параллельное развитие различных иерархий тормозило развитие мировых глобальных телекоммуникаций и Международный Союз Электросвязи (ITU-T) предпринял меры по их унификации и возможному объединению. В результате Телекоммуникационные технологии цифровых сетей были стандартизованы в качестве основных уровни DS1, DS2 и DS3 - первой иерархии и уровни DS1, DS2, DS3 и DS4 - второй и третьей иерархий, а также указанны коэффициенты перекрестного мультиплексирования:

Стандартизованные уровни иерархий получили общее название плезиохронная цифровая иерархия PDH (Plesiochronous Digital Hierarchy).

1.5.1 Технология PDH “Плезио” означает “псевдо-”, отсюда “плезиохронная” - “как бы синхронная”. Характерной особенностью плезиохронных сетей является отсутствие общего эталонного источника синхронизации на сети. Наличие местных синхронизирующих таймеров обеспечивает синхронизацию лишь при приеме/передаче на уровне DS1 (рис. 1.7).

Рисунок 1.7 - Работа мультиплексоров Рисунок 1.8 - Каскадное включение Однако при каскадном включении (рис. 1.8) синхронная работа мультиплексоров MUX1 в плезиохронных сетях не обеспечивается. Для выравнивания скоростей передачи цифровых потоков в PDH-технологии при формировании потоков уровня DS2 и выше используется бит-интерливинг с побитовой синхронизацией. При этом мультиплексор MUX2 сам выравнивает скорости входных потоков от мультиплексоров MUX1 путем добавления нужного количества выравнивающих битов в каналах с относительно низкими скоростями передачи или удаления битов в каналах с высокими скоростями. Информация об изъятых или вставленных битах передается по служебным каналам, формируемым отдельными битами в структуре фрейма. Эта же схема повторяется на следующих уровнях мультиплексирования.

На приемном конце при демультиплексировании указанные биты соответственно удаляются или добавляются на основе поступившей служебной информации.

Возникает вопрос: “Для чего следует выравнивать скорости выходных потоков?” Выравнивание скоростей важно для точного определения границ фрейма на приемном конце и положения битов служебной информации в его структуре.

PDH-технология получила распространение при организации большого количества речевых цифровых каналов в волоконно-оптических линиях связи.

16 Телекоммуникационные технологии цифровых сетей Так, один канал уровня DS4 со скоростью Е4 (140 Мбит/с) эквивалентен 1920 каналам со скоростью 64 кбит/с. Это удобно при организации высокоскоростных цифровых потоков, проходящих транзитом через УК, при организации в них кроссовой коммутации линий связи. Однако добавление (удаление) битов при выравнивании скоростей делает невозможным отвод канала со скоростью 64 кбит/с или 2 Мбит/с из общего потока в транзитном узле без полного демультиплексирования. Общая схема канала передачи с использованием технологии PDH на скорости 140 Мбит/с должна включать три уровня мультиплексирования на передающем конце и три уровня демультиплексирования на приемном конце. Это является существенным недостатком PDH-технологии, ограничивающим ее применение, например, в банковских сетях передачи данных, где часто возникает необходимость ввода/вывода каналов по 64 кбит/с и Мбит/с. Применение большого количества мультиплексоров и демультиплексоров значительно удорожает телекоммуникационную сеть и делает ее эксплуатацию экономически невыгодной.

Из-за своей негибкости PDH сети уступают синхронным сетям.

1.5.2 Технология SDH Желание преодолеть недостатки PDH-технологии привело к разработке в 1984-1986 годах в США иерархии синхронной оптической сети SONET (Synchronous Optical Network), а в Европе - синхронной цифровой иерархии SDH (Synchronous Digital Hierarchy). Обе иерархии ориентированы на использование ВОЛС.

Цифровые сети, использующие синхронные телекоммуникационные технологии, имеют общесетевую синхронизацию от центрального опорного источника (центрального таймера), точность которого не хуже 10 – 9.

Необходимость выравнивания скоростей выходных потоков здесь практически отпадает, и это обеспечивает возможность формирования фреймов фиксированного формата с использованием байт-интерливинга на всех уровнях мультиплексирования. Фиксированный формат позволяет четко позиционировать в структуре фрейма расположение полей, соответствующих каналам со скоростями 64 кбит/с, 2 Мбит/с и т. д.

В качестве основного формата выходного синхронного потока принят так называемый синхронный транспортный модуль STM-1, обеспечивающий скорость передачи 155,52 Мбит/с и позволяющий инкапсулировать (вставлять) в него все фреймы европейской PDH иерархии (Е1, Е2, Е3 и Е4).

В структуру STM введены специальные указатели начала любого инкапсулированного фрагмента. Эти указатели помещаются в поле заголовка фрейма STM. Использование указателей значительно упрощает процедуру выделения потоков, различных скоростей из общего цифрового потока и позволяет гибко компоновать внутренний формат STM.

Построение иерархии скоростей SDH основано также на использовании коэффициентов мультиплексирования. В SDH эти коэффициенты принимают Телекоммуникационные технологии цифровых сетей постоянное значение, которое равно 4, и фигурируют в названии транспортного модуля в виде сомножителя: STM-1 (155,52 Мбит/с); STM-4 (622 Мбит/с);

STM-16 (2,5 Гбит/с); STM-64 и т. д.

Таким образом, разработчикам технологии SDH удалось не только обеспечить наращивание скоростей передачи, но и учесть наличие стандартов существующей технологии PDH, используя уже известную к тому времени технологию инкапсуляции данных (технология инкапсуляции использована в протоколе TCP/IP сети Internet для транспортировки IP-пакетов через сети с различными архитектурами). В SDH-технологии принцип инкапсуляции получил развитие в виде технологии виртуальных контейнеров.

Контейнерами называются фреймы стандартных размеров с присоединенными к ним заголовками. В полях заголовка помещается информация, необходимая для маршрутизации, и указатели начала размещения потоков различных скоростей, поступающих из каналов доступа. Эти потоки называются трибами.

Цифровые потоки каналов доступа со скоростями передачи, соответствующими стандартному ряду PDH, называются трибами PDH, а потоки каналов доступа со скоростями передачи, соответствующими стандартному ряду SDH, - трибами SDH.

Каждый триб инкапсулируется в соответствующий ему по размеру контейнер, снабженный своим заголовком. Так, например, формируемый при инкапсуляции триба 140 Мбит/с контейнер определил размер поля полезной нагрузки синхронного транспортного модуля STM-1 в 2349 байт, а добавление к нему полей заголовков – размер самого STM-1: 2430 байт или 2430 х 8 = 19440 бит, что при частоте повторения 8000 Гц определяет скорость порождающего члена ряда для иерархии SDH: 19440 х 8000 = 155,52 Мбит/с.

Контейнеры меньших размеров, в свою очередь, могут помещаться в контейнеры с большей емкостью полезной нагрузки, которые также снабжены своим заголовком, и т. д., по принципу матрешки. Это и есть технология виртуальных контейнеров, основанная на принципах инкапсуляции. Поскольку контейнеры являются не физическими объектами, а логическими, они называются виртуальными контейнерами.

Виртуальные контейнеры могут группироваться по несколько штук для размещения в полях полезной нагрузки контейнеров верхних уровней (большего размера). На каждый вложенный контейнер заводится свой указатель в поле заголовка внешнего контейнера. Согласно основной схеме мультиплексирования для иерархии SDH, модули STM-1 далее могут мультиплексироваться с коэффициентом n, кратным 4 (как уже указывалось выше), и затем передаваться по линии связи.

Для реализации технологии SDH разработаны специальные терминальные мультиплексоры ввода/вывода, через которые осуществляются доступ в сеть и выход из сети, т. е. реализуется функция ответвления трибных потоков.

Синхронные сети имеют ряд преимуществ перед плезиохронными, основные из них следующие:

18 Телекоммуникационные технологии цифровых сетей упрощение сети - в синхронной сети один мультиплексор ввода/вывода позволяет непосредственно ввести или вывести, например, поток Е1 (2 Мбит/с) из фрейма STM-1 (155 Мбит/с), заменяя тем самым “гирлянду” мультиплексоров PDH;

прозрачность для передачи любого трафика - это обусловлено использованием виртуальных контейнеров для передачи трафика, сформированного с использованием других технологий: Frame Relay, ISDN, ATM;

универсальность применения - технология может быть использована для создания отдельных высокоскоростных магистралей, глобальных сетей WAN, а также для местных MAN и корпоративных сетей кольцевой структуры.

С появлением SDH-технологии в отношении телекоммуникационных сетей стали использоваться понятия “упаковка данных”, “транспортировка данных”, а за высокоскоростными цифровыми синхронными сетями закрепилось название “транспортные сети”.

2 ТЕХНОЛОГИИ АСИНХРОННЫХ РЕЖИМОВ ПЕРЕНОСА

При асинхронном режиме достаточно обеспечить синхронную передачу последовательности битов только между соседними объектами: смежными узлами коммутации или оконечной системой и узлом коммутации, т. е. пунктами сети, непосредственно соединенными линиями связи.

В узле коммутации (УК) принятые биты в виде блоков хранятся некоторое время в запоминающем устройстве (ЗУ) УК, а затем побитово передаются по исходящему каналу в следующий УК. При этом скорости во входящем и исходящем каналах могут вовсе не совпадать.

При реализации асинхронных режимов переноса в современных цифровых сетях используются метод передачи и коммутации пакетов и его модификации, включая технологию АТМ.

2.1 Передача и коммутация пакетов. Технология Х. Телекоммуникационные сети с коммутацией каналов разрабатывались и оптимизировались для достижения наивысшего качества передачи речевых сообщений. Даже то, что дуплексный канал при этом используется только на 50 %, считается вполне допустимым. Низкая эффективность использования каналов в сети с КК объясняется тем, что после установления соединения между оконечными устройствами емкость скоммутированного канала и его составных частей недоступна для других приложений во время сеанса связи, даже если данные не передаются. При использовании таких телекоммуникационных Телекоммуникационные технологии цифровых сетей сетей для передачи данных между компьютерами выявляются по крайней мере два недостатка.

1 При соединении типа терминал-хост (например, при взаимодействии ПК пользователя с сетевым компьютером) значительную часть времени канал может быть свободен, но телекоммуникационная сеть не может использовать его в это время для другого приложения.

2 Сеть с КК обеспечивает передачу данных на постоянной скорости. Это значит, что любой паре терминал-хост будет предоставлена одна и та же фиксированная скорость, что ограничивает возможности сети при подключении хостов и терминалов различной производительности.

Телекоммуникационная сеть с коммутацией пакетов способна устранить эти недостатки.

Суть метода передачи пакетов состоит в следующем.

Сообщение (данные) разбиваются на небольшие блоки (сегменты) (рис. 2.1) Каждому блоку присваивается заголовок Зп, содержащий адреса источника и потребителя информации, а также номер блока в сообщении и указание на его принадлежность данному сообщению, проверяющий или исправляющий код и т. д.

Блок сообщения вместе с заголовком называется пакетом.

Перед отправлением в линию пакеты оформляются в виде фрейма (кадра), имеющего свой заголовок Зф, содержащий информацию, используемую для маршрутизации пакетов.

Для того, чтобы на приемном конце линии связи отделить один фрейм от другого при побитовой передаче их по каналу, между фреймами вставляются разделительные флаги Фл. Флаг - это поле, содержащее 8 бит, например, 01111110. На соседнем УК принятая последовательность битов группируется во фрейм, флаги удаляются и из фрейма извлекается пакет. Он помещается в ЗУ и подвергается обработке - поверке на отсутствие ошибок, искажений. В случае обнаружения ошибок и невозможности их исправления, УК запрашивает повтор передачи. Через некоторое время оформленный в виде фрейма пакет поступает в исходящий канал.

20 Телекоммуникационные технологии цифровых сетей На входящем УК пакеты накапливаются и из них собирается сообщение.

Таким образом, функция разбиения сообщения на пакеты осуществляется только на исходящем УК, а сборка - на входящем УК.

Разбиение сообщения на пакеты и сборку сообщения из пакетов принято называть функцией разбиения/сборки PAD (Packet Assembler and Disassembler). Функция PAD может выполняться в любом сетевом устройстве или узле, обеспечивающем доступ в сеть с коммутацией пакетов. Следует отметить, что если источником сообщения является ЭВМ (рабочая станция), функция PAD может выполняться непосредственно в ней.

2.2 Особенности формирования пакетов речевых сообщений Речевое сообщение, представленное в цифровой форме (ИКМ сигнал), является последовательностью байтов (выборок дискретных отсчетов амплитуд), следующих во временном канале один за другим через 125 мкс. Особенность реализации функции PAD при этом состоит в том, что при формировании блока, длина которого больше одного байта, необходимо накопить нужное количество байтов. В этом случае происходит задержка всех байтов, входящих в пакет, кроме последнего (рис. 2.2), на время = 125 (n-1) мкс, где n - число байтов в блоке. Переход к пакету и фрейму остается тем же.

Рисунок 2.2 - Формирование пакета речевого сигнала:

На приемном конце (входящего УК) для правильного восстановления сообщения вновь восстанавливается ИКМ сигнал с соответствующим разнесением во времени отдельных байтов. Кроме того, осуществляется согласование во времени байтов различных блоков.

Очевидно, что наличие задержек во времени при передаче и приеме пакетов может внести существенное искажение в речевое сообщение. В связи с этим, для передачи речи пакетами необходимо использовать высокоскоростные каналы, в которых речевые пакеты должны передаваться с приоритетом перед пакетами данных.

2.3 Коммутация пакетов PS (Packet Switching) Коммутация пакетов (КП) может быть реализована в УК телекоммуникационной сети с использованием таких режимов как:

Телекоммуникационные технологии цифровых сетей датаграммный режим;

режим виртуального вызова;

режим виртуального канала;

режим виртуального соединения.

Датаграммный режим. При датаграммном режиме каждый пакет движется по сети самостоятельно, без учета того, как продвигаются пакеты, идущие до или после него. Каждый УК на основании адресной информации полей заголовка пакета и собственных сведений о наличии незанятых исходящих каналов к соседним УК выбирает следующий УК, на который перенаправляется пакет.

В результате пакеты одного и того же сообщения с одним и тем же адресом могут следовать от места отправления к месту назначения разными маршрутами и прийти в перепутанном порядке (рис. 2.3, а). Входящий УК (конечный узел маршрута) восстанавливает правильную последовательность пакетов и уже в этой последовательности передает их в пункт назначения.

Режим виртуального вызова. Отличительной особенностью является тот факт, что датаграммный режим дополняется виртуальным вызовом. При этом фазе передачи пакетов сообщения предшествует фаза посылки служебного пакета в АП получателя с указанием полного объема сообщения с целью резервирования достаточного буфера памяти для его приема. После резервирования достаточной области памяти в АП в обратную сторону посылается служебный пакет с подтверждением готовности приема сообщения. Сеанс передачи пакетов начинается лишь после получения пакета подтверждения приема.

Обмен служебными пакетами перед сеансом передачи сообщения называется посылкой виртуального вызова. Режим виртуального вызова уменьшает вероятность блокировки работы отдельных УК и, следовательно, вероятность возникновения тупиковых ситуаций на сети, тормозящих прохождение датаграмм, но в то же время появляются дополнительные затраты времени на посылку виртуального вызова.

Режим виртуального канала. Этот режим характеризуется тем, что фазе передачи пакетов сообщения предшествует фаза установления логического соединения между корреспондирующими АП, которое называется виртуальным каналом (рис. 2.3, б). Фаза установления виртуального канала включает обмен служебными пакетами, при котором, как и в предыдущем режиме, осуществляется резервирование памяти для приема сообщения в АП получателя, а также определяется фиксированный маршрут следования в сети пакетов передаваемого сообщения. Каждый пакет снабжается идентификатором виртуального канала, помещаемым в поле заголовка. Все промежуточные УК, через которые проходит маршрут виртуального канала, теперь не принимают самостоятельных решений по маршрутизации пакетов, а направляют пакеты в соответствии с идентификаторами виртуального канала. Поскольку пакеты движутся по фиксированному маршруту, то, в случае занятости исходящего направления, они задерживаются в УК и накапливаются в выходных буферах. Если выходной буфер переполняется, возникает блокировка УК. Блокировки могут вызвать недопустимые задержки пакетов в сети, а также тупиковую ситуацию, блокиИздательский центр УГАС им. А.С. Попова 22 Телекоммуникационные технологии цифровых сетей рующую работу всей сети. Этот недостаток устраняется в режиме виртуального соединения, в котором обеспечивается резервирование ресурсов памяти во всех промежуточных УК по маршруту следования пакетов передаваемого сообщения.

а - датаграммный; б - виртуального канала; в - виртуального соединения Телекоммуникационные технологии цифровых сетей Режим виртуального соединения. Режим характеризуется тем, что в фазе установления виртуального канала осуществляется резервирование буферов в ЗУ УК, входящих в маршрут передачи пакетов, достаточных для прохождения пакетов без задержек (рис. 2.3, в). Этот режим близок по принципу установления связи к методу КК. Если при установлении связи будут зарезервированы и тайм-слоты в транзитных линиях, то отличие от КК будет лишь в размере пакета и способе коррекции ошибок (при КК это делается на входящем УК, а при КП - на всех УК, входящих в маршрут виртуального канала).

Коммутация пакетов имеет несколько преимуществ перед коммутацией временных каналов:

эффективность использования линий при КП намного выше, поскольку ресурсы линий и узлов сети могут динамически распределяться между многими пакетами от различных приложений;

в сети с коммутацией пакетов может осуществляться преобразование скорости передачи данных. Это обеспечивает возможность обмена сообщениями АП, подключенных к сети каналами разной пропускной способности (полосы пропускания);

пользователям не может быть отказано в соединении даже, если сеть перегружена. При этом лишь могут возникнуть задержки с доставкой пакетов или уменьшена скорость передачи;

в сетях с КП можно использовать систему приоритетов. Пакеты с высоким приоритетом будут доставляться с меньшими задержками.

Первая сеть передачи пакетов ARPA была введена в эксплуатацию в конце 60-х гг. в США. Финансирование проекта осуществлялось Управлением перспективных научных исследований (Advance Research Project Agency) США.

Аббревиатура, составленная из первых букв названия этого управления, определила название сети. Максимальный размер пакета составлял в сети ARPA 1024 бит (128 байт). Сеть могла передавать и принимать сообщения длиною, не превышающей 8 пакетов.

Международная организация по стандартизации (ISO) и МСЭ (ITU-T) утвердили метод передачи и коммутации пакетов в виде Рекомендаций Х.25.

Кроме пакета размером 128 байт, который принимается по умолчанию, допускаются также и другие размеры пакета: 16, 32, 256, 512, 1024, 2048, 4096 байт.

Кроме длин пакетов, рекомендованы также форматы пакетов и кадров (фреймов), а также протокол их передачи и приема.

Протокол передачи данных с коммутацией пакетов (технология Х.25) становится одним из наиболее широко распространенных и популярных протоколов, позволяющих решать проблемы “плохих” каналов связи с большим уровнем помех, каковыми, например, являются аналоговые телефонные линии.

Для обеспечения требуемой достоверности передачи информации в технологии Х.25 используется многоуровневая система обнаружения и коррекции ошибок. Каждый УК сети Х.25 на пути движения пакета проверяет целостность пакета, читает контрольную сумму, содержащуюся в заголовке пакета, вычисляет ее новое значение и сравнивает их. При небольшом количестве ошибок УК 24 Телекоммуникационные технологии цифровых сетей способен восстановить пакет и передать его дальше. При этом узел посылает подтверждение предыдущему узлу о корректном приеме пакета. Если же восстановить пакет невозможно, делается запрос на его повторную передачу.

Высокий уровень помех на линиях приводит к падению скорости передачи, и по этой причине предельная скорость передачи в сетях Х.25 составляет 64 кбит/с. Кроме того, эта скорость не остается постоянной величиной и зависит от уровня помех и вызванных ими ошибок.

Метод передачи и коммутации пакетов реализован не только в протоколе Х.25, но и, например, в протоколе TCP/IP, который также впервые был введен на сети ARPA, после чего она стала именоваться Internet. Широкое распространение этого протокола обеспечено большой популярностью сети Internet, охватывающей многие страны мира.

2.4 Передача и коммутация кадров. Технология Frame Relay В современных скоростных телекоммуникационных сетях, использующих волоконно-оптическую среду для передачи данных, уровень ошибок резко снизился по сравнению с каналами аналоговой телефонии. В результате большая избыточность кодировки (применение сложных кодов, обнаруживающих и исправляющих ошибки) пакетов становится ненужной, упрощается система заголовков, которая была перенасыщена содержанием информации для восстановления пакетов.

В 90-х гг. Международный Союз Электросвязи (ITU-T) утверждает новый протокол из семейства протоколов Х.25, получивший название протокола передачи и коммутации кадров (фреймов) - Frame Relay. В этом протоколе нет той избыточности, которая характерна для Х.25, во-первых, потому, что он специально разрабатывался для использования на линиях связи с низким уровнем помех, во-вторых, в нем устранена система контроля ошибок всего фрейма.

Вместо этого лишь проверяется целостность полученного фрейма и только для адресного поля осуществляется контроль ошибок. Благодаря всему этому Frame Relay обеспечивает подключение пользователей телекоммуникационной сети на скорости 2 Мбит/с. Главным достоинством технологии Frame Relay стала низкая избыточность служебной информации в пакете, что заметно увеличило производительность передачи данных в сети (в четыре раза по отношению к сети Х.25). В остальном протокол Frame Relay во многом совпадает с протоколом Х.25. Размеры фреймов могут иметь переменную длину, так как сами пакеты допускают использование различных длин и, как следствие, вариации задержек при передаче фреймов. Это не совсем приемлемо для передачи речевых и видеосообщений, которые требуют регулярных скоростей передачи.

Областью более эффективного применения технологии Frame Relay является взаимодействие локальных сетей LAN через глобальные телекоммуникационные сети, а также обеспечение высокоскоростных пользовательских интерфейсов, что гораздо выгоднее арендованных каналов.

Телекоммуникационные технологии цифровых сетей Являясь разновидностью протоколов семейства Х.25, Frame Relay хорошо сочетается с сетями Х.25. Возможно создание гибридных сетей, включающих УК с FR и УК с КП, а также УК-шлюзы, обеспечивающие преобразование протоколов (рис. 2.4). Передача фреймов по сети осуществляется с использованием режимов виртуального канала и виртуального соединения, а также датаграммного режима.

Рисунок 2.4 - Гибридная сеть, использующая технологию Х. К недостаткам технологии Frame Relay относится невозможность управления потоками фреймов при перегрузках сети. В связи с этим на сетях FR применяется система "кредитов". Кредит CIR (Committed Intormation Rate) выдается пользователю в виде разрешения на передачу данных со скоростью, не превышающей заданную таким кредитом. При этом CIR, измеряемый килобитами в секунду, определяется в терминах разрешенного объема данных В, который может быть послан пользователем в сеть за время Т: CIR = B/T.

Значение CIR является средним гарантированным сетью значением скорости передачи данных при отсутствии перегрузок на сети. Кредит CIR, выдаваемый администрацией сети, может быть одинаковым для всех пользователей либо учитывающим запрос пользователя.

В настоящее время рынок сетей FR в Европе соизмерим с рынком сетей Х.25.

26 Телекоммуникационные технологии цифровых сетей 2.5 Технология ISDN Технология ISDN известна еще как коммутация каналов на разных скоростях, или совместная коммутация каналов и пакетов.

Традиционная коммутация при временном разделении представляет собой очень негибкую процедуру, так как продолжительность тайм-слота однозначно определяет скорость передачи в канале связи.

Цифровая сеть интегрального обслуживания ISDN (Integrated Services Digital Network) представляет собой систему связи с комплексом услуг по передаче как данных, так речи и видео. Требования различных служб к скорости передачи здесь могут быть очень различными - от очень низких (1 кбит/с для телеметрии) до очень высоких (140 Мбит/с - TV высокой четкости). Для удовлетворения этих требований был разработан вариант объединения коммутации каналов с мультиплексированием, обеспечивающий широкий диапазон скоростей передачи данных.

Система передачи с многоскоростной коммутацией каналов использует тот же метод временного мультиплексирования, что и системы с обычной коммутацией каналов. Однако в одном соединении (широкополосном канале) может использоваться n (n > 1) цифровых каналов DS0 (64 кбит/с). Таким образом, каждое соединение может быть кратным скорости 64 кбит/с.

Системы коммутации, обеспечивающие многоскоростную коммутацию каналов, являются более сложными по сравнению с системами с обычной коммутацией каналов CS, так как все каналы отдельных звеньев, образующих соединение, является синхронными.

Важной проблемой для систем с многоскоростной коммутацией каналов является выбор базовой скорости передачи. Международный Союз Электросвязи (ITU-T) определил в качестве основных два интерфейса доступа к ISDN:

базовый доступ (Basic Rate Access) 144 кбит/с, обеспечивающий два речевых канала типа В со скоростью 64 кбит/с и один сигнальный канал типа D со скоростью передачи 16 кбит/с (2 B + D);

первичный доступ PRA (Primary Rate Access), позволяющий работать с каналами Т1 (1,5 Мбит/с) и Е1 (2 Мбит/с), которые разделены на 23 и 30 каналов типа В соответственно, и, кроме этого, имеют один сигнальный D канал со скоростью 64 кбит/с (23 В + D или 30 В + D). Выделенная линия может использовать как отдельный канал В, так и их комбинацию для достижения большей скорости. Как установление, так и разъединение связи между абонентами осуществляются через сигнальный канал и происходят почти мгновенно.

Выбранная скорость канала должна быть равной или превышать пиковую скорость передачи источника во время всего сеанса связи, хотя средняя скорость передачи может быть очень низкой. Это характерно для передачи речи и видео, так называемого изохронного потока, характеризующегося изменением скорости передачи - “взрывным” (пачечным) режимом работы источника, наИздательский центр УГАС им. А.С. Попова Телекоммуникационные технологии цифровых сетей пример, когда медленно меняющаяся видеокартинка вдруг сменяется новым кадром. Аналогичная картина наблюдается при передаче речи.

Таким образом, при “взрывном” трафике не обеспечивается эффективное использование пропускной способности канала даже при многоскоростной коммутации каналов.

Данная техническая проблема решается использованием совместной коммутации каналов и пакетов. Передача потоков разнородной информации (данные, речь) является отличительной особенностью сетей ISDN.

В зависимости от требований, предъявляемых к качеству обслуживания различных потоков, для их передачи можно выбирать тот или иной способ коммутации.

В настоящее время известны три варианта совмещения КК с КП: гибридная, адаптивная и смешанная коммутация.

Гибридная коммутация. Основная идея состоит в том, что пропускная способность линии связи, т. е. кадр (фрейм) делится на две области (рис. 2.5).

При этом m тайм-слотов в каждом кадре отводится для временных каналов, а оставшаяся часть - для передачи пакетов (в данном примере трех сообщений:

С1, С2 и С3). В свободной от временных каналов части кадра 1 передаются пакеты П1(С1), П1(С2) и часть пакета П1(С3). В следующем, кадре 2, аналогично после m временных каналов заканчивается передача первого пакета П1(С3) сообщения С3, затем следует второй пакет П2(С1) сообщения С1 и часть второго пакета П2(С2) сообщения С2 и т. д.

Рисунок 2.5 - Структура кадра при гибридной коммутации Адаптивная коммутация. Основана на принципе статистического уплотнения занятого соединения в режиме КК пакетами в паузах при передаче речи или между передачей данных. При этом может быть значительно повышена пропускная способность линии связи. Известно, что доля пауз при передаче речи составляет около 60 %, а при диалоговой связи человека с ЭВМ она может превышать 90 %. Кроме того, пакеты могут передаваться и по незанятым каналам.

Смешанная коммутация каналов и пакетов. На УК происходит установление канала при передаче информации как методом КК, так и методом КП.

Поэтому этот метод можно было бы рассматривать как метод КК. Однако, в отличие от метода КК, здесь установление канала в УК от входа к выходу происходит не на все время сеанса связи, а лишь на время передачи пакета. На время же всего сеанса для передачи пакетов устанавливается виртуальный канал, как 28 Телекоммуникационные технологии цифровых сетей и на сети коммутации пакетов, т. е. фактически фиксируется лишь путь передачи пакетов.

После установления виртуального канала для каждого поступившего пакета в УК устанавливается временной канал, как при установлении соединения при коммутации каналов, т. е. временной канал существует только в течение времени прохождения пакета через УК. Как только пакет поступает в выходное буферное запоминающее устройство, временной канал может быть использован для передачи другого пакета или установления временного канала для сеанса связи других абонентов.

Цифровые сети ISDN в настоящее время широко распространены как альтернатива традиционным аналоговым сетям с применением модемов, выделенным линиям, отдельным службам глобальных сетей. При значительно большей гибкости по сравнению с простой коммутацией каналов, в технологии ISDN все же сохраняется фундаментальное ограничение: хотя пользователь имеет возможность выбора скорости передачи, сам набор скоростей остается вполне определенным (фиксированным).

Системы коммутации, разработанные для многоскоростной коммутации каналов, содержат набор отдельных коммутаторов, каждый из которых производит коммутацию каналов с определенной скоростью. Информация, поступающая из абонентской линии (АЛ), перед поступлением на различные коммутаторы демультиплексируется, а информация, поступающая от коммутатора в АЛ, наоборот, мультиплексируется.

Несмотря на все достоинства технологии ISDN, сетевые ресурсы продолжают использоваться неэффективно. Так, например, если низкоскоростные коммутаторы все заняты, то дополнительное низкоскоростное соединение образовано быть не может, несмотря на то, что могут быть не задействованы высокоскоростные коммутаторы.

2.6 Технология АТМ Технология АТМ (Asynchronous Transfer Mode) является настоящей альтернативой всем существующим сетевым технологиям. В отношении ее укоренилось также наименование асинхронный режим переноса, рекомендованное МСЭ (ITU-T). На сегодняшний день АТМ является единственной продвинутой технологией, позволяющей полноценно передавать интегральный трафик (голос, видео, данные) при одновременном удовлетворении совершенно несовместимых требований к условиям передачи.

Сущность технологии АТМ состоит в транспортировании всех видов информации пакетами фиксированной длины в 53 байта, из которых 48 байт определяют размер информационного поля и 5 байт отводится для заголовка. Такой пакет получил название ячейка (cell). Ячейки передаются без дополнительного оформления в кадр (фрейм), и для их обработки используются более простые протоколы по сравнению с передачей пакетами по протоколу Х.25. Кроме того, фиксированная длина и регулярность создаваемого ими потока не требуИздательский центр УГАС им. А.С. Попова Телекоммуникационные технологии цифровых сетей ют включения флага между ними для отделения одной ячейки от другой. Ячейки фиксированной длины передаются по каналу непрерывно.

В том случае, когда информационные ячейки отсутствуют, по каналу передаются "пустые" ячейки стандартной величины, т. е. ячейки, не содержащие данных в поле информации, на что указывается в заголовке. Пустые ячейки необходимо передавать для того, чтобы не нарушить поячеистую дискретизацию в канале. Поячеистая дискретизация напоминает временную дискретизацию в синхронном режиме передачи. Однако, если при синхронном режиме длительность тайм-слота (временного канала) зависела от скорости передачи импульсов (битов) по каналу, то при асинхронном режиме длительность интервала времени, затрачиваемого на передачу ячейки, зависит только от числа импульсов (битов), необходимых для передачи ячейки, но не от скорости их передачи.

Таким образом, с помощью ячеек осуществляется как бы временная дискретизация в канале, в связи с чем асинхронный режим передачи еще называют асинхронным временным мультиплексированием.

Отличие асинхронного временного мультиплексирования (АВМ) от синхронного временного мультиплексирования (СВМ) состоит в том, что ячейки, принадлежащие различным информационным сообщениям, могут следовать в произвольном порядке, тогда как тайм-слоты при СВМ, отведенные для передачи различных сообщений, располагаются на оси времени (в структуре кадра) в строго фиксированном порядке по отношению к началу цикла дискретизации (началу кадра) (рис. 2.6).

Рисунок 2.6 - Принцип асинхронного мультиплексирования:

а - синхронное мультиплексирование; б - асинхронное мультиплексирование Передача ячеек по сети осуществляется в режиме виртуального соединения, в связи с чем фазе передачи предшествует фаза установления виртуального соединения, во время которой осуществляется проверка достаточности объема сетевых ресурсов как для качественного обслуживания уже установленных виртуальных соединений, так и для вновь создаваемого. Если сетевых ресурсов недостаточно, то оконечному устройству выдается отказ в установлении соединения. Таким образом, в сети АТМ реализуется функция контроля и защиты от перегрузок.

30 Телекоммуникационные технологии цифровых сетей В целях уменьшения временных задержек ячеек в узлах коммутации функции заголовка пакета АТМ ограничиваются. Основной функцией заголовка является идентификация виртуального соединения и обеспечение гарантии правильной маршрутизации. Заголовок также дает возможность мультиплексирования различных виртуальных соединений в одном цифровом тракте. Поскольку ошибка в заголовке может привести к неправильной маршрутизации, предусмотрено обнаружение и исправление ошибок в заголовке пакета АТМ.

Из-за ограничения функций, выполняемых заголовком пакета АТМ, его обработка считается относительно простой процедурой и может осуществляться на очень высоких скоростях, что обеспечивает малую задержку ячеек в очередях буферных устройств коммутаторов АТМ. Производительность коммутаторов АТМ уже сегодня достигает 10 Гбит/с.

Коммутаторы АТМ являются основными устройствами сети АТМ. В их функции входит не только установление виртуального соединения между оконечными устройствами пользователей, но и обеспечение так называемого режима качественного обслуживания QoS (Quality of Service) для этого соединения. Параметры режима QoS задаются пользователем при заявке на установление связи в фазе формирования виртуального соединения.

В рекомендациях ITU-T предусмотрены следующие типы QoS:

CBR (Constant Bit Rate) - выделение канала с фиксированной пропускной способностью, предельно допустимой задержкой и другими характеристиками, заказанными пользователем. Такой вид QoS в основном используется при передаче речи.

RT-VBR (Real Time Variable Bit Rate) - выделение канала с пропускной способностью в заданных пределах (min-max) с жесткими требованиями к задержке и другими параметрами, запрошенными пользователем. RT VBR идеально подходит для передачи видео и речи.

NRT-VBR (Not Real Time Variable Bit Rate) - VBR с ослабленными требованиями к задержке передачи. Может применяться для передачи видео и речи, не требующих режима реального времени.

ABR (Availeble Bit Rate) - предоставление пользователю оставшейся невостребованной части физического канала. При установлении соединения пользователь задает лишь пределы допустимых изменений скорости передачи. Величина задержек передачи не контролируется. Режим применяется при передаче данных.

UBR (Unspecified Bit Rate) - самый низкоприоритетный режим передачи.

Заключается в предоставлении пользователю занятия какого-нибудь канала без каких-либо гарантий качества передачи.

UBR+ - модифицированный UBR, предусматривающий приостановку передачи ячеек передаваемого сообщения при возникновении перегрузки в сети. Применение UBR+ позволяет разгрузить физические каналы.

Обеспечение режима QoS является коренным отличием технологии АТМ от всех существующих сетевых технологий. Это имеет принципиальное значеИздательский центр УГАС им. А.С. Попова Телекоммуникационные технологии цифровых сетей ние при интеграции передачи данных с передачей видео и речи, чрезвычайно чувствительных к задержке.

Единственным протоколом, обеспечивающим QoS, является протокол PNNI Phase 1.0 (Private Network - to - Network Interface). Протокол достаточно сложный, для его работы требуется в десять раз больше процессорного времени, чем для известного протокола OSPF, используемого в маршрутизаторах.

2.7 Быстрая коммутация пакетов В сетях с коммутацией пакетов функции коммутации выполняются специальными коммутационными ЭВМ, образующими в сети узлы (центры) коммутации пакетов. В УК традиционных сетей пакетной коммутации (сетей Х.25) пакеты обрабатываются в многопрограммном режиме в основном одним процессором.

Быстрая коммутация пакетов (БКП) характеризует следующее поколение сетей с коммутацией пакетов - сетей АТМ и отличается тем, что за счет использования в УК многопроцессорных коммутационных систем (коммутаторов АТМ) с многочисленными входами и выходами в них обеспечивается параллельная обработка большого количества одновременно коммутируемых пакетов (ячеек АТМ).

Метод БКП является наиболее совершенным методом коммутации пакетов, обеспечивающим за счет параллельной обработки ячеек высокую производительность УК.

Метод БКП может использоваться в коммутационных системах УК как с электронными, так и с оптическими коммутаторами.

Коммутационные системы БКП делятся на три типа:

коммутаторы с коллективной памятью;

коммутаторы с общей средой;

коммутаторы с пространственным разделением.

Независимо от типа коммутатора на его входах и выходах устанавливаются контроллеры. В функции входных контроллеров (ВхК) входят демультиплексирование входных потоков ячеек, поступающих по входящим линиям связи, и введение в каждую ячейку некоторого заголовка, определяющего маршрут ее движения внутри коммутатора. Ячейка, дополненная таким заголовком, называется быстрым пакетом (БП). Выходной контроллер (ВыхК) пересылает БП с выхода коммутационной системы в исходящую линию связи, осуществляя мультиплексирование. При этом в БП удаляется дополнительный заголовок - и БП превращается опять в ячейку. Для избежания потери БП в случае возникновения конфликта (две и более ячеек направляются к одному и тому же выходу) контроллеры могут содержать входные и выходные буферные запоминающие устройства (БЗУ).

Коммутаторы с коллективной памятью. Высокоскоростные коммутаторы с коллективной памятью являются наиболее простым типом коммутаторов 32 Телекоммуникационные технологии цифровых сетей АТМ. Принципы их построения во многом сходны с построением традиционных коммутаторов пакетов сетей Х.25.

Структура коммутатора с коллективной памятью приведена на рис. 2.7.

Все входные и выходные контроллеры непосредственно соединены с общим запоминающим устройством, доступным для записи со всех входных контроллеров и чтения для всех выходных Скорость записи/чтения для коллективной памяти должна быть достаточно велика, чтобы можно было обслужить одновременно входной и выходной трафики. Скорость записи/чтения определяется как 2NV, где 2N - количество портов (входов и выходов), V - скорость обмена через один порт. Так, для 32-канального коммутатора с канальной скоростью 150 Мбит/с скорость записи/чтения должна составлять не менее 9,6 Гбит/с.

Коммутаторы с общей средой. В коммутаторе с общей средой все БП, поступающие по входным каналам, синхронно мультиплексируются в общую среду с высокой скоростью передачи, в качестве которой может выступать общая шина (рис. 2.8) с разделением по времени или кольцо (рис. 2.9).

Отличие коммутаторов с общей средой от коммутаторов с коллективной памятью состоит в том, что в них осуществляется полностью раздельное использование памяти выходными очередями, реализуемое в виде БЗУ выходных контроллеров. Это приводит к независимому формированию выходных очередей БП с дисциплиной обслуживания "первым пришел - первым обслужен" (Fi Fo).

Коммутаторы с пространственным разделением. В противоположность вариантам архитектуры с общей памятью и общей средой, для которых характерно мультиплексирование входного трафика всех входных каналов в единый скоростной поток с последующим распределением его по выходам, в коммутаИздательский центр УГАС им. А.С. Попова Телекоммуникационные технологии цифровых сетей торе с пространственным разделением от входов к выходам устанавливается несколько соединений внутри коммутационной системы, скорость передачи по каждому из которых может быть равна скорости передачи по одному входному каналу.

Передача быстрых пакетов внутри коммутационной системы происходит по виртуальным каналам, аналогично тому, как ячейки движутся в сети АТМ.

Коммутация быстрых пакетов осуществляется в коммутаторе на основе анализа управляющей информации, содержащейся в заголовке БП.

Управление коммутатора может быть как централизованным, так и распределенным.

Коммутаторам с данным типом архитектуры присущи недостатки. В зависимости от конкретного вида внутренней структуры может оказаться невозможным установление всех требуемых соединений. Эта особенность получила название внутренней блокировки. Она ограничивает пропускную способность коммутатора и представляет серьезную проблему при создании коммутаторов АТМ с пространственным разделением.

Коммутаторы с пространственным разделением могут быть разбиты на две группы: матричные и типа баньян. Рассмотрим принципы реализации каждой из них.

Матричные коммутаторы. В основе коммутационной структуры матричного типа лежит квадратный массив из N2 элементов коммутации (ЭК), по одному на каждую пару "вход-выход" (рис. 2.10). Замыкание ЭК, находящегося в точке переключения, образует физическое соединение i-го входа с j-м выходом.

ЭК может находиться в двух состояниях: сквозном или перекрестном. Допустим, что вначале все ЭК находятся в сквозном состоянии. Для соединения i-го входа с j-м выходом достаточно привести (i, j)-й ЭК в перекрестное состояние, а остальные ключи оставить в сквозном состоянии. Требуемое переключение ЭК в перекрестное состояние может быть осуществлено самым быстрым пакетом индивидуально, если в нем содержится номер требуемого выхода. Глобальной информации относительно всех БП и требуемых для них выходов при этом не требуется. Это свойство именуется самомаршрутизацией. Оно позволяет существенно упростить управление коммутационной структурой за счет распределения управляющих функций по всем ЭК.

Увеличение N (свыше двух десятков) значительно усложняет работу коммутатора матричного типа.

Коммутаторы типа баньян. Коммутаторы этого типа являются альтернативой матричным коммутаторам и основываются на многокаскадных сетях.

Основными структурными компонентами многокаскадных сетей являются разветвители и концентраторы, реализуемые с помощью элементарных (2х2) переключателей, которые могут находиться в двух состояниях - сквозном и перекрестном.

34 Телекоммуникационные технологии цифровых сетей Рисунок 2.10 - Коммутаторы матричной структуры Разветвитель (рис. 2.11 на N = 2k выходов может быть построен в виде двоичного дерева с k разветвлениями на N-1 переключателе. В этом дереве существует единственный путь от корня (входа) до каждого из листьев (выходов).

Очевидно, что такой разветвитель обладает свойством самомаршрутизации.

Конструкция концентратора точно такая же, как и разветвителя, только в качестве корня выступает выходной канал и установка переключателей осуществляется начиная с корня (выходного канала).

Возможно совместное использование переключателей несколькими разветвителями и концентраторами. Путем добавления пар входных каналов к уже имеющейся структуре можно соединить между собой N входов и N выходов, используя всего лишь (N / 2)log2N переключателей (рис. 2.12).

Рисунок 2.11 - Двоичное дерево, соединяющее входной канал Существует очень большое количество разнообразных многокаскадных структур. За последние два десятка лет специалисты разных стран проводили исследования многокаскадных КС и наработали комплекс типовых решений, реализуемых ведущими фирмами-изготовителями оборудования АТМ сетей.

Телекоммуникационные технологии цифровых сетей Рис. 2.12 - Коммутатор типа баньян на 8 входов и 8 выходов Однако независимо от конкретной разновидности, все NxN многокаскадные КС обладают следующими основными свойствами:

существует единственный путь в КС, соединяющий входной канал установление соединения может осуществляться децентрализованно с использованием процедуры самомаршрутизации;

во всех структурах возможно одновременное установление не более N структура КС является регулярной, что обеспечивает удобство ее реализации на СБИС;

структура КС является модульной, что позволяет наращивать ее без необходимости модификации физической компоновки или алгоритмов.

Основными способами преодоления внутренних блокировок и повышения пропускной способности коммутаторов типа баньян являются:

размещение в местах возникновения конфликтов буферов (использование буферизованной баньяновидной структуры КС);

использование входной буферизации ячеек на входе с помощью управляющих сигналов, формируемых при обнаружении конфликта;

параллельное или тандемное использование группы баньяновидных соединительных сетей, что увеличивает число возможных путей между входами и выходами.

Использование баньяновидных КС позволило свести к минимуму количество точек коммутации в коммутаторных АТМ.

В заключение следует отметить, что использование технологии АТМ дает возможность создавать мультисервисные сети, работающие в асинхронном режиме, что позволяет решать многие телекоммуникационные проблемы практически сразу, не дожидаясь реализации до конца целого ряда таких важных аспектов, как сигнализация, маршрутизация, адресация и т. п.

Технологию АТМ по праву называют технологией сетей ХХI века.

36 Телекоммуникационные технологии цифровых сетей

3 ТЕХНОЛОГИИ ПОЛНОСТЬЮ ОПТИЧЕСКИХ СЕТЕЙ

широкая полоса пропускания, обусловленная чрезвычайно высокой частотой несущей (1014 Гц), что обеспечивает возможность передачи по одному оптическому волокну информации в несколько терабитов в секунду. Большая полоса пропускания - одно из важнейших преимуществ оптического волокна над медной и любой другой средой передачи информации;

высокая помехозащищенность - невосприимчивость к электромагнитным помехам со стороны окружающих медных кабельных систем и электрического оборудования, индуцирующего электромагнитное излучение, поскольку волокно изготавливается из диэлектрического материала. В многоволоконном кабеле также не возникает проблемы перекрестного влияния электромагнитного излучения, присущей многопарным медным кабелям;

малое затухание светового сигнала в волокне порядка 0,2…0,3 дБ на длине волны 1,55 мкм в расчете на 1 км, а также небольшая дисперсия, что позволяет строить участки линий без ретрансляции протяженностью высокая защищенность от несанкционированного доступа благодаря тому, что ВОК практически не излучает в радиодиапазоне, вследствие чего трудно “подслушать” передаваемую по нему информацию, не нарушая приема/передачи;

гальваническая развязка элементов сети, обусловленная изолирующим свойством волокна. Это исключает возникновение электрических “земельных” петель (например, когда два сетевых устройства неизолированной сети, связанные медным кабелем, имеют заземление в разных точках здания. Возникающая при этом разность потенциалов способна повредить сетевое оборудование);

пожаробезопасность из-за отсутствия искрообразования, что особенно важно при обслуживании технологических процессов повышенного риска (на химических, нефтеперерабатывающих предприятиях);

малый вес и объем по сравнению с медным кабелем в расчете на одну и ту же пропускную способность.

Полностью оптические сети AON (All-optical Network) представляют класс сетей, в функционировании которых главную роль при коммутации, мультиплексировании, ретрансляции играют не электронные (оптоэлектронные), а чисто оптические технологии.

Телекоммуникационные технологии цифровых сетей Полностью оптические сети AON претендуют на роль главенствующей сетевой технологии, способной обеспечить гигантские скорости передачи цифровых потоков, как для сегодняшних, так и для завтрашних сетевых информационных приложений.

Большинство оптических коммутационных устройств и элементов, применяемых в AON, используют цифровую передачу сигнала с модуляцией интенсивности сетевого луча, при которой бинарной единице соответствует передача света большой интенсивности, а бинарному нулю - передача света малой интенсивности.

3.1 Элементы полностью оптических сетей На протяжении последних нескольких лет в области создания полностью оптических сетей AON ведутся интенсивные исследования, направленные на создание более совершенного оборудования и разработку стандартов. Среди фирм, которые наиболее активно ведут такие исследования, следует выделить:

Lucent, Alcatel, Ericsson, Technologies, Newleft Packard, NEC, Siemens.

На рис. 3.1 приведена типовая схема связи с использованием волоконнооптической линии связи, реализующая топологию “точка-точка”.

Оптический передатчик обеспечивает преобразование входного электрического цифрового сигнала в выходной световой (цифровой) сигнал. Оптический излучатель “включается” и “выключается” в соответствии с поступающим на него битовым потоком электрического сигнала. Для этих целей используются инфракрасные светоизлучающие диоды или лазеры (лазерные диоды). Светодиоды рассчитаны на больший диаметр сердцевины волокна (многомодовые волокна), а лазеры лучше подходят для передачи сигнала по одномодовому волокну. Типичные значения спектральной полосы излучения составляют для светодиодов от 20 до 100 нм, для одномодовых лазерных диодов - 0,1 нм. Потребляемая мощность для светодиодов - около 10 мВт, для лазерных диодов порядка 1 мВт.

Оптический приемник обеспечивает обратное преобразование входных оптических импульсов в выходные импульсы электрического тока. В качестве основного элемента оптического приемника используются так называемые лавинные фотодиоды, имеющие очень малую инерционность.

Повторитель состоит из оптического приемника, электронного усилителя и оптического передатчика. Повторители предназначены для усиления ослаИздательский центр УГАС им. А.С. Попова 38 Телекоммуникационные технологии цифровых сетей бевшего в процессе распространения на большое расстояние оптического сигнала, а также для восстановления фронтов импульсов.

Повторитель в зависимости от стандарта передачи может работать в синхронном или асинхронном режимах.

При синхронном режиме приемное устройство повторителя регулярно принимает синхроимпульсы, на основании которых настраивает свой таймер, задающий частоту для последующей передачи. В линии при этом поддерживается непрерывный битовый поток. В передаваемую последовательность повторитель добавляет синхроимпульсы для синхронизации следующего участка.

При асинхронном режиме передаваемая информация организуется в пакеты данных. Каждому пакету предшествует служебная группа битов - преамбула, которая обеспечивает синхронизацию приемного устройства. До приема преамбулы приемное устройство находится в режиме ожидания.

Повторитель, который полностью восстанавливает первоначальную форму оптического сигнала, называется регенератором.

Оптический усилитель не осуществляет оптоэлектронного преобразования, как это делают повторители или регенератор. Он, используя специальные активные среды и лазеры накачки, непосредственно усиливает проходящий оптический сигнал, благодаря индуцированному излучению. Таким образом, усилитель не наделен функциями восстановления скважности импульсов. Однако есть две причины, которые делают применение усилителей более предпочтительными:

качество сигнала, передаваемого по оптическому волокну, остается очень высоким из-за малой дисперсии и затухания;

усилитель является более универсальным устройством, поскольку он (в отличие от повторителя) не привязан к стандарту передачи сигнала.

По последней причине, в отличие от регенераторов, усилители обеспечивают "прозрачное" усиление, что позволяет передавать информацию на более высоких скоростях и наращивать пропускную способность линии до тех пор, пока не вступят в силу другие ограничивающие факторы (например, поляризованная модовая дисперсия). Использование же в линиях регенераторов не позволяет наращивать их пропускные способности.

В отличие от регенераторов, усилители все же вносят дополнительный шум, который необходимо учитывать.

В AON широкое распространение получили эрбиевые усилители EDFA (Erbium Doped Fiber Amplifier), использующие лазер накачки с длиной волны 980 или 1480 нм. Работая в диапазоне от 1535 до 1560 нм, они могут обеспечивать усиление входного сигнала на 30…35 дБ. Усилители также обеспечивают усиление многоканальных (мультиплексных) сигналов, сокращая тем самым число электронных дорогостоящих регенераторов на протяженной оптической линии связи.

Волоконно-оптический кабель (ВОК) характеризуется строительной длиной (длиной непрерывного участка, поставляемого на одном барабане), варьируемой в зависимости от типа кабеля в пределах 2…10 км. Отдельные каИздательский центр УГАС им. А.С. Попова Телекоммуникационные технологии цифровых сетей бели сращиваются сваркой оптических волокон. На каждом участке ВОК концы защищаются специальной герметичной проходной муфтой.

Все оптические волокна делятся на две группы: многомодовые MMF (Multi Mode Fiber) и одномодовые SМF (Single Mode Fiber). Модами называются различные типы световых лучей.

Использование многомодового волокна ограничено локальными сетями с характерными длинами сегментов до 2 км.

Одномодовое волокно имеет более высокую пропускную способность и используется исключительно на протяженных магистралях. Однако оно требует использования более дорогих лазерных передатчиков.

Оптические разветвители (Coupler) являются устройствами, относящимися к пассивным компонентам ВОЛС. Широко используются при построении распределенных волоконно-коаксиальных сетей кабельного телевидения, а также в межгосударственных проектах полностью оптических сетей. Оптические разветвители представляют собой в общем случае многополосное устройство, в котором излучение, подаваемое на часть входных полюсов, распределяется между его остальными полосами.

Оптические разветвители классифицируются по следующим типам:

древовидный разветвитель (tree coupler) - осуществляет расщепление одного входного оптического сигнала на несколько выходных или выполняет обратную функцию;

звездообразный разветвитель (star coupler) - обычно имеет одинаковое число входных и выходных полюсов. Оптический сигнал приходит на один из входных полюсов и равномерно распределяется между всеми выходными полюсами;

ответвитель (tap) - это обобщение древовидного разветвителя, когда выходная мощность распределяется необязательно в равной пропорции между выходными полюсами.

Волновые конвертеры предназначены для преобразования одной длины волны в другую, с обеспечением прозрачной связи между устройствами в разных подсетях.

Фильтры предназначены для выделения одного нужного канала из множества мультиплексных каналов в волокне. Функции фильтра может выполнять оптический демультиплексор.

Оптические коммутаторы выполняют в AON ту же функцию, что и обычные электронные коммутаторы в традиционных сетях, а именно обеспечивают коммутацию каналов или пакетов (принцип работы оптических коммутаторов рассмотрен в п. 2.7).

Пассивные оптические мультиплексоры обеспечивают функцию сборки нескольких простых сигналов различных длин волн из нескольких волокон в мультиплексный сигнал, распространяющийся по одному волокну. Демультиплексоры выполняют обратную функцию.

Волновое уплотнение WDM (Wavelength Division Multiplexing) может осуществляться с помощью WDM-фильтра.

40 Телекоммуникационные технологии цифровых сетей 3.2 Плотное волновое мультиплексирование DWDM Самым важным параметром в технологии плотного волнового мультиплексирования DWDM (Dence Wavelength Division Multiplexing) является малое расстояние между соседними каналами 3,2…0,4 нм.

Мультиплексоры DWDM рассчитаны на работу с большим числом каналов (32 и более). Типовая схема DWDM мультиплексора/демультиплексора приведена на рис. 3.2.

Рассмотрим работу DWDM мультиплексора в режиме демультиплексирования. Приходящий мультиплексный сигнал попадает на входной порт. Затем проходит через волновод-пластину и распределяется по множеству волноводов, представляющих дифракционную структуру. В каждом из волноводов дифракционной структуры сигнал по-прежнему остается мультиплексным. Далее происходит отражение сигналов от зеркальной поверхности и, в итоге, световые потоки вновь собираются в волноводе-пластине, где происходит их фокусировка и интерференция, - образуются пространственно разнесенные интерференционные максимумы интенсивности, соответствующие разным каналам. Геометрия волновода-пластины, в частности расположение выходных полюсов, и длины волноводов дифракционной структуры рассчитываются таким образом, чтобы интерференционные максимумы совпадали с выходными полюсами.

Мультиплексирование происходит обратным путем.

Наряду с устройствами DWDM, в которых мультиплексируются/ демультиплексируются сразу все каналы, появляются также новые устройства, не имеющие аналогов в системах WDM и работающие в режиме добавления или вывода одного и более каналов основного мультиплексного потока. Так как выходные порты демультиплексора закреплены за определенными длинами волн, говорят, что такое устройство осуществляет пассивную маршрутизацию по длинам волн.

Телекоммуникационные технологии цифровых сетей DWDM мультиплексоры, являясь чисто пассивными устройствами, вносят большое затухание в сигнал. При этом возникает необходимость установления оптического усилителя EDFA перед и/или после DWDM мультиплексора.

Для проведения тестов на взаимную совместимость оборудования различных производителей необходима стандартизация пространственного расположения каналов в волокне.

Сектор по стандартизации телекоммуникаций ITU-T утвердил частотный план DWDM с расстоянием между соседними каналами 100 ГГц ( 0,8 нм).

Равномерное распределение каналов позволяет оптимизировать работу волновых конвертеров, перестраиваемых лазеров и других устройств AON.

Сетка 100 ГГц обеспечивает возможность организации эффективной передачи цифровых потоков в каналах на скоростях 2,4 Гбит/с (STM-16) (рис. 3.3,а) и 10 Гбит/с (STМ-64) (рис. 3.3,б).

В настоящее время ITU-T обсуждается вопрос о принятии частотного плана с еще меньшим расстоянием между каналами - 50 ГГц ( 0,4 нм). Эта сетка пока не стандартизована. Как видно из рис. 3.3, б, мультиплексирование каналов STM-64 с интервалом 50 ГГц недопустимо, поскольку возникает перекрытие спектров соседних каналов.

Рисунок 3.3 - Спектральное размещение каналов в волокне В настоящее время, как известно, налаживается производство мультиплексорных систем с синхронной цифровой иерархией SDH со скоростями передачи на канал 2,5 и 10 Гбит/с. Хотя волокно обеспечивает огромную полосу пропускания, каналы сетей доступа остаются рассчитанными на меньшую скорость. Терминалы, обеспечивающие доступ STM-64, разработаны для создания опорных магистралей и допускают подключение менее скоростных потоков SDH только двух типов: STM-4 и STM-16. В случае необходимости организаИздательский центр УГАС им. А.С. Попова 42 Телекоммуникационные технологии цифровых сетей ции доступа по менее скоростным каналам, например на основе STM-1 или на основе трибных интерфейсов плезиохронной иерархии Е1, Е2, Е3 и т. д., наряду с терминалом STM-64, потребуется дополнительное сетевое устройство, которое будет связываться с терминалом доступа STM-4 или STM-16. Сетевые устройства, предназначенные для каналов STM-16 и более низкоскоростные, допускают реализацию непосредственного доступа.

Поскольку трудно предсказать потребности в распространении полосы пропускания в сетях, то, по-видимому, преимущества будут иметь те архитектуры, которые допускают более плавное наращивание своих ресурсов в более широких пределах. Например, если сравнить два способа наращивания системы до обеспечения скорости потока 800 Гбит/с: 8 х STM-64 и 32 х STM-16, то можно отметить следующее. В первом варианте мы имеем больший шаг наращивания (10 Гбит/с), в то время как во втором варианте при шаге 2,5 Гбит/с наращивание можно осуществлять более плавно. Кроме того, WDM - мультиплексирование при большом числе волновых каналов, последующая их полностью оптическая кросс-коммутация, а также ввод/вывод представляются более простым решением, чем предварительное электронное агрегирование потоков STM-16 в меньшее число потоков STM-64 на терминале SDH.

3.3 Классификация полностью оптических сетей С ростом объема передаваемой информации в сети рано или поздно возникает задача наращивания ее емкости. Эта задача может быть решена при помощи замены коммутационного электронного оборудования в центральных узлах на более мощное (рассчитанное на скорости передачи 1; 2,5 или до 10 Гбит/с и имеющее возможность варьировать механизмами коммутации (АТМ/SDH)), а также при помощи привлечения резервных (ранее не использованных) волокон в проложенных кабелях. Если все резервные волокна исчерпаны, выход один - прокладка нового кабеля по возможности в существующие канализации, но такое решение может оказаться негибким и не всегда быстрым.

Другой путь - привлечение оптических технологий и построение новых магистралей исключительно на основе технологий полностью оптических сетей AON, что позволяет значительно повысить пропускную способность сети, ее гибкость и надежность, не прибегая к переоборудованию существующей части сети.

Все AON можно разбить на три категории:

AON, использующие простые многоволновые линии SMWL (Simple Multi - Wavelength Link);

AON с коммутацией каналов;

AON с коммутацией пакетов.

Первые две категории сетей имеют одну важную характеристику - прозрачность сети по отношению к используемому приложению. Оптическая прозрачность (передача оптического сигнала в формате приложения - кода, частоты модуляции и т. п.) обеспечивается по любому из оптических WDМ каналов от узла-источника до узла-назначения без использования промежуточных устИздательский центр УГАС им. А.С. Попова Телекоммуникационные технологии цифровых сетей ройств преобразования сигнала. Прозрачные AON, кроме чисто пассивных компонентов (мультиплексоров, ответвителей), могут содержать активные элементы, такие, как конфигурируемые волновые маршрутизаторы, коммутаторы, конвертеры. Даже если управление этими устройствами электронное, весь путь распространения сигнала остается оптическим. Электронное управление и контроль требуют меньшей полосы пропускания и используются, в основном, для управления конфигурацией узлов, WDM каналов при удовлетворении различных требований пользователей.