Технологии коммутации цифровых потоков

Одна из проблем, которую приходится решать при передаче цифровых данных, это объединение (мультиплексирование) несколько низкоскоростных потоков данных в один высокоскоростной и выделение из высокоскоростного потока потоков абонентов.

В настоящее время для абонентских каналов использу­ются:

частотное мультиплексирование (Frequency Division Multiplexing);

волновое мультиплексирование (Wave Division Multiplexing, WDM).

временное мультиплексирование (Time Division Multiplexing, TDM);

множественный доступ с кодовым разделением (Code Division Multiple Access, CDMA).

Технология коммутации каналов на основе разделения времени TDM (Time Division Multiplexing).Впервые данная технология была применена в 1957 году. Эта технология является преобладающей для организации местного доступа к сетям. Использование технологии TDM позволило увеличить пропускную способность волоконно-оптических линий связи до 10 Гбит/с. Основой коммутации в этом случае является мультиплексирование, при котором объединяются несколько входных низкоскоростных каналов связи в один составной высокоскоростной. Аппаратура TDM-сетей (мультиплексоры, коммутаторы и демультиплексоры) работает в режиме разделения времени, поочередно обслуживая в течение цикла своей работы все входные каналы.

Цикл работы оборудования TDM равен 125 мкс, что соответствует интервалам между отсчетами голоса в цифровом абонентском канале. Каждому соединению выделяется один квант времени (тайм-слот) цикла работы аппаратуры. Мультиплексор принимает информацию по N входным каналам от конечных абонентов, каждый из которых передает данные со скоростью 64 Кбит/с – один байт каждые 125 мкс.

Демультиплексор распределяет байты входного потока по выходным каналам. При этом считается, что порядок байта в потоке соответствует номеру выходного канала. Для того чтобы демультиплексировать полученную последовательность на принимающем конце линии связи, тактовой синхронизации недостаточно, так как в получаемом потоке бит необходимо определить начало первого тайм-слота. С этой целью передающий мультиплексор с определенной периодичностью вставляет в цифровой поток фиксированную синхронизирующую битовую последовательность. Такой вид синхронизации называют кадровой.

Количество обслуживаемых мультиплексором каналов зависит от скорости. Например, для мультиплексора Е1 – это 32 входных основных цифровых канала DSO по 64 Кбит/с, выходная скорость составляет 2, 048 Мбит/с. При этом один канал DSO используется для синхронизации и передачи системного статуса, еще один канал для организации общего канала сигнализации, а 30 каналов DSO составляют полезную нагрузку. Канал сигнализации используется для установки и разрыва телефонных соединений. Таким образом, кадр (фрейм) потока Е1 состоит из 32-х тайм-слотов по 8 бит, частота следования кадров составляет 8000 Гц.

Коммутатор записывает байты в память и заново формирует поток, ставя байт в нужное место (соответствующее номеру выходного канала). Выделенный номер тайм-слота все время остается в распоряжении входного канала (даже если по нему ничего не передается).

Мультиплексор обычно при построении выходной последовательности использует символьное чередование, как это показано на рис.46. Чередование символов (байт) применяется при мультиплексировании вплоть до получения цифрового потока Е1.

Рис. 46. Временное мультиплексирование с символьным чередованием

syn – синхронизирующая последовательность

Плезиохорная цифровая иерархия. Развитие схем мультиплексирования привело к появлению различных цифровых иерархий. Для европейских стран на основе первичного канала E1 [23] путем дальнейшего мультиплексирования получают последовательности E2, E3, E4, E5 со скоростями 8448, 34368, 139264, 564992 Кбит/с. Полученные последовательности образуют плезиохронную цифровую иерархию, PDH (Plesiohronous Digital Hierarhy). При мультиплексировании потоков E2…E4 используется чередование бит, а не байт. Поскольку мультиплексор не формирует структур, которые определяют позицию бита каждого канала, а входные скорости разных каналов могут не совпадать, то мультиплексор сам выравнивает скорости входных потоков, например, путем добавления нужного числа выравнивающих бит в каналы с меньшими скоростями. Демультиплексоры удаляют добавленные биты и восстанавливают исходные цифровые последовательности.

Такой метод мультиплексирования приводит к тому, что непосредственно из потока E4 невозможно выделить менее скоростной поток, например DSO, а необходимо произвести демультиплексирование с удалением выравнивающих бит по схеме E4-E3-E2-E1-DSO. Кроме того, в плезиохронной цифровой иерархии не предусмотрены специальные заголовки для маршрутизации потоков данных. Поскольку в данных сетях не используется внешняя синхронизация, то потеря бита приводила к потере информации и нарушению синхронизации. В таком случае неверно полученные кадры отбрасывались.

Синхронная цифровая иерархия (SDH). Эта иерархия была представлена в 1988 году и имеет более совершенные методы мультиплексирования, при которых отдельные фрагменты цифрового потока снабжаются заголовками. В SDH на всех уровнях используется символьное (побайтное) чередование при мультиплексировании. В качестве основного формата синхронного сигнала был принят синхронный транспортный модуль STM-1, имеющий скорость передачи 155, 52 Мбит/с. Технология SDH является базовой для построения корпоративных и транспортных сетей.

Мультиплексоры SDH рассчитаны на стандартизованные входные каналы, которые принято называть трибами. Каналы PDH также считаются трибами.

Структура фрейма формируется из структур нижнего уровня, при этом несколько структур одного уровня могут быть объединены в одну более мощную структуру. Фрейм представляется в виде некоторого виртуального контейнера стандартного размера, имеющего заголовок, где собраны поля для управления и маршрутизации, и внутреннюю емкость, для размещения полезной нагрузки. В качестве полезной нагрузки могут служить контейнеры меньшего размера. Трибы также упаковываются в контейнеры. На рис. 47 приведен пример формирования трибного блока. Триб E1 содержит 32 байта (скорость потока = 32*8*8000=2048 кбит/с), добавление 2-х байт образует контейнер С12, добавление заголовка POH в один байт порождает виртуальный контейнер VC12, после добавление указателя размещения виртуального контейнера PTR получается трибный блок TU12, содержащий 36 байт. Трибные блоки могут объединяться в группы, например три блока TU12 образуют группу TUG2. На каждый виртуальный контейнер заводится указатель PTR, содержащий фактический адрес начала виртуального контейнера в области, отведенной под полезную нагрузку.

Рис. 47. Пример формирования трибных блоков TUG2

На рис.48 показана схема формирования транспортного модуля STM-1 из трибов E1. На рисунке указаны размеры элементов в байтах.

Рис. 48. Пример схемы формирования синхронного транспортного модуля

В сети SDH определены [22] следующие типы виртуальных контейнеров VC для транспортировки основных типов блоков данных PDH: VC-11(1, 5 Мбит/с), VC-12 (2 Мбит/с), VC-2 (6 Мбит/с), VC-3 (34 Мбит/с), VC-4 (140 Мбит/с). Наличие указателя обеспечивает возможность коммутации виртуального контейнера, поэтому в каждом мультиплексоре имеется таблица соединений, содержащая записи вида: «VC-12 порта Р1 соединен с VC-12 порта Р5».

Если скорость поступления данных, например 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 незначащих байта в данные виртуального контейнера, после чего продолжает заполнение VC-4 «подоспев­шими» за время паузы пользовательскими данными. Указатель наращивается на единицу, что отражает запаздывание начала очередного контейнера VC-4 на три байта. Эта операция над указателем называется положительным выравнивани­ем.

Синхронный транспортный модуль STM-1 представляет собой фрейм размером 270*9=2430 байт, который при частоте повторения 8000 Гц дает скорость 2430*8*8000=155, 52 Мбит/с. Один кадр STM-1 может реализовать различные варианты входных триб, например: один поток Е4 или 63 потока Е1, или 1 поток Е3 и 42 потока Е1.

В STM-1 первые 9 столбцов фрейма определяют его заголовок. Структура фрейма STM-1 показана на рис. 49.

Рис. 49. Структура кадра STM-1 и принцип действия указателя

Фрейм STM-1 можно представить в виде контейнера стандартного размера, имеющего заголовок и поле для размещения полезной нагрузки. Первые 9 байт содержат сигнал синхронизации фрейма FAS (Frame Alignment Signal). Далее 261 байт полезной нагрузки. В заголовке содержится также RSOH (Regenerator Section Overhead), указатель Pointer и MSOH (Multiplexer Section Overhead). Начало полезной нагрузки определяется значением указателя и следует после него. Следовательно, полезная нагрузка размещена в двух смежных фреймах (кадрах).

Заголовок регенераторной секции RSOH содержит синхронизирующую последовательность, байты контроля ошибок, три байта канала передачи данных, указатели положения начала виртуальных контейнеров, а также резервные байты.

Заголовок мультиплексной секции MSOH содержит байты контроля этой секции, 6 байт канала передачи данных, а также другие служебные и резервные байты.

Полезная нагрузка может содержать один виртуальный контейнер VC4 или три виртуальных контейнера меньших размеров VC3.

В SDH определены также потоки STM-4, STM-16, STM-64, STM-256. Скорости последующего потока в 4 раза выше скорости предыдущего.

Стек протоколов SDH включает 4 уровня протоколов [22], его схема показана на рис.50.

Физический уровень, называемый также в стандартах фотонным (photonic) имеет дело с кодированием битов информации. Используется потенциальный код без возврата к нулю с инверсией при единице NRZI (Non Return to Zero with ones Inverted) При этом методе кодирования передаче нуля соответствует уровень сигнала, который был установлен в предыдущем битовом интервале (уровень сигнала не меняется), а при передаче единицы – уровень изменяется на противоположный. Пример кодирования NRZI приведен на рис.51.

Рис. 50. Стек протоколов технологии SDH

Уровень секции (section) поддерживает физическую целостность системы. Секцией в технологии SDH называют каждый непрерывный отрезок оптоволоконного кабеля, который соединяет пару устройств SDH (например, мультиплексор, регенератор). Секцию часто называют также регенераторной секцией. Протокол регенераторной секции имеет дело с определенной частью заголовка кадра, которая называется заголовком регенераторной секции (RSOH), и на основе служебной информации может проводить тестирование секции и поддерживать операции административного контроля.

Рис.51. Примеры линейного кодирования

Уровень линии (line). Отвечает за передачу данных между мультиплексорами. Протокол работает с кадрами STM-N, выполняя мультиплексирование и демультиплексирование, а также вставку и удаление пользовательских данных. Этот протокол отвечает также за проведение операций по реконфигурированию линии в случае отказа какого-то ее сегмента – оптоволокна, порта или соседнего мультиплексора. Линию часто называют также мультиплексной секцией.

Уровень тракта (path). Отвечает за доставку данных между двумя конечными пользователями сети. Тракт (путь) — это составное виртуальное соединение между пользователями. Протокол тракта должен принимать данные, поступающие в пользовательском формате (например, в формате E1) и преобразовывать их в синхронные кадры STM-N.

Метод волнового мультиплексирования (WDM) основан на прин­ципе частотного разделения каналов в волоконно-оптическом кабеле, при этом используются волны в окнах прозрачности 850 до 1565 нм, что соответствует частотам 196 и 350 ТГц.

В основе метода лежит техника частотного мультиплексирования FDM, разработанная для теле­фонных сетей. Каждому соединению выделяется свой диапазон частот в общей полосе пропускания линии связи. Шаг между неущими составляет 400…800 ГГц.

В магистральных каналах применяется уплотненное волновое мультиплексирова­ние (Dense Wave Division Multiplexing, DWDM). В этом случае мультиплексируется от 16 до 160 каналов в окне прозрачности 1500 нм. Каждая волна может переносить информацию со скоростью до 10 Гбит/с (планируется до 80 Гбит/с).

Рекомендации G.692 ITU-T для DWDM определено два частотных плана в диапазоне от 1528, 77 до 1560, 61 нм (196, 1… 192, 1 ТГц) с разделение частот между соседними каналами 100 ГГц (41 волна) и 50 ГГц (81 волна). На каждой волне может передаваться либо дискретная либо аналоговая информация.