Тема 6

Мережі SDH

Характерні для технології PDH недоліки були враховані і подолані розробниками технології синхронних оптичних мереж (Synchronous Optical NET, SONET), перший варіант стандарту якої з’явився в 1984 році. Міжнародна стандартизація технології проходила під егідою Європейського інституту телекомунікаційних стандартів (European Telecommunications Standards Institute, ETSI) і сектором телекомунікаційної стандартизації союзу ITU (ITU Telecommunication Standardization Sector, ITU-T) спільно з ANSI. Основною метою розробників міжнародного стандарту було створення технології, здатної передавати трафік всіх існуючих цифрових каналів рівня PDH (як американських Т-каналів, так і європейських Е-каналів) по високошвидкісній магістральній мережі на базі волоконно-оптичних кабелів і забезпечити ієрархію швидкостей, яка продовжує ієрархію технології PDH до швидкостей в десятки Гбіт/с. В результаті вдалося підготувати міжнародний стандарт SDH (Synchronous Digital Hierarchy – синхронна цифрова ієрархія). Крім того, стандарт SONET був доопрацьований так, щоб апаратура і мережі SDH і SONET були сумісними і могли мультиплексувати вхідні потоки практично будь-якого стандарту PDH.

Підтримувана технологією SDH/SONET ієрархія швидкостей (рис. 2).

Таблиця 2 – Ієрархія швидкостей SDH/SONET

SDH	SONET	Швидкість
	STS-1, OC-1	51,84 Мбіт/с
STM-1	STS-3, OC-3	155,520 Мбіт/с
STM-3	OC-9	466,560 Мбіт/с
STM-4	OC-12	622,080 Мбіт/с
STM-6	OC-18	933,120 Мбіт/с
STM-8	OC-24	1,244 Гбіт/с
STM-12	OC-36	1,866 Гбіт/с
STM-16	OC-48	2,488 Гбіт/с
STM-64	OC-192	9,953 Гбіт/с
STM-256	OC-768	39,81 Гбіт/с

У стандарті SDH всі рівні швидкостей (і, відповідно, формати кадрів для цих рівнів) мають загальну назву STM-N (Synchronous Transport Module level N – синхронний транспортний модуль рівня N). В технології SONET існує два позначення для рівнів швидкостей: назва STS-N (Synchronous Transport Signal level N – синхронний транспортний сигнал рівня N) вживається в разі передачі даних електричним сигналом, а назва OC-N (Optical Carrier level N – оптоволоконна лінія зв’язку рівня N) використовують у разі передачі даних по волоконно-оптичному кабелю.

Модулі STM-N мають досить складну структуру, що дозволяє агрегувати в загальний магістральний потік потоки SDH і PDH різних швидкостей, а також виконувати операції вводу-виводу без повного демультиплексування магістрального потоку.

6.2 Структура модулів SDH

Для транспортування цифрового потоку зі швидкістю 155 Мбіт/с створюється синхронний транспортний модуль STM-1, спрощена структура (рис. 28). Модуль являє собою фрейм (рамку) 9 × 270 = 2430 байт. Крім корисного навантаження (користувацькі дані), він містить в 4- му рядку вказівник (Pointer, PTR), який визначає розміщення користувацьких даних.

Рисунок 28 – Структура синхронного транспортний модуль STM-1

Щоб визначити маршрут транспортного модуля, в лівій частині рамки записується секційний заголовок (Section Over Head – SOH). Нижні 5×9 = 45 байтів (після вказівника) відповідають за доставку інформації в те місце мережі (до того мультиплексора), де цей транспортний модуль буде переформовуватися. Дана частина заголовка так і називається: заголовок мультиплексної секції (Multiplex SOH, MSOH). Верхні 3×9 = 27 байтів (до вказівника) являють собою заголовок регенераційної секції (Regenerator SOH, RSOH), де буде здійснюватися відновлення потоку, «пошкодженого» завадами, і виправлення помилок в ньому.

Один цикл передачі включає в себе зчитування в лінію такого модуля. Порядок передачі байтів – зліва направо, зверху вниз (так само, як при читанні тексту на сторінці). Тривалість циклу передачі STM-1 становить 125 мкс, тобто він повторюється з частотою 8 кГц. Кожна комірка відповідає швидкості передачі 8 біт × 8 кГц = 64 Кбіт/с.

Отже, якщо витрачати на передачу в лінію зв’язку кожного модуля 125 мкс, то за секунду в лінію буде передано 9 × 270 × 64 Кбіт/с = 155520 Кбіт/с, тобто 155 Мбіт/с.

Для створення більш потужних цифрових потоків в формується наступна швидкісна ієрархія (табл. 3.2): 4 модуля STM-1 об’єднуються шляхом побайтового мультиплексування в модуль STM-4, передаючи зі швидкістю 622,080 Мбіт/с; потім 4 модулі STM-4 об’єднуються в модуль STM-16 зі швидкістю передачі 2488,320 Мбіт/с.

У мережі SDH використовують принцип контейнерних перевезень. Цифрові канали (потоки) PDH є вхідними (корисним навантаженням) для транспортної мережі SDH. Усі ці потоки передаються (транспортуються) по трактах транспортної мережі у вигляді інформаційних структур – віртуальних контейнерів (VC) відповідного рівня. В технології SDH визначено кілька типів віртуальних контейнерів, призначених для транспортування основних типів блоків даних PDH: VC-11 (1,5 Мбіт/с), VC-12 (2 Мбіт/с), VC-2 (6 Мбіт/с), VC-3 (34/45 Мбіт/с) і VC-4 (140 Мбіт/с).

Дані, які підлягають транспортуванню, попередньо розміщуються в контейнерах (Container, С). Всі операції з контейнерами здійснюються незалежно від їх змісту, чим і досягається прозорість мережі SDH, тобто здатність транспортувати різні дані, зокрема, потоки PDH. Схема формування структур модуля STM-1 (рис. 29).

Сигнал PDH «поміщається» в стандартний контейнер (Container, С). До кожного С додається трактовий або маршрутний заголовок (Path Over Head, РОН) і таким чином, формується віртуальний контейнер (Virtual Container, VC). Залежно від розміру, віртуальний контейнер може транспортуватися в модулі STM-1 поодиноко або може бути об’єднаний в трибутарний блок (Tributary Unit, TU). Розрізняють віртуальні контейнери вищого рівня (High- order, HO) і віртуальні контейнери нижчого рівня (Low-order, LO). Всі контейнери, що передаються в складі TU відносяться до LO. Контейнерами рівня LO є VC-11, VC-12 і VC-2. VC-3 відносять до рівня LO, якщо цей контейнер передається в складі VC-4. Контейнери, які безпосередньо переносяться в модулі STM-1, відносяться до рівня HO. VC-4 – контейнер рівня HO. Те саме можна сказати і до VC-3, якщо він передається безпосередньо.

Рисунок 29 – Схема формування структур модуля STM-1

Для відображення розміщення VC в межах TU використовуються вказівники трибутарного блоку (Tributary Unit Pointer, TU_PTR), що поміщаються в фіксованому місці VC вищого рівня. Перед об’єднанням у віртуальний контейнер вищого рівня (VC-4 або VC-3), кілька TU побайтно об’єднуються в групи трибутарних блоків (Tributary Unit Group, TUG).

Віртуальні контейнери вищого рівня VC-4 і VC-3, за допомогою вказівників адміністративного блоку (Administrative Unit Pointer, AU_PTR) трансформуються у адміністративні блоки (Administrative Unit, AU). Кілька AU можуть бути побайтно об’єднані в адміністративну групу (Administrative Unit Group, AUG). AUG може складатися з одного AU-4 або трьох AU-3. Для отримання STM-1 до AUG добавляють секційні заголовки SOH.

Найбільш близьким за швидкістю до першого рівня ієрархії SDH (155, 520 Мбіт/с) є цифровий потік Е4 (140 Мбіт/с) мережі PDH. Його найпростіше розмістити в модулі STM-1 (рис. 30). Для цього вхідний канал Е4 спочатку «поміщають» в контейнер (тобто розміщують на певних позиціях його циклу), який позначається С-4. Рамка контейнера С-4 містить 9 рядків і 260 однобайтових стовпців. Додаванням зліва ще одного стовпця – заголовку шляху (РОН) – цей контейнер перетвориться у VC-4. Нарешті, щоб помістити віртуальний контейнер VC-4 в модуль STM-1, його доповнюють вказівником AU_PTR, утворюючи таким чином адміністративний блок AU-4, який безпосередньо поміщають в модуль STM-1 разом з секційним заголовком SOH.

Синхронний транспортний модуль STM-1 можна завантажити і плезіохронними потоками Е1 (2 Мбіт/с). Для початкової «упаковки» використовується контейнер С-12. Дані розміщуються у певних позиціях цього контейнера. Шляхом додавання маршрутного або транспортного заголовку (РОН) утворюється віртуальний контейнер VC-12. Віртуальні контейнери формуються і розформовуються в точках закінченнях трактів.

Рисунок 30 – Розміщення контейнера С-4 в модулі STM-1

У модулі STM-1 можна розмістити 63 віртуальних контейнера VC-12 (рис. 31). Віртуальний контейнер VC-12 доповнюється вказівником ТU_PTR і утворює тим самим трибутарний блок TU-12. Далі цифрові потоки різних трибутарних блоків можна об’єднувати в цифровий потік 155 Мбіт/с. Спочатку три трибутарних блоки TU-12 шляхом мультиплексування об’єднують у групу трибутарних блоків TUG-2, потім сім груп TUG-2 мультиплексують у групу трибутарних блоків TUG-3, а три групи TUG-3 об’єднують разом і поміщають в віртуальний контейнер VC-4. Далі шлях перетворень відомий.

Рисунок 31 – Варіанти введення потоків PDH в модуль STM-1

Схема мультиплексування SDH надає різноманітні можливості по об’єднанню потоків PDH (рис. 32). Наприклад, для кадру STM-1 можна реалізувати такі варіанти:

· 1 потік Е4;

· 63 потоки Е1;

· 1 потік Е3 і 42 потоки Е1.

Рисунок 32 – Загальна схема мультиплексування потоків PDH в SDH

6.3 Апаратура мереж SDH

Основним елементом мережі SDH є мультиплексор (рис. 33). Зазвичай, він оснащений деякою кількістю портів PDH і SDH: наприклад, портами PDH на 2 і 34/45 Мбіт/с і портами SDH STM-1 на 155 Мбіт/с і STM-4 на 622 Мбіт/с. Порти мультиплексора SDH діляться на трибутарні та агрегатні.

Рисунок 33 – Мультиплексор SDH

Трибутарні порти часто називають також портами вводу-виводу, а агрегатні – лінійними портами. Мультиплексори SDH зазвичай поділяють на два типи, різниця між якими визначається положенням мультиплексора в мережі SDH (рис. 34).

Термінальний мультиплексор (Terminal Multiplexer, ТМ) завершує агрегатний канал, мультиплексуючи в ньому велику кількість трибутарних каналів, тому він містить один агрегатний і велику кількість трибутарних портів. Мультиплексор вводу-виводу (Add-Drop Multiplexer, ADM) займає проміжне положення на магістралі (в кільці, ланцюгу або змішаної топології). Він має два агрегатних порти, через які транзитом передає агрегований потік даних.

За допомогою невеликої кількості трибутарних портів такий мультиплексом вводить в агрегатний потік або виводить з нього дані трибутарних каналів. Іноді також виділяють мультиплексори, які виконують операції комутації над довільними віртуальними контейнерами – цифрові крос-конектори (Digital Cross-Connect, DXC).

Рисунок 34 – Типи мультиплексорів SDH

У таких мультиплексорах не робиться відмінностей між агрегатними і трибутарних портами, так як вони призначені для роботи в комірчастій топології, де виділити агрегатні потоки неможливо. Окрім мультиплексорів, до складу мережі SDH можуть входити регенератори сигналів, які необхідні для подолання обмежень по відстані між мультиплексорами. Ці обмеження залежать від потужності оптичних передавачів, чутливості приймачів і загасання волоконно-оптичного кабелю. Регенератор перетворює оптичний сигнал в електричний і назад, при цьому відновлюється форма сигналу і його тимчасові характеристики. В даний час регенератори SDH застосовуються досить рідко, так як вартість їх не набагато нижче вартості мультиплексора, а функціональні можливості незрівнянно бідніше. Регенераторною секцією в технології SDH називається кожен безперервний відрізок волоконно-оптичного кабелю, який з’єднує між собою такі, наприклад, пари пристроїв SDH, як мультиплексор і регенератор, регенератор і регенератор, але не два мультиплексора.

Мультиплексною секцією в технології SDH називається відрізок лінії, який відповідає за передачу даних між двома мультиплексорами мережі.

6.4 Топології мереж SDH

У мережах SDH застосовуються різні топології зв’язків. Найбільш часто використовуються кільця і лінійні ланцюги мультиплексорів, також знаходить все більше застосування комірчаста топологія мережі, яка близька до повнозв’язної.

Кільце SDH будується з мультиплексорів вводу-виводу, що мають, принаймні, по два агрегатних порти (рис. 35, а). Абонентські потоки вводяться в кільце і виводяться з кільця через трибутарні порти, утворюючи з’єднання «точка-точка. Кільце є класичною регулярною топологією, що володіє потенційною відмовостійкістю – при одноразовому обриві кабелю або виході з ладу мультиплексора з’єднання збережеться, якщо його направити по кільцю в протилежному напрямку. Кільце, зазвичай, будується на основі кабелю з двома оптичними волокнами, але іноді для підвищення надійності та пропускної спроможності застосовують чотири волокна.

Рисунок 35 – Топології мереж SDH

Ланцюг (рис. 35, б) – це лінійна послідовність мультиплексорів, з яких два кінцевих відіграють роль термінальних мультиплексорів, інші – мультиплексорів вводу-виводу. Зазвичай, мережу з топологією ланцюга застосовується в тих випадках, коли вузли мають відповідне географічне розташування, наприклад уздовж магістралі залізниці або трубопроводу. Правда, в таких випадках може застосовуватися і плоске кільце (рис. 35, в), що забезпечує більш високий рівень відмовостійкості за рахунок двох додаткових волокон в магістральному кабелі і по одному додатковому агрегатному порту у термінальних мультиплексорів.

Ці базові топології можуть комбінуватися при побудові складної і розгалуженої мережі SDH, утворюючи ділянки з радіально-кільцевої топологією. Найбільш загальним випадком є повнозв’язна (mesh) топологія (рис. 35, г), при якій мультиплексори з’єднуються один з одним великою кількістю зв’язків, за рахунок чого мережа може досягти дуже високого ступеня продуктивності і надійності.

Спочатку технологія SDH була орієнтована на передачу елементарних потоків голосового трафіку, звідси і її орієнтація на мультиплексування абонентських потоків зі швидкостями, кратними 64 Кбіт/с.

Однак популярність Інтернету змінила ситуацію в телекомунікаційному світі, і сьогодні обсяги комп’ютерного трафіку в первинних мережах перевершують обсяги голосового трафіку. В умовах домінування Ethernet, майже весь комп’ютерний трафік, що надходить на входи мультиплексорів первинних мереж, являє собою кадри Ethernet, а значить, представлений ієрархією швидкостей 10 – 100 Мбіт/с та 1 – 10 -100 Гбіт/с. Користувацькі потоки з такими швидкостями не дуже ефективно вкладаються у віртуальні контейнери SDH, розраховані на вирішення інших завдань.

Для виправлення ситуації організація ITU-T розробила кілька стандартів, які складають так звану технологію SDH нового покоління (SDH Next Generation, або SDH NG). Ці стандарти роблять технологію SDH більш орієнтовану до комп’ютерних даних.

Стандарти SDH нового покоління описують три нових механізми:

· віртуальна конкатенація (VCAT);

· схема динамічної зміни пропускної спроможності лінії (LCAS);

· загальна процедура інкапсуляції (кадрування) даних (GFP).

Віртуальна конкатенація (Virtual Concatenation, VCAT) контейнерів дозволяє більш ефективно використовувати ємність віртуальних контейнерів SDH при передачі трафіку Ethernet. Віртуальна конкатенація дозволяє об’єднати кілька контейнерів в один віртуальний конкатенований контейнер з більш високою швидкістю передачі даних. При цьому об’єднуючі контейнери повинні бути одного типу, наприклад лише VC-3 або лише VC-12.

Коефіцієнт кратності при об’єднанні контейнерів може побути будь-яким, від 1 до максимального числа, що визначається ємністю кадру STM-N, який застосовується для передачі об’єднаного контейнера. При віртуальної конкатенації об’єднаний контейнер позначається як VC-N-Mv, де N – тип віртуального контейнера, а М – кратність його використання.

Наприклад, щоб передавати один потік Fast Ethernet 100 Мбіт/с, в мережі STM-4 можна застосувати віртуальну конкатенацію контейнерів VC-12. Цей тип контейнера забезпечує передачу даних зі швидкістю 2,176 Мбіт/с, тому, об’єднавши 46 таких контейнерів, тобто застосувавши віртуальну конкатенацію VC-12-46v, можна створити канал з пропускною спроможністю 100,096 Мбіт/с. Решта 206 контейнерів VC-12 (кадр STM-4 вміщує 63 × 4 = 252 контейнера VC-12) можна задіяти як для передачі інших потоків Fast Ethernet, так і для передачі голосового трафіку.

Назва «віртуальна конкатенація» відображає той факт, що тільки кінцеві мультиплексори (тобто той мультиплексор, який формує об’єднаний контейнер з абонентських потоків, і той мультиплексор, який його демультиплексує в абонентські потоки) повинні розуміти, що це конкатенований контейнер. Всі проміжні мультиплексори мережі SDH розглядають складові віртуальні контейнери як незалежні і можуть передавати їх до кінцевого мультиплексора за різними маршрутами. Кінцевий мультиплексор витримує деякий тайм-аут перед демультиплексування абонентських потоків, що може бути необхідно для прибуття всіх складових контейнерів, в тому випадку, коли вони передаються по різних маршрутах.

Схема динамічної зміни пропускної спроможності лінії (Link Capacity Adjustment Scheme, LCAS) є доповненням до механізму віртуальної конкатенації. Ця схема дозволяє вихідному мультиплексору, тобто тому, який формує об’єднаний контейнер, динамічно змінювати його ємність, приєднуючи до нього або від’єднуючи від нього віртуальні контейнери. Для того, щоб досягнути потрібного ефекту, вихідний мультиплексор посилає кінцевому мультиплексору спеціальне службове повідомлення, що повідомляє про зміну складу об’єднаного контейнера.

Загальна процедура інкапсуляції даних (Generic Framing Procedure, GFP) призначена для упаковки кадрів різних протоколів комп’ютерних мереж в кадр єдиного формату і передачі його по мережі SDH.

Вирівнювання швидкості комп’ютерного протоколу і швидкості віртуального контейнера SDH, використовуваного для передачі комп’ютерних даних. Наприклад, якщо застосувати об’єднаний контейнер VC-12-46v для передачі кадрів Fast Ethernet, то потрібно вирівняти швидкості 100 і 100,096 Мбіт/с. Процедура GFP підтримує два режими роботи: GFP-F (кадровий режим, або Frame Mode) і GFP-T (прозорий режим, або Transparent Mode). У режимі GFP-F проблема вирівнювання швидкостей вирішується звичним для комп’ютерних мереж способом – вхідний кадр повністю буферизується, упаковується в формат GFP, а потім зі швидкістю з’єднання SDH передається через мережу. Режим GFP-T призначений для чутливого до затримок трафіку, в цьому режимі кадр повністю не буферизується, а побітно, по мірі надходження передається в мережу SDH (попередньо забезпечений службовими полями GFP). Для вирівнювання швидкостей в режимі GFP-T застосовуються спеціальні службові «порожні» кадри GFP, які надсилаються в ті моменти, коли неузгодженість призводить до відсутності призначених для користувача бітів у вихідного мультиплексора SDH. В розглянутому прикладі в режимі GFP-T такі кадри будуть посилатись, так як швидкість мережі SDH трохи вища, ніж швидкість надходження даних від клієнта Fast Ethernet.

Розпізнавання початку кадру. З’єднання SDH являє для користувача потік бітів, розбитий на кадри SDH, початок яких ніяк не пов’язане з початком кадру користувача. Процедура GFP дозволяє приймаючому мультиплексору SDH розпізнати початок кожного користувцького кадру, що необхідно для його вилучення з потоку бітів, перевірки його коректності та передачі на вихідний інтерфейс в мережу користувача. У процедурі GFP для розпізнавання початку кадру служить його власний заголовок, який складається з поля довжини розміром в два байти і поля контрольної суми поля довжини також розміром в два байти.