Компьютерные сети. Принц, техн, прот 1-303. Книга переведена на английский, испанский, китайский и португальский языки
 Скачать 5.49 Mb.
|
|
терминальным мультиплексором (Terminal Multiplexer, ТМ), так как они завершают (терминируют) линию связи. В некоторых случаях возникает необходимость подключения пользователей, расположенных не в конечных узлах линии связи, точка – точка, а в некотором промежуточном пункте. Например, в пункте R группа пользователей имеет потребность в обмене данными с точками F и Е. Для решения этой проблемы могли бы быть проложены два дополнительных канала F-R и R-E. Однако, если число пользователей в пункте R невелико, то такое решение вряд ли может быть эффективным. Выход был найден путем разработки нового типа устройства, названного мультиплексором ввода-вывода (Add-Drop Multiplexer, ADM) (рис. 8.1, б). Мультиплексор ввода-вывода первичной сети имеет два магистральных порта  и сравнительно небольшое количество портов для локально подключенных пользователей. Мультиплексор ввода-вывода позволяет вывести (операция Drop) из магистрального канала подканал, направив его данные на входной интерфейс локального пользователя, или ввести (операция Add) данные локального пользователя в магистральный канал. Со временем некоторые первичные сети разрастаются, у них увеличивается количество пользователей и соответственно растет число двухточечных линий связи. Это же происходит при слиянии нескольких первичных сетей. Топология сети приобретает сложный «запутанный» ячеистый вид (рис. 8.2, о). Возникает объективная необходимость связывания преимущественных, магистральных направлений между собой. Мультиплексоры ввода-вывода уже не решают эту проблему. Ключевым элементом в этих случаях становится цифровой кросс-коннектор (Digital Cross-Connect, DXC) – устройство, которое имеет несколько магистральных интерфейсов (а не один, как у терминального мультиплексора, или два, как у мультиплексора ввода-вывода) и может выполнять коммутацию любых подканалов магистральных каналов с каналами пользователей или же коммутировать два любых магистральных канала между собой (рис. 8.2, 6). Кроме того, в состав первичной сети могут входить регенераторы сигналов, необходимые для преодоления ограничений по расстоянию между мультиплексорами. Эти ограничения зависят от мощности оптических передатчиков, чувствительности приемников и затухания волоконно-оптического кабеля. Регенератор преобразует оптический сигнал в электрический и обратно, при этом восстанавливается форма сигнала и его временные характеристики. Регенерацию сигналов могут выполнять также мультиплексоры. Порты мультиплексора (рис. 8.3) делятся на агрегатные и трибутарные. Трибутарные порты часто называют также портами ввода-вывода, а агрегатные – линейными или магистральными портами. Эта терминология отражает типовые топологии первичных сетей, где имеется ярко выраженная магистраль в виде линейной цепи или кольца, по которой передаются потоки данных, поступающие от оборудования пользователей сети через трибутарные порты, втекающие в агрегированный поток («tributary» дословно означает «приток»). Иногда для обозначения агрегатных портов мультиплексора используются названия «Восток» и «Запад» в соответствии с их расположением (левый-правый) на диаграмме сети. Агрегатные порты соединяются волоконно-оптическими кабелями, а трибутарные порты в зависимости от их типа могут работать как на волоконно-оптические кабели, так и на медные.  Рис. 8.2. Назначение кросс-коннекторов в первичных сетях  Оборудование пользователей Рис. 8.3. Простейшая первичная сеть Статичность нагрузки. Иерархия скоростей Еще одна особенность первичных сетей состоит в том, что нагрузка, которая поступает в сеть, не меняется в течение достаточно большого периода времени. Основные параметры этой нагрузки должны быть заранее известны администратору сети. Он должен знать скорость каждого из потоков, поступающих на каждый порт мультиплексора, являются ли эти данные синхронными или асинхронными, кому они предназначаются. На основании этих данных должны быть сконфигурированы все устройства сети, и после этого сеть будет работать в таком автоматическом режиме до тех пор, пока не возникнет потребность в изменении нагрузки. Эта задача упрощается за счет того, что виды нагрузки не являются произвольными. Исторически первичные сети специализируются на передаче синхронного трафика со строго определенными скоростями, кратными скорости элементарного канала DS0, например 2 Мбит/с (30 каналов DS0). Пользовательские потоки данных мультиплексируются в агрегатные потоки также определенной скорости, и скорости агрегатных потоков также образуют свою иерархию, обычно с постоянным коэффициентом кратности, когда скорость следующего уровня в Мраз выше скорости предыдущего уровня. Иерархия скоростей с постоянным коэффициентом кратности облегчает организацию синхронного TDM-мультиплексирования потоков, так как всегда известно, сколько потоков одного уровня может быть мультиплексировано в поток другого уровня. Первичная сеть работает на основе постоянной конфигурации своих мультиплексоров. Это означает, что в каждом мультиплексоре администратором сети создаются таблицы мультиплексирования и коммутации, которые определяют, как пользовательские потоки каждого трибутарного интерфейса без пауз и задержек мультиплексируются в агрегатные потоки, коммутируются на те или иные выходные порты. Эти таблицы учитывают скорости каждого потока, наличие свободных тайм-слотов в агрегатных потоках, в которые нужно мультиплексировать пользовательские потоки (если агрегатный поток рассчитан на мультиплексирование, например, 24 пользовательских потоков, то 25-й в него добавить уже невозможно), и возможности коммутации потоков. После того как конфигурация каждого мультиплексора определена и согласована с конфигурацией остальных мультиплексоров сети, сеть может начать работу. И если конфигурации мультиплексоров были определены администратором сети правильно, то каждый поток данных пользователя будет перемещаться по сети и поступит к получателю с той же скоростью, с которой он поступил на входной порт. Первичная сеть представляет довольно жесткую, статичную систему, работающую в соответствии с одной и той же конфигурацией долговременных каналов. В первичной сети не существует аналогов протоколов маршрутизации компьютерных сетей, которые позволяют автоматически динамично учитывать изменения, происходящие в сети, – добавление новых пользователей, изменение маршрутов прохождения данных в сети и т. п. Отсутствие протоколов маршрутизации связано с тем, что изменения конфигурации первичной сети происходят редко, так что добавление таких протоколов к функциям их мультиплексоров не считается целесообразным. Первичная сеть не всегда работает с полной нагрузкой. Даже в том идеальном случае, когда каждый пользовательский поток постоянно передает байты, несущие полезную информацию (мы знаем, что для компьютерного трафика это невозможно, но возможно для телефонного трафика в течение сеанса связи), в сети, скорее всего, имеются агрегатные каналы, которые в некоторых своих тайм-слотах переносят «пустоту», то есть, по сути, эти слоты не используются. Это происходит из-за того, что сеть всегда проектируется с учетом развития, то есть не на вполне определенное количество пользователей с вполне определенными скоростями своего оборудования, а с некоторым запасом, позволяющим подключать новых пользователей без необходимости покупать и устанавливать новые мультиплексоры. Поэтому агрегатные каналы всегда имеют запас, например, позволяя переносить данные 2000 пользовательских потоков определенной скорости, в то время как у оператора связи имеется около 1500 пользователей. В результате около 500 тайм-слотов просто не используются (лотки конвейера приходят пустыми). При проектировании первичной сети необходимо знать или уметь предвидеть исходные данные о том, в каких географических точках располагаются пользователи сети, какие скорости имеет пользовательское оборудование, между какими пользователями необходимо обеспечить соединения и какой скорости должны быть эти соединения. Если исходные данные были неверны, то в результате может оказаться, что не все требуемые соединения можно выполнить из-за нехватки пропускной способности в некотором участке сети. Эта ситуация незнакома проектировщикам и администраторам компьютерных сетей, так как неверный выбор пропускной способности отдельных сегментов сети может привести к задержкам и потерям пакетов из-за переполнения очередей в буферах маршрутизаторов и коммутаторов, то есть снижению качества соединений, но не к полному их отсутствию. Функции мультиплексора К основным функциям мультиплексора относятся: формирование кадров, отображение пользовательских данных в поле данных кадра, синхронизация (выравнивание скоростей) кадров, мультиплексирование и коммутация. На рис. 8.4 показан типичный фрагмент первичной сети. Рассмотрим работу мультиплексора А. Он имеет два трибутарных порта и два агрегатных порта той же скорости. В его задачу входит передача пользовательских данных с трибутарного порта 1 на агрегатный порт 1, а данных с трибутарного порта 2 – на агрегатный порт 2. Рассмотрим, как он выполняет эту задачу для трибутарного порта 1. Мультиплексор А принимает последовательность байтов пользователя в трибутарный порт, образует из них кадры и в виде кадров передает на соответствующий агрегатный порт.  Важно понимать, что понятие «кадр» в синхронной первичной сети не совпадает с понятиями «кадр» и «пакет» в сетях с коммутацией пакетов. Вспомним, что кадры/пакеты в пакетных сетях определяются как единицы данных, которые могут обрабатываться сетью независимо друг от друга, двигаясь при этом с разной скоростью и по разным маршрутам, буферизоваться, обгонять друг друга и т. д. Разделение данных на кадры в пакетных сетях преследует цель повышения эффективности передачи неравномерного трафика. Совсем по-другому обстоят дела с кадрами, формируемыми в процессе синхронного разделения времени. Кадры синхронного TDM являются нарезкой непрерывного потока данных, передаваемого по составному каналу сети с коммутацией каналов. Они всегда имеют равную величину и следуют синхронно, без пауз друг за другом. В простейшем случае кадры могут состоять только из поля данных без какого-либо заголовка. Однако в развитых технологиях, использующих разделение времени (PDH и SDH), кадры TDM тоже снабжаются заголовком, который содержит вспомогательную информацию, необходимую для локализации и исправления ошибок, реконфигурирования сети, мониторинга качества работы сети, а также синхробайты, необходимые для распознавания начала кадра и его синхронизации. Таким образом, основной целью деления потока на кадры в технологии TDM является эффективность управления сетью. Кадры первичных сетей имеют свои особенности не только по содержанию, но и по форме представления. Последовательность байтов кадра принято изображать в виде матрицы, так как заголовок кадра разбивается на порции, которые периодически вставляются между порциями данных, чтобы обеспечить более равномерное появление данных на выходе мультиплексора SDH, а не задерживать их в буфере на все то время, которое требуется для полного прохождения заголовка кадра. На рис. 8.5, а показана схема преобразования кадра традиционного формата, состоящего из поля заголовка и поля данных, в матрицу. Пусть кадр состоит из 20 байтов, четыре из которых отведены под заголовок: синхробайта С, поля ИД идентификатора мультиплексора-отправителя пользовательских данных и двух байтов контрольной суммы КС. Байты заголовка при передаче кадра через равные интервалы «вклиниваются» в поле данных, образуя кадр с расщепленным заголовком. Эта линейная структура преобразуется в матрицу, в которой первый столбец содержит заголовок кадра. Заметим, что представление кадров с расщепленным заголовком в виде матрицы делается только для удобства понимания, в действительности же содержимое кадров выдается на линию связи в виде последовательности битов.  Рис. 8.5. Особенности представления кадров первичных сетей Важной особенностью кадров первичных сетей (см. рис. 8.5) является то, что значительная часть информации из заголовков характеризует не отдельный кадр, а поток кадров в целом, поля заголовка могут содержать значения, которые не относятся к пользовательским данным, следующим непосредственно за заголовком. Это несколько странное обстоятельство связано с непрерывностью обработки потока байтов синхронным мультиплексором первичной сети без буферизации. Так, контрольная сумма пользовательских данных вычисляется последовательно, байт за байтом в темпе их поступления и становится известной только после приема всех байтов, образующих кадр, в нашем случае - после приема 20 очередных байтов. То есть к моменту вычисления контрольной суммы кадр уже закончился и должен начаться следующий. Поэтому мультиплексор помещает контрольную сумму данных кадра 1 в заголовок кадра 2, другого варианта у него нет. Другой особенностью кадров первичных сетей является организация мультикадров. Мультикадр состоит из нескольких последовательных кадров, в нашем примере – из трех. Мультикадр позволяет расширить некоторое поле заголовка кадра, добавив к нему такие же заголовки других кадров, а затем объявив их общими для всех кадров, входящих в мультикадр. Рассмотрим, например, поле ИД, в котором хранится идентификатор мультиплексора, который сгенерировал кадр. Предположим, что длина идентификатора 3 байта. Однако вместо того, чтобы отводить под идентификатор 3 байта в каждом кадре, его сделали равным одному байту и распределили это поле по полям ИД трех кадров мультикадра – первый байт поля ИД поместили в первый кадр мультикадра, второй – во второй, третий – в третий кадр. Информация, находящаяся в поле ИД, не меняется от мультикадра к мультикадру – она представляет собой часть конфигурации сети, которая, как замечено, меняется редко. Мультиплексоры сети, получающие кадры от мультиплексора А, периодически считывают байты поля ИД и составляют полный идентификатор из двух последовательных байтов этого поля, полученных от двух кадров, входящих в мультикадр. Если бы идентификатор состоял не их двух, а из 20 байтов, то мультикадр нужно было бы составлять из 20 последовательных кадров. В процессе формирования кадра одновременно с добавлением к байтам пользователя байтов заголовка кадра мультиплексор выполняет операцию выравнивания скорости пользовательских данных и скорости кадра, который передается на агрегатный порт мультиплексора. Несмотря на то что пользовательское оборудование первичной сети должно вырабатывать данные со строго определенной скоростью, всегда существует возможность незначительной рассинхронизации таймера пользовательского оборудования и таймера мультиплексора. Кроме того, необходимость в выравнивании скоростей возникает в том случае, если данные пользователя при поступлении на вход мультиплексора были перекодированы, что изменило их объем (а значит, и скорость). Для выравнивания скоростей применяются такие приемы, как вставка «пустых» байтов в поле кадра в том случае, когда пользовательский поток отстает от мультиплексора, или же помещение байта пользователя в специально зарезервированное поле заголовка кадра, когда пользовательский поток «спешит» и посылает байт слишком рано, когда время его отправки на агрегатный интерфейс еще не наступило. Мультиплексирование потоков нужно для того, чтобы вместо нескольких агрегатных каналов, как это имеет место в примере между мультиплексорами А и В, можно было применить только один агрегатный канал, но работающий на более высокой скорости. Это позволяет экономить физические каналы связи. На рис. 8.4 агрегатные каналы с мультиплексированием используются между мультиплексорами В и С, С и D и др. Мультиплексирование выполняется в соответствии с техникой TDM-мультиплексирования (см. главу 7). Технологии первичных сетей Существует несколько поколений технологий первичных сетей: плезиохронная цифровая иерархия (Plesiochronous Digital Hierarchy, PDH); синхронная цифровая иерархия (Synchronous Digital Hierarchy, SDH) – этой технологии в Америке соответствует стандарт SONET; уплотненное волновое мультиплексирование (Dense Wave Division Multiplexing, DWDM); оптические транспортные сети (Optical Transport Network, OTN), позволяющие определять способы передачи данных по волновым каналам DWDM. В технологиях PDH, SDH и OTN данные передаются в цифровой форме, а для разделения высокоскоростного канала применяется временное мультиплексирование (TDM, см. главу 7). Каждая из этих технологий поддерживает некоторую иерархию скоростей. Это свойство позволяет создавать структурированные сети с высокоскоростной магистралью и менее скоростными сетями доступа. Пользователь такой сети может выбрать подходящую ему скорость каналов доступа, к которым он будет подключать свое оборудование. В технологии DWDM мультиплексирование выполняется на уровне световых волн, то есть в одном оптическом волокне проходит несколько десятков волновых каналов, каждый из которых может переносить информацию независимо от других. Это позволило существенно повысить пропускную способность современных телекоммуникационных сетей. Первые сети DWDM переносили сигналы SDH и работали со скоростями до 10 Гбит/с на каждой волне. Впоследствии для более эффективного использования волновых каналов DWDM была разработана технология OTN, которая позволяет передавать по волновым каналам сигналы любых технологий, включая PDH, SDH, Gigabit Ethernet, 10 G Ethernet и 100 G Ethernet. Сети DWDM не являются собственно цифровыми сетями, поскольку лишь предоставляют своим пользователям выделенную световую волну для передачи информации, которую те могут применять по своему усмотрению и передавать по ней данные как в аналоговой, так и в дискретной (цифровой) форме. Скорость передачи DWDM зависит от того, какой алгоритм дискретного кодирования применяет технология более высокого уровня на каждой волне, например, это может быть кодирование NRZ технологии SDH или амплитудно-фазовое кодирование технологии OTN. На рис. 8.6 представлена модель, в соответствии с которой для сетей с коммутацией пакетов, например сетей Ethernet, первичные сети представляют услуги нижележащего физического уровня. Между технологиями первичных сетей также существуют многоуровневые отношения. Так, сети PDH и SDH могут предоставлять транспортный сервис непосредственно (не прибегая к услугам первичных сетей других технологий), при этом для уровня Ethernet это будут услуги PDH или SDH. В то же время SDH может переносить в своих кадрах кадры PDH, тогда для уровня Ethernet такая услуга будет выглядеть как услуга PDH, а для администратора первичной сети – как услуга PDH/SDH. Технологии SDH и OTN могут работать как цифровые оболочки DWDM, кроме того, OTN может переносить кадры SDH. Из рисунка также видно, что технология OTN не может работать самостоятельно, без участия DWDM, a PDH никогда прямо не обращается к DWDM. На рисунке в качестве примера показаны все варианты организации услуги SDH: SDH, SDH/ DWDM и SDH/OTN/DWDM. Читателю предоставляется возможность самостоятельно найти другие допустимые комбинации взаимодействия технологий первичных сетей.  |