332
Глава 11. Первичные сети
Виртуальная конкатенация расширяет возможности смежной конкатенации за счет ис
пользования при объединении виртуальных контейнеров не только типа VC-4, но и других типов: VC-3 (34 Мбит/с), VC-12 (2 Мбит/с), VC-11 (1,5 Мбит/с) и VC-2 (6 Мбит/с). При этом объединяться могут лишь виртуальные контейнеры одного типа, например только
VC-З или только VC-12.
Кроме того, коэффициент кратности при объединении может быть любым от 1 до мак
симального числа, определяемого емкостью кадра STM-N, применяемого для передачи объединенного контейнера. При виртуальной конкатенации объединенный контейнер обозначается как VC-N-Mv, где N — тип виртуального контейнера, а М — кратность его использования, например, VC-3-21v.
Название «виртуальная конкатенация» отражает тот факт, что только конечные муль
типлексоры (то есть тот мультиплексор, который формирует объединенный контейнер из пользовательских потоков, и тот мультиплексор, который его демультиплексирует в пользовательские потоки) должны понимать, что это — конкатенированный контейнер.
Все промежуточные мультиплексоры сети SDH рассматривают составляющие виртуаль
ные контейнеры как независимые и могут передавать их к конечному мультиплексору по разным маршрутам. Конечный мультиплексор выдерживает некоторый тайм-аут перед демультиплексированием пользовательских потоков, что может быть необходимо для прибытия всех составляющих контейнеров в том случае, когда они передаются по разным маршрутам.
Виртуальная конкатенация позволяет намного эффективнее расходовать пропускную способность сети SDH при передаче трафика Ethernet. Например, чтобы передавать один поток Fast Ethernet 100 Мбит/с, в сети STM-16 можно применить виртуальную конкате
нацию VC-12-46v, которая обеспечивает пропускную спосрбность для пользовательских данных 100,096 Мбит/с (то есть дает почти 100-процентную загрузку объединенного контейнера), а оставшиеся 206 контейнеров VC-12 (кадр STM-4 вмещает 63 х 4 = 252 кон
тейнера VC-12) задействовать как для передачи других потоков Fast Ethernet, так и для передачи голосового трафика.
Схема динамического изменения пропускной способности линии (Link Capacity
Adjustment Scheme, LCAS) является дополнением к механизму виртуальной конкатена
ции. Эта схема позволяет исходному мультиплексору, то есть тому, который формирует объединенный контейнер, динамически изменять его емкость, присоединяя к нему или отсоединяя от него виртуальные контейнеры. Для того чтобы добиться нужного эффекта, исходный мультиплексор посылает конечному мультиплексору специальное служебное сообщение, уведомляющее об изменении состава объединенного контейнера.
Общая процедура инкапсуляции данных (Generic Framing Procedure, GFP) предназначена для упаковки кадров различных протоколов компьютерных сетей в кадр единого формата и передачи его по сети SDH. Такая процедура полезна, так как она решает несколько задач, общих при передаче данных компьютерных сетей через сети SDH. В эти задачи входят выравнивание скорости компьютерного протокола со скоростью виртуального контейнера
SDH, используемого для передачи компьютерных данных, а также распознавание начала кадра.
□ Выравнивание скорости компьютерного протокола и скорости виртуального контейнера
SDH, используемого для передачи компьютерных данных. Например, если мы применя
ем объединенный контейнер VC-12-46v для передачи кадров Fast Ethernet, то нужно выровнять скорости 100 и 100,096 Мбит/с. Процедура GFP поддерживает два режима
Сети DWDM
333работы:
GFP-F (кадровый режим, или Frame Mode) и
G FP-Т (прозрачный режим, или
Transparent Mode). В режиме GFP-F проблема выравнивания скоростей решается обыч
ным для компьютерных сетей способом — поступающий кадр полностью буферизуется, упаковывается в формат GFP, а затем со скоростью соединения SDH передается через сеть. Режим GFP-Т предназначен для чувствительного к задержкам трафика, в этом режиме кадр полностью не буферизуется, а побитно по мере поступления передается в сеть SDH (предварительно снабженный служебными полями GFP). Для выравнива
ния скоростей в режиме GFP-Т применяются специальные служебные «пустые» кадры
GFP, которые посылаются в те моменты, когда рассогласование приводит к отсутствию пользовательских битов у исходного мультиплексора SDH.
□
Распознавание начала кадра. Соединение SDH представляет для пользователя поток битов, разбитый на кадры SDH, начало которых никак не связано с началом кадра поль
зователя. Процедура GFP позволяет принимающему мультиплексору SDH распознать начало каждого пользовательского кадра, что необходимо для его извлечения из потока битов, проверки его корректности и передачи на выходной интерфейс в сеть пользо
вателя. В процедуре GFP для распознавания начала кадра служит его собственный заголовок, который состоит из поля длины размером в два байта и поля контрольной суммы поля длины также размером в два байта. Для того чтобы «поймать» начало кадра, мультиплексор SDH последовательно смещается бит за битом по полученным данным, для каждого такого смещения вычисляет контрольную сумму для первых двух байтов данных, которые должны быть полем длины, и сравнивает вычисленное значение со значением, находящимся во вторых двух байтах данных. Если эти значения совпадают, мультиплексор считает, что данное смещение в полученных данных соответствует на
чалу кадра — и с большой степенью вероятности так оно и есть. Если же значения не совпадают, это значит, что начало кадра не соответствует текущему смещению, тогда мультиплексор смещается на один бит дальше и повторяет свои вычисления. В конце концов, он
доходит до положения, когда первый бит смещения действительно является первым битом поля длины кадра, при этом вычисляемая контрольная сумма совпадает с помещенной в кадр, и процесс распознавания заканчивается успешно. После этого мультиплексор долгое время находится в синхронизме с поступающими кадрами, то есть он постоянно с первого раза находит начало кадра — до тех пор, пока из-за каких-то помех не произойдет рассинхронизация и ему не придется методом последовательных смещений опять искать начало кадра.
Кроме описанных двух функций процедура GFP поддерживает еще ряд функций, полезных при передаче компьютерных данных по сетям SDH.
Сети DWDMТехнология уплотненного волнового мультиплексирования (Dense Wave Division
Multiplexing, DWDM), предназначена для создания оптических магистралей нового по
коления, работающих на мультигигабитных и терабитных скоростях. Такой революцион
ный скачок производительности обеспечивает принципиально иной, нежели у SDH, метод мультиплексирования — информация в оптическом волокне передается одновременно большим количеством световых волн — лямбд — термин возник в связи с традиционным для физики обозначением длины волны
X.
334
Глава 11. Первичные сети
Сети DWDM работают по принципу коммутации каналов, при этом каждая световая волна представляет собой отдельный спектральный канал и несет собственную информацию.
Оборудование DWDM не занимается непосредственно проблемами передачи данных на каждой волне, то есть способом кодирования информации и протоколом ее передачи. Его основными функциями являются операции мультиплексирования и демультиплексирова
ния, а именно — объединение различных волн в одном световом пучке и выделение инфор
мации каждого спектрального канала из общего сигнала. Наиболее развитые устройства
DWDM могут также коммутировать волны.
В Н И М А Н И Е -------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
Технология DWDM является революционной не только потому, что в десятки раз повышает верхний
предел скорости передачи данных по оптическому волокну, но и потому, что открывает новую эру
в технике мультиплексирования и коммутации, выполняя эти операции над световыми сигналами без
преобразования их в электрическую форму. Во всех других технологиях, в которых световые сигналы
также используются для нередачи информации по оптическим волокнам, например SDH и Gigabit
Ethernet, световые сигналы обязательно преобразуются в электрические и только потом их можно
мультиплексировать и коммутировать.
Первым применением технологии DWDM были протяженные магистрали, предназна
ченные для связи двух сетей SDH. При такой простейшей двухточечной топологии спо
собность устройств DWDM выполнять коммутацию волн является излишней, однако по мере развития технологии и усложнения топологий сетей DWDM эта функция становится востребованной.
Принципы работы
Сегодня оборудование DWDM позволяет передавать по одному оптическому волокну
32 и более волн разной длины в окне прозрачности 1550 нм, при этом каждая волна может переносить информацию со скоростью до 10 Гбит/с (при условии применения для пере
дачи информации на каждой волне протоколов технологии STM или 10 Gigabit Ethernet).
В настоящее время ведутся работы по повышению скорости передачи информации на одной длине волны до 40-80 Гбит/с.
У технологии DWDM имеется предшественница — технология волнового мультиплекси
рования (Wave Division Multiplexing, WDM), в которой используется четыре спектральных канала в окнах прозрачности 1310 нм и 1550 нм с разносом несущих в 800-400 ГГц. (По
скольку стандартной классификации WDM не существует, встречаются системы WDM и с другими характеристиками.)
Мультиплексирование DWDM называется «уплотненным» из-за того, что в нем исполь
зуется существенно меньшее расстояние между длинами волн, чем в WDM. На сегодня рекомендацией G.692 сектора ITU-T определены два частотных плана (то есть набора частот, отстоящих друг от друга на некоторую постоянную величину):
□ частотный план с шагом (разнесением частот между соседними каналами) 100 ГГц
(АX « 0,8 нм), в соответствии с которым для передачи данных применяется 41 волна в диапазоне от 1528,77 (196,1 ТГц) до 1560,61 нм (192,1 ТГц);
□ частотный план с шагом 50 ТТц (АX « 0,4 нм), позволяющий передавать в этом же диа
пазоне 81 длину волны.
Сети DWDM
335Некоторыми компаниями выпускается также оборудование, называемое оборудованием
высокоуплотненного волнового мультиплексирования (High-Dense WDM, HDWDM), способное работать с частотным планом с шагом
25 ГГц (сегодня это чаще всего экспери
ментальные образцы, а не серийная продукция).
Реализация частотных планов с шагом 50 и 25 ГГц предъявляет гораздо более жесткие требования к оборудованию DWDM, особенно в том случае, если каждая волна переносит сигналы со скоростью модуляции 10 Гбит/с и выше (STM-64, 10GE или STM-256). Еще раз подчеркнем, что сама технология DWDM (как и WDM) не занимается непосред
ственно кодированием переносимой на каждой волне информации — это проблема более высокоуровневой технологии, которая пользуется предоставленной ей волной по своему усмотрению и
может передавать на этой волне как дискретную, так и аналоговую инфор
мацию. Такими технологиями могут быть SDH или 10 Gigabit Ethernet. Теоретически зазоры между соседними волнами в 50 ГГц и даже 25 ГГц позволяют передавать данные со скоростями 10 Гбит/с, но при этом нужно обеспечить высокую точность частоты и ми
нимально возможную ширину спектра несущей волны, а также снизить уровень шумов, чтобы минимизировать эффект перекрытия спектра (рис. 11.14).
STM-64 при интервале 100 ГГц
STM-16 при интервале 100 ГГц
STM-64 при интервале 50 ГГц
STM-16 при интервале 50 ГГц
Рис. 11.14. Перекрытие спектра соседних волн для разных частотных планов и скоростей передачи данных
Волоконно-оптические усилителиПрактический успех технологии DWDM, оборудование которой уже работает на маги
стралях многих ведущих мировых операторов связи, во многом определило появление волоконно-оптических усилителей. Эти оптические устройства непосредственно усили
вают световые сигналы в диапазоне 1550 нм, исключая необходимость промежуточного преобразования их в электрическую форму, как это делают регенераторы, применяемые в сетях SDH. Системы электрической регенерации сигналов весьма дороги и, кроме того, зависят от протокола, так как они должны воспринимать определенный вид кодирования сигнала. Оптические усилители, «прозрачно» передающие информацию, позволяют на
ращивать скорость магистрали без необходимости модернизировать усилительные блоки.
Протяженность участка между оптическими усилителями может достигать 150 км и бо
лее, что обеспечивает экономичность создаваемых магистралей DWDM, в которых длина мультиплексной секции составляет на сегодня 600-3000 км при применении от 1 до 7 промежуточных оптических усилителей.
336
Глава 11. Первичные сети
В рекомендации ITU-T G.692 определено три типа усилительных участков, то есть участ
ков между двумя соседними мультиплексорами DWDM:
□ L (Long) — участок состоит максимум из 8 пролетов волоконно-оптических линий связи и 7 оптических усилителей, максимальное расстояние между усилителями — до
80 км при общей максимальной протяженности участка 640 км;
□ V (Very long) — участок состоит максимум из 5 пролетов волоконно-оптических линий связи и 4 оптических усилителей, максимальное расстояние между усилителями — до
120 км при общей максимальной протяженности участка 600 км;
□ U (Ultra long) — участок без промежуточных усилителей длиной до 160 км.
Ограничения на количество пассивных участков и их длину связаны с деградацией опти
ческого сигнала при оптическом усилении. Хотя оптический усилитель восстанавливает мощность сигнала, он не полностью компенсирует эффект хроматической дисперсии
(то есть распространения волн разной длины с разной скоростью, из-за чего сигнал на приемном конце волокна «размазывается»), а также другие нелинейные эффекты. Поэто
му для построения более протяженных магистралей необходимо между усилительными участками устанавливать мультиплексоры DWDM, выполняющие регенерацию сигнала путем его преобразования в электрическую форму и обратно. Для уменьшения нелинейных эффектов в системах DWDM применяется также ограничение мощности сигнала.
Оптические усилители используются не только для увеличения расстояния между муль
типлексорами, но и устанавливаются внутри самих мультиплексоров. Если мультиплек
сирование и кросс-коммутация выполняются исключительно оптическими средствами без преобразования в электрическую форму, то сигнал при пассивных оптических преоб
разованиях теряет мощность и перед передачей в линию его нужно усиливать.
Новые исследования привели к появлению усилителей, работающих в так называемом
L-диапазоне (4-е окно прозрачности), от 1570 до 1605 нм. Использование этого диапазо
на, а также сокращение расстояния между волнами до 50 и 25 ГГц позволяет нарастить количество одновременно передаваемых длин волн до 80-160 и более, то есть обеспечить передачу трафика со скоростями 800 Г бит/с-1,6 Тбит/с в одном направлении по одному оптическому волокну. С успехами DWDM связано еще одно перспективное технологи
ческое направление — полностью оптические сети. В таких сетях все операции по муль
типлексированию/демультиплексированию, вводу-выводу и кросс-коммутации (марш
рутизации) пользовательской информации выполняются без преобразования сигнала из оптической формы в электрическую. Исключение преобразований в электрическую форму позволяет существенно удешевить сеть. Однако возможности оптических технологий пока еще недостаточны для создания масштабных полностью оптических сетей, поэтому их практическое применение ограничено фрагментами, между которыми выполняется электрическая регенерация сигнала.
Типовые топологии
Хронологически первой областью применения технологии DWDM (как и технологии
SDH) стало создание сверхдальних высокоскоростных магистралей, имеющих топологию
двухточечной цепи (рис. 11.15).
Для организации такой магистрали достаточно в ее конечных точках установить терми
нальные мультиплексоры DWDM, а в промежуточных точках — оптические усилители, если этого требует расстояние между конечными точками.
Сети DWDM
і Х,2вч= та^^3
ЧІЬ±ТерминальныймультиплексорDWDMХі
SDH^
SDH^
• ^31
*■32
— H
ОптическийусилительA X
Vу=
Оптический
усилитель
Терминальный
мультиплексор
DWDM
^2
I
xsiJ
:
|
d h
^32
I^ SD H
Оборудование компьютерной сети (маршрутизаторы, коммутаторы)
Рис. 11.15. Сверхдальняя двухточечная связь на основе терминальных
мультиплексоров DWDM
В приведенной на рисунке схеме дуплексный обмен между абонентами сети происходит за счет однонаправленной передачи всего набора волн по двум волокнам. Существует и дру
гой вариант работы сети DWDM, когда для связи узлов сети используется одно волокно.
Дуплексный режим достигается путем двунаправленной передачи оптических сигналов по волокну — половина волн частотного плана передают информацию в одном направлении, половина — в обратном.
Естественным развитием топологии двухточечной цепи является цепь с промежуточными подключениями, в которой промежуточные узлы выполняют функции мультиплексоров ввода-вывода (рис. 11.16).
Рис. 11.16. Цепь DWDM с вводом-выводом в промежуточных узлах
338Глава 11. Первичные сети
Оптические мультиплексоры ввода-вывода (Optical Add-Drop Multiplexer, OADM) могут вывести из общего оптического сигнала волну определенной длины и ввести туда сигнал этой же длины волны, так что спектр транзитного сигнала не изменится, а соединение бу
дет выполнено с одним из абонентов, подключенных к промежуточному мультиплексору.
OADM поддерживает операции ввода-вывода волн сугубо оптическими средствами или с промежуточным преобразованием в электрическую форму. Обычно полностью оптиче
ские (пассивные) мультиплексоры ввода-вывода могут отводить небольшое число волн, так как каждая операция вывода требует последовательного прохождения оптического сигнала через оптический фильтр, который вносит дополнительное затухание. Если же мультиплексор выполняет электрическую регенерацию сигнала, то количество выводимых волн может быть
любым в пределах имеющегося набора волн, так как транзитный оптиче
ский сигнал предварительно полностью демультиплексируется.
Кольцевая топология (рис. 11.17) обеспечивает живучесть сети DWDM за счет резервных путей. Методы защиты трафика, применяемые в DWDM, аналогичны методам в SDH (хотя в DWDM они пока не стандартизованы). Для того чтобы какое-либо соединение было защищено, между его конечными точками устанавливаются два пути: основной и резерв
ный. Мультиплексор конечной точки сравнивает два сигнала и выбирает сигнал лучшего качества (или сигнал, заданный по умолчанию).
По мере развития сетей DWDM в них все чаще будет применяться
ячеистая топология (рис. 11.18), которая обеспечивает лучшие показатели в плане гибкости, производитель
ности и отказоустойчивости, чем остальные топологии. Однако для реализации ячеистой топологии необходимо наличие
оптических кросс-коннекторов (Optical Cross-Connector,
ОХС), которые не только добавляют волны в общий транзитный сигнал и выводят их от
туда, как это делают мультиплексоры ввода-вывода, но и поддерживают произвольную коммутацию между оптическими сигналами, передаваемыми волнами разной длины.
Сети DWDM
339
Оптические мультиплексоры ввода-вывода
Оптический мультиплексор выполняет операции смешения нескольких длин волн в общий сигнал, а также выделения волн различной длины из общего сигнала.
Для выделения волн в мультиплексоре могут использоваться разнообразные оптические механизмы. В оптических мультиплексорах, поддерживающих сравнительно небольшое количество длин волн в волокне, обычно 16 или 32, применяются тонкопленочные филь
тры. Они состоят из пластин с многослойным покрытием, в качестве такой пластины на практике применяется торец оптического волокна, скошенный под углом 30-45°, с нане
сенным на него слоями покрытия. Для систем с большим числом волн требуются другие принципы фильтрации и мультиплексирования.
В мультиплексорах DWDM применяются интегрально выполненные дифракционные
фазовые решетки, или дифракционные структуры (Arrayed Waveguide Grating, AWG).
Функции пластин в них выполняют оптические волноводы или волокна. Приходящий мультиплексный сигнал попадает на входной порт (рис. 11.19, а). Затем этот сигнал про
ходит через волновод-пластину и распределяется по множеству волноводов, представ
ляющих дифракционную структуру AWG. Сигнал в каждом из волноводов по-прежнему является мультиплексным, а каждый канал (к\, Я.
2
, А т) остается представленным во всех волноводах. 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 макси
мумы интенсивности, соответствующие разным каналам. Геометрия волновода-пластины, в частности расположение выходных полюсов, и значения длины волноводов структуры
AWG рассчитываются^гакйм образом, чтобы интерференционные максимумы совпадали с выходными полюсами. Мультиплексирование происходит обратным путем.
Другой способ построения мультиплексора базируется не на одной, а на паре волноводов- пластин (рис. 11.19, б). Принцип действия такого устройства аналогичен предыдущему случаю за исключением того, что здесь для фокусировки и интерференции используется дополнительная пластина.
340
Глава 11. Первичные сети
Порты ввода-вывода
Входные волноводы
Рис. 11.19. Полное демультиплексирование сигнала с помощью
дифракционной фазовой решетки
Интегральные решетки AWG (называемые также фазарами) стали одними из ключевых элементов мультиплексоров DWDM. Они обычно применяются для полного демульти
плексирования светового сигнала, так как хорошо масштабируются и потенциально могут успешнЬ работать з системах с сотнями спектральных каналов.
Оптические кросс-коннекторы
В сетях с ячеистой топологией необходимо обеспечить гибкие возможности для изменения маршрута следования волновых соединений между абонентами сети. Такие возможности предоставляют оптические кросс-коннекторы, позволяющие направить любую из волн входного сигнала каждого порта в любой из выходных портов (конечно, при условии, что никакой другой сигнал этого порта не использует эту волну, иначе необходимо выполнить трансляцию длины волны).
Существуют оптические кросс-коннекторы двух типов:
□ оптоэлектронные кросс-коннекторы с промежуточным преобразованием в электри
ческую форму;
□ полностью оптические кросс-коннекторы, или фотонные коммутаторы.
Исторически первыми появились оптоэлектронные кросс-коннекторы, за которыми и за
крепилось название оптических кросс-коннекторов. Поэтому производители полностью оптических устройств этого типа стараются использовать для них другие названия: фотон
ные коммутаторы, маршрутизаторы волн, лямбда-маршрутизаторы. У оптоэлектронных кросс-коннекторов имеется принципиальное ограничение — они хорошо справляются со своими обязанностями при работе на скоростях до 2,5 Гбит/с, но начиная со скорости
10 Гбит/с и выше, габариты таких устройств и потребление энергии превышают допусти
мые пределы. Фотонные коммутаторы свободны от такого ограничения.
Сети OTN
341
В фотонных коммутаторах используются различные оптические механизмы, в том числе дифракционные фазовые решетки и микроэлектронные механические системы (Micro-
Electro Mechanical System, MEMS).
MEMS представляет собой набор подвижных зеркал очень маленького (диаметром менее миллиметра) размера (рис. 11.20). Коммутатор на основе MEMS включается в работу после демультиплексора, когда исходный сигнал уже разделен на составляющие волны.
За счет поворота микрозеркала на заданный угол исходный луч определенной волны на
правляется в соответствующее выходное волокно. Затем все лучи мультиплексируются в общий выходной сигнал.
Набор зеркал
По сравнению с оптоэлектронными кросс-коннекторами фотонные коммутаторы зани
мают объем в 30 раз меньше и потребляют примерно в 100 раз меньше энергии. Однако у устройств этого типа низкое быстродействие, к тому же они чувствительны к вибрации.
Тем не менее системы MEMS находят широкое применение в новых моделях фотонных коммутаторов. Сегодня подобные устройства могут обеспечивать коммутацию 256 х 256 спектральных каналов, планируется выпуск устройств с возможностями коммутации
1024 х 1024 каналов и выше.
Сети OTN
Причины и цели создания
Сети DWDM не являются собственно цифровыми сетями, так как они лишь предоставляют пользователям отдельные спектральные каналы, являющиеся не более чем несущей сре
дой. Для того чтобы передавать по такому каналу цифровые данные, необходимо каким-то образом договориться о методе модуляции или кодирования двоичных данных, а также предусмотреть такие важные механизмы, как контроль корректности данных, исправление битовых ошибок, обеспечение отказоустойчивости, оповещение пользователя о состоянии соединения и т. п.
342
Глава 11. Первичные сети
Исторически мультиплексоры DWDM были также и мультиплексорами SDH, то есть в каждом из волновых каналов для решения перечисленных задач они использовали тех
нику SDH. Однако по прошествии некоторого времени эксплуатации сетей SDH/DWDM стали заметны определенные недостатки, связанные с применением технологии SDH в качестве основной технологии передачи цифровых данных по спектральным каналам
DWDM.
Перечислим эти недостатки.
□ Недостаточная эффективность кодов FEC, принятых в качестве стандарта SDH. Это препятствует дальнейшему повышению плотности спектральных каналов в мульти
плексорах DWDM. Логика здесь следующая: при увеличении количества спектральных каналов в оптическом волокне увеличивается взаимное влияние их сигналов, следова
тельно, возрастают искажения сигналов и, как следствие, битовые ошибки при передаче цифровых данных по этим спектральным каналам. Если же процедуры FEC настолько эффективны, что позволяют «на лету» устранить значительную часть этих ошибок, то этими ошибками можно пренебречь и увеличить количество спектральных каналов.
Или же не увеличивать количество каналов, но увеличить длину нерегенерируемых секций сети.
□ Слишком «мелкие» единицы коммутации для магистральных сетей, работающих на
скоростях 10 и 40 Гбит/с (а не за горами и 100 Гбит/с). Даже контейнеры макси
мального размера VC-4 (140 Мбит/с) являются недостаточно крупной единицей для мультиплексоров STM-256, которые должны коммутировать до 256 контейнеров для каждого своего порта. Это обстоятельство усложняет оборудование сети, поэтому желательно наличие единиц коммутации, более соответствующих битовой скорости линий сети. Механизмы смежной и виртуальной конкатенации SDH частично решают эту проблему, но она остается.
□ Не учтены особенности трафика различного типа. Разработчиками технологии SDH принимался во внимание только голосовой трафик.
На преодоление этих недостатков нацелена новая технология оптических транспортных
сетей (Optical Transport Network, OTN), которая обеспечивает передачу и мультиплексиро
вание цифровых данных по волновым каналам DWDM более эффективно, чем SDH. В то же время сети OTN обеспечивают обратную совместимость с SDH, так как для мульти
плексоров OTN трафик SDH является одним из видов пользовательского трафика наряду с такими клиентами, как Ethernet и GFP.
Нужно отметить, что технология OTN не заменяет технологии DWDM, а дополняет ее волновые каналы «цифровой оболочкой»1.
Архитектура сетей OTN описана в стандарте ITU-T G.872, а наиболее важные технические аспекты работы узла сети OTN описаны в стандарте G.709.
Иерархия скоростей
Технология OTN многое взяла от технологии SDH, в том числе коэффициент кратности скоростей 4 для построения своей иерархии скоростей. Однако начальная скорость иерар
хии скоростей OTN гораздо выше, чем у SDH: 2,5 Гбит/с вместо 155 Мбит/с.
1 Термин «цифровая оболочка» (digital wrapper) иногда даже используется в качестве названия самой
-------------ГкТХТ
Сети OTN
343
В настоящее время стандартизованы три скорости OTN, которые выбраны так, чтобы про
зрачным образом передавать кадры STM-16, STM-64 и STM-256 вместе со служебными заголовками (табл. 11.4).
Таблица 11.4. Иерархия скоростей технологии OTN
Интерфейс G.709
Битовая скорость,
Гбит/с
_______
Соответствующий уровень SD H
Битовая скорость,
Гбит/с
0TU1
2,666
STM-16
2,488
0TU2
10,709
STM-64
9,953
OTU3
43,018
STM-256
39,813
Приведенные значения скорости OTUk (Optical Channel Transport Unit level k — транс
портный блок оптического канала уровня k) учитывают наличие заголовков в кадрах OTN.
Работа над стандартизацией иерархии скоростей OTN продолжается, в ITU-T идет обсуждение новой скорости OTU4 (предположительно 160 Гбит/с), а также скорости в 1,2 Гбит/с, которая может быть использована для передачи трафика Gigabit Ethernet.
Аббревиатура OTUk обозначает не только уровень скорости OTN, но и один из протоко
лов OTN, а также формат блоков данных этого протокола. В технологии OTN существуют и другие протоколы и блоки данных, которые рассматриваются в следующем разделе.
Стек протоколов OTN
Стек протоколов OTN состоит из 4-х уровней, их назначение напоминает назначение уровней стека протоколов SDH.
На рис. 11.21 показана обобщенная архитектура сети OTN и области применения прото
кола каждого уровня, а на рис. 11.22 — иерархия протоколов OTN.
OPU
SDH
Ethernet
GFP
Клиенты: SDH, Ethernet, ATM, GFP,...
________
і
________ '
OPU
ODU
OTU
Optical Channel (Och)
Pur 11 09 Monanvua
п п л т л і ґ п п л п
ПТМ
344
Глава 11. Первичные сети
Нижний уровень протоколов составляет оптический канал (Optical Channel, Och); обычно это спектральный канал DWDM. Данный уровень примерно соответствует фотонному уровню технологии SDH.
Протокол OPU (Optical Channel Payload Unit — блок пользовательских данных оптиче
ского канала) ответственен за доставку данных между пользователями сети. Он занимается инкапсуляцией пользовательских данных, таких как кадры SDH или Ethernet, в блоки
OPU, выравниванием скоростей передачи пользовательских данных и блоков OPU, а на приемной стороне извлекает пользовательские данные и передает их пользователю. В зави
симости от скорости передачи данных этому протоколу соответствуют блоки OPU1, OPU2 и OPU3. Для выполнения своих функций протокол OPU добавляет к пользовательским данным свой заголовок OPU ОН (OverHead). Блоки OPU не модифицируются сетью.
Этот протокол является аналогом протокола тракта SDH.
Протокол ODU (Optical Channel Data Unit — блок данных оптического канала) так же, как и протокол OPU, работает между конечными узлами сети OTN. В его функции входит мультиплексирование и демультиплексирование блоков OPU, то есть, например, муль
типлексирование четырех блоков OPU1 в один блок OPU2. Кроме того, протокол ODU поддерживает функции мониторинга качества соединений в сети OTN. Этот протокол формирует блоки ODU соответствующей скорости, добавляя к соответствующим блокам
OPU свой заголовок. Протокол ODU является аналогом протокола линии SDH.
Протокол OTU (Optical Channel Transport Unit — транспортный блок оптического канала) работает между двумя соседними узлами сети OTN, которые поддерживают функции элек
трической регенерации оптического сигнала, называемые также функциями 3R (retiming, reshaping и regeneration). Основное назначение этого протокола — контроль и исправление ошибок с помощью кодов FEC. Этот протокол добавляет к блоку ODUk свой концевик, со
держащий код FEC, образуя блок OTUk. Протокол OTU соответствует протоколу секции
SDH. Блоки OTUk помещаются непосредственно в оптический канал.
Кадр OTN
Кадр OTN состоит из 4080 столбцов (байтов) и 4 строк (рис. 11.23).
Столбцы: 1
15
17
3824 3825
4080
Строки: <|
Выр.
кадра
OTU ОН
О
п
2 3
ODU ОН
Г
и
о
Пользовательские данные
OTU FEC
4
н
Рис. 11.23. Формат кадра OTN
Кадр состоит из поля пользовательских данных (Payload) и служебных полей блоков OPU,
ODU и OTU. Формат кадра не зависит от уровня скорости OTN, то есть он, например, одинаков для блоков OPU1/ODU1/OTU1 и OPU2/ODU2/OTU2.
Поле пользовательских данных располагается с 17 по 3824 столбец и занимает все четыре строки кадра, а заголовок блока OPU занимает столбцы 15 и 16 также в четырех строках.
При необходимости заголовок OPU ОН может занимать несколько кадров подряд (в этих
Сети OTN
345случаях говорят о мультикадре OTN), например, такой вариант встречается в том случае, когда нужно описать
структуру поля пользовательских данных, мультиплексирующую несколько блоков OPU более низкого уровня.
Блок ODU представлен только заголовком ODU ОН (формально он также имеет поле данных, в которое помещен блок OPU), а блок OTU состоит из заголовка OTU ОН и кон
цевика OTU FEC, содержащего код коррекции ошибок FEC.
Начинается кадр с небольшого поля выравнивания кадра, необходимого для распознавания начала кадра.
Выравнивание скоростейКак и в других технологиях, основанных на синхронном мультиплексировании TDM, в технологии OTN решается проблема выравнивания скоростей пользовательских потоков со скоростью передачи данных мультиплексора. Механизм выравнивания скоростей OTN является некоторым гибридом механизма бит-стаффинга технологии PDH и механизма положительного и отрицательного выравнивания на основе указателей, используемого в технологии SDH.
Работа механизма выравнивания OTN зависит от того, какой режим отображения нагрузки на кадры ОТМ поддерживается для данного пользовательского потока — синхронный или асинхронный. В режиме
синхронного отображения нагрузки мультиплексор ОТМ син
хронизирует прием и передачу данных от синхроимпульсов, находящихся в принимаемом потоке пользовательских данных. Этот режим рассчитан на пользовательские протоколы, данные которых хорошо синхронизированы и содержат в заголовке специальные биты синхронизации (такие как SDH). В этом случае механизм выравнивания фактически простаивает, так как скорость передачи данных всегда равна скорости их поступления, поэтому выравнивать нечего.
В режиме
асинхронного отображения нагрузки мультиплексор OTN синхронизируется от собственного источника синхроимпульсов, который не зависит от пользовательских данных (это может быть любой из способов синхронизации, рассмотренных в разделе, посвященном технологии PDH). В этом случае рассогласование скоростей неизбежно, и поэтому задействуется механизм выравнивания.
Для выравнивания скоростей в кадре OTN используются два байта: байт возможности положительного выравнивания (Positive Justification Opportunity, PJO) и байт возмож
ности отрицательного выравнивания (Negative Justification Opportunity, NJO). Байт PJO находится в поле пользовательских данных, а байт NJO — в заголовке OPU ОН. В тех случаях, когда при помещении пользовательских данных скорость выравнивать не нужно, мультиплексор помещает все байты пользовательских данных в байты поля данных, при
меняя в том числе и байт PJO. В тех случаях, когда скорость пользовательского потока меньше скорости мультиплексора и ему не хватает байта для заполнения поля данных, то в байт PJO вставляется «выравниватель», который представляет собой байт с нулевым значением — так вьнрлняется положительное выравнивание. А если скорость пользова
тельского потока больше скорости мультиплексора, лишний байт пользовательских данных помещается в поле NJO — так происходит отрицательное выравнивание.
Для того чтобы конечный мультиплексор сети правильно выполнил демультиплексиро
вание пользовательских данных, ему нужна информация о том, каким образом в кадре использованы байты NJO и PJO. Такая информация хранится в поле управления выравни-
346
Глава 11. Первичные сети ванием (Justification Control, JC), два бита которого показывают, какое значение помещено в каждый из байтов NJO и PJO.
Указатель на начало пользовательских данных в технологии OTN не задействован. Таким образом, вставка байта делает механизм выравнивания OTN похожим на PDH, где имеет место вставка битов и соответствующие признаки такой вставки (отрицательное вы
равнивание). С технологией SDH механизм выравнивания OTN роднит применение как отрицательного, так и положительного выравнивания байтами.
Мультиплексирование блоков
При мультиплексировании блоков ODU поле пользовательских данных блока OPUk разбивается на так называемые трибутарные слоты (Tributary Slot, TS), в которые поме
щаются данные блока OPUk-1.
На рис. 11.24 показан пример мультиплексирования четырех блоков ODU1 в один блок
ODU2. Как видно из рисунка, поле данных блока OPU2 разбито на трибутарные слоты
TribSlotl, TribSlot2, TribSlot3 и TribSlot4, последовательность которых повторяется. Каж
дый из этих четырех трибутарных слотов предназначен для переноса части поля данных одного из блоков OPU1. Здесь используется техника чередования данных скорости более низкого уровня иерархии скоростей в поле данных блока более высокой скорости иерархии скоростей, которая типична для технологий синхронного временного мультиплексирова
ния. Эта техника обеспечивает выполнение операций мультиплексирования и демульти
плексирования «на лету» без промежуточной буферизации, так как частота появления порций данных OPU1 в блоке ODU2 соответствует частоте их появления в том случае, если бы они передавались на скорости OPU1.
ю
о
СМ СМ
00
Столбцы: 1
151617
со со
§
Строки: ^
2
3
4
Рис. 11.24. Мультиплексирование блоков 0DU1 в блок 0DU2
Техника мультиплексирования блоков ODU1 и ODU2 в блок 0D U 3 аналогична, если не считать того, что в блоке OPU3 используется 16 различных трибутарных слотов, что по
зволяет поместить в него 16 блоков ODU 1 или 4 блока ODU2 (в этом случае одной порции
OPU2 соответствует четыре трибутарных слота ODU3).
Информация об использовании трибутарных слотов хранится в специальном разделе поля
OPU2 ОН или OPU3 ОН. Этот раздел может также запоминать информацию о виртуальной
конкатенации блоков 0DU1 или 0DU2 — эта техника также поддерживается в сетях OTN.
Коррекция ошибок
В OTN применяется процедура прямой коррекции ошибок (FEC), в которой используются коды Рида—Соломона RS(255,239). В этом самокорректирующемся коде данные кодиру
Выводы
347ются блоками по 255 байт, из которых 239 байт являются пользовательскими, а 16 байт представляют собой корректирующий код. Коды Рида—Соломона позволяют исправлять до 8 ошибочных байт в блоке из 255 байт, что является очень хорошей характеристикой для самокорректирующего кода.
Применение кода Рида—Соломона позволяет улучшить отношение мощности сигнала к мощности шума на 5 дБ при уровне битовых ошибок в 1012. Этот эффект дает возмож
ность увеличить расстояние между регенераторами сети на 20 км или использовать менее мощные передатчики сигнала.
ВыводыПервичные сети предназначены для создания коммутируемой инфраструктуры, с помощью которой можно достаточно быстро создать постоянные каналы, организующие произвольную топологию.
В первичных сетях используют технику коммутации каналов различного типа: с частотным (FDM), временном (TDM) и волновым (WDM/DWDM) мультиплексированием.
В сетях FDM каждому абонентскому каналу выделяется полоса частот шириной 4 кГц. Существует иерархия каналов FDM, при этом 12 абонентских каналов образуют группу каналов первого уровня иерархии (базовую группу) с полосой 48 кГц, 5 каналов первого уровня объединяются в канал второго уровня иерархии (супергруппу) с полосой 240 кГц, а 10 каналов второго уровня составляют канал третьего уровня иерархии (главную группу) с полосой в 2,4 МГц.
Цифровые первичные сети PDH позволяют образовывать каналы с пропускной способностью от
64 Кбит/с до 140 Мбит/с, предоставляя своим абонентам скорости четырех уровней иерархии.
Недостатком сетей PDH является невозможность непосредственного выделения данных низкоско
ростного канала из данных высокоскоростного канала, если каналы работают на несмежных уровнях иерархии скоростей.
Асинхронность ввода абонентских потоков в кадр SDH обеспечивается благодаря концепции вир
туальных
контейнеров и системы плавающих указателей, отмечающих начало пользовательских данных в виртуальном контейнере.
Мультиплексоры SDH могут работать в сетях с различной топологией (цепи, кольца, ячеистая топо
логия). Различают несколько специальных типов мультиплексоров, которые занимают особое место в сети: терминальные мультиплексоры, мультиплексоры ввода-вывода, кросс-коннекторы.
В сетях SDH поддерживается большое количество механизмов отказоустойчивости, которые за
щищают трафик данных на уровне отдельных блоков, портов или соединений: EPS, CP, MSP, SNC-P nMS-SPRing. Наиболее эффективная схема защиты выбирается в зависимости от логической то
пологии соединений в сети.
Технология WDM/DWDM реализует принципы частотного мультиплексирования для сигналов иной физической природы и на новом уровне иерархии скоростей. Каждый канал WDM/DWDM представ
ляет собой определенный диапазон световых волн, позволяющих переносить данные в аналоговой и цифровой форме, при этом полоса пропускания канала в 25-50-100 ГГц обеспечивает скорости в несколько гигабит в секунду (при передаче дискретных данных).
В ранних системах WDM использовалось небольшое количество спектральных каналов, от 2 до 16.
В системах DWDM задействовано уже от 32 до 160 каналов на одном оптическом волокне, что обе
спечивает скорости передачи данных для одного волокна до нескольких терабит в секунду.
Современные оптические усилители позволяют удлинить оптический участок линии связи (без пре
образования сигнала в электрическую форму) до 700-1000 км.
Для выделения нескольких каналов из общего светового сигнала разработаны сравнительно не
дорогие устройства, которые обычно объединяются с оптическими усилителями для организации мультиплексоров ввода-вы вода в сетях дальней связи.
Для взаимодействия с традиционными оптическими сетями (SDH, Gigabit Ethernet, 10G Ethernet) в сетях DW
DM применяются транспондеры и трансляторы длин волн, которые преобразуют длину волны входного сигнала в длину одной из волн стандартного частотного плана DWDM.
348
Глава 11. Первичные сети
В полностью оптических сетях все операции мультиплексирования и коммутации каналов выпол
няются над световыми сигналами без их промежуточного преобразования в электрическую форму.
Это упрощает и удешевляет сеть.
Технология OTN позволяет более эффективно использовать спектральные каналы сетей DWDM, под
держивая экономные схемы мультиплексирования данных на высоких скоростях.
Мощный механизм коррекции ошибок OTN FEC, использующий самокорректирующиеся коды
Рида—Соломона, позволяет улучшить отношение сигнал/шум в спектральных каналах и увеличить
расстояние между регенераторами сети.
Вопросы и задания
1. Какие недостатки первичных сетей FDM привели к созданию цифровых первичных сетей?
2. Название Т-1 обозначает:
а) аппаратуру мультиплексирования, разработанную компанией AT&T;
б) уровень скорости 1,544 Мбит/с;
в) международный стандарт линии связи;
г) способ мультиплексирования цифровых потоков 64 Кбит/с.
3. Какие функции выполняет младший бит каждого байта в канале Т-1 при передаче голоса?
4. Можно ли в сети PDH выделить канал DS-0 непосредственно из канала DS-3?
5. Какие механизмы в канале Е-1 заменяют «кражу бита» канала Т-1?
6. Почему первичные сети обеспечивают высокое качество обслуживания всех видов трафика?
7. Какое свойство технологии PDH отражает слово «плезиохронная»?
8. Каким образом компенсируется отсутствие синхронности трибутарных потоков в технологии SDH?
9. Какое максимальное количество каналов Е-1 может мультиплексировать кадр STM-1?
10. Сколько каналов Т-1 может мультиплексировать кадр STM-1, если в нем уже мульти
плексировано 15 каналов Е-1?
11. По какой причине в кадре STM-1 используется три указателя?
12. С какой целью в технологиях PDH и SDH применяется чередование байтов?
13. В чем отличие схем защиты 1+1 и 1:1? Варианты ответов:
а) в схеме 1+1 два потока мультиплексируются в один, а в схеме 1:1 нет;
б) схема 1 + 1 говорит о том, что резервный элемент выполняет те же функции, что и основной, а в схеме 1:1 резервный элемент простаивает до момента выхода из строя основного;
в) схема 1 + 1 используется для защиты портов, а схема 1:1 — для защиты путей тра
фика.
14. При каких условиях защита MS-SPRing более эффективна, чем SNC-P?
Вопросы и задания
349
15. Для достижения каких целей разработан механизм виртуальной конкатенации? Ва
рианты ответов:
а) для эффективной передачи трафика телефонных сетей;
б) для эффективной передачи трафика Ethernet;
в) для повышения верхней границы скоростей технологии SDH.
16. Можно ли объединять контейнеры VC-З за счет смежной конкатенации?
17. Можно ли передавать составляющие контейнеры при виртуальной конкатенации по разным маршрутам?
18. Можно ли динамически изменить пропускную способность соединения SDH?
19. Почему протокол GFP в режиме GFP-F не использует пустые кадры для выравнивания скоростей?
20. Что общего между первичными сетями FDM и DWDM?
21. К какому типу сетей относятся сети DWDM, аналоговым или цифровым?
22. С какой целью в сетях DWDM используются регенераторы, преобразующие оптиче
ский сигнал в электрический?
23. Назовите причины ухудшения качества оптического сигнала при передаче через боль
шое количество пассивных участков DWDM?
24. С какой частотой будет выполняться операция отрицательного выравнивания указа
теля контейнера VC-4 в кадре STM-1, если относительная разница между тактовыми частотами передающего и принимающего мультиплексоров SDH равна 10-5?
25. Какие недостатки технологии SDH послужили причиной создания новой технологии
OTN? Варианты ответов:
а) недостаточная гибкость механизма указателей;
б) слишком мелкие единицы коммутации;
в) низкая эффективность кодов FEC.
Посвящаем нашей дочери Анне
Часть III Локальныевычислительные сетиЛокальные сети являются неотъемлемой частью любой современной компьютерной сети. Если мы рассмотрим структуру глобальной сети, например Интернета или крупной корпоративной сети, то обнаружим, что практически все информационные ресурсы этой сети сосредоточены в локальных сетях, а глобальная сеть является транспортом, который соединяет многочисленные локальные сети.Технологии локальных сетей прошли большой путь. Практически во всех технологиях 80-х годов использовалась разделяемая среда как удобное и экономичное средство объединения компьютеров на физическом уровне. С середины 90-х в локальных сетях стали также применяться коммутируемые версии технологий. Отказ от разделяемой среды позволил повысить производительность и масштабируемость локальных сетей. Преимуществом коммутируемых локальных сетей является также возможность логической структуризации сети с разделением ее на отдельные сегменты, называемые виртуальными локальными сетями.Переход к коммутируемым локальным средам сопровождался победой одной технологии, а именно технологии Ethernet. Остальные технологии, такие как Arcnet, Token Ring и FDDI, остались в прошлом, несмотря даже на то, что они обладали хорошими техническими характеристиками и имели многочисленных пользователей.Неизвестно, что больше повлияло на такую ситуацию, то ли предельная простота технологии, а значит, и низкая стоимость оборудования Ethernet и его эксплуатации, то ли удачное название, то ли просто необыкновенное везение, как считает изобретатель этой технологии Роберт Меткалф, состоявшее в том, что «каждый раз, когда появлялось что-то на замену Ethernet, люди, ответственные за продвижение новой технологии, снова выбирали для нее название Ethernet», но факт остается фактом — локальные сети стали однородными сетями Ethernet.В локальных сетях изменился не только принцип использования среды. Быстро растет верхний предел информационной скорости протоколов локальных сетей. С принятием в 2002 году стандарта 10G Ethernet технологии^яокальных сетей стали поддерживать иерархию скоростей, не уступающую иерархии скоростей первичных сетей — от 10 Мбит/с до 10 Пбит/с. Это дает возможность строить на этих технологиях не только локальные сети, но и сети мегаполисов. И не за горами принятие нового стандарта — 100G Ethernet, поддерживающего скорость 100 Гбит/с. 352Часть III. Локальные вычислительные сети
Развитие локальных сетей идет и в направлении «миниатюризации» — появился новый тип сетей — персональные сети (Personal Area Network, PAN), которые объединяют электронные устройства одного пользователя в радиусе нескольких десятков метров.В главе ^рассматриваются технологии локальных сетей на разделяемой среде: основное внимание уделено классическим вариантам Ethernet со скоростью 10 Мбит/с на коаксиале и витой паре; также здесь кратко рассмотрены принципы работы основных соперников Ethernet в 80-е и 90-е годы — технологий Token Ring и FDDL Если проводные технологии локальных сетей на разделяемой среде интересны сегодня в основном в теоретическом плане (для понимания истоков и динамики развития современных технологий), то беспроводные технологии локальных сетей на основе разделяемой среды по-прежнему актуальны и, по всей видимости, останутся таковыми в обозримом будущем, так как радиоэфир является разделяемой средой по своей природе. Мы рассмотрим две наиболее популярные технологии этого семейства — IEEE 802.11 (LAN) и Bluetooth (PAN). 
Скачать 22.28 Mb.