Мультиплексирование оптических сетей: SONET/SDH
На самых первых этапах развития оптоволоконной связи каждая телефонная компания имела свою патентованную оптическую TDM-систему. После того как в 1984 году правительство США разделило AT&T, местным телефонным компаниям пришлось подключаться к многочисленным междугородним линиям с оптическими TDM-системами от различных производителей и поставщиков. Стало очевидно, что без стандартизации не обойтись. В 1985 году Bellcore, исследовательское подразделение Regional Bell Operating Companies (RBOCs), начало работу над этим стандартом, получившим название синхронные оптические сети (Synchronous Optical NETwork, SONET).
Позднее к этой работе подключился МСЭ, в результате чего в 1989 году появился стандарт SONET и набор сопутствующих рекомендаций МСЭ (G.707, G.708 и G.709). Эти рекомендации МСЭ называются синхронной цифровой иерархией (Synchronous Digital Hierarchy, SDH), но отличаются от SONET лишь мелкими нюансами. Практически все междугородние линии в США, да и во многих других странах в настоящее время используют SONET на физическом уровне. Дополнительную информацию вы найдете в работе Перроса (Perros, 2005).
Основные цели создания SONET:
1. Совместимость различных систем связи: SONET был призван обеспечить взаимодействие разных систем связи. Для этого понадобился общий стандарт обмена служебными сигналами с учетом длин волн, распределения интервалов времени, структуры фреймов и прочих нюансов.
2. Унификация стандарта для различных стран: пришлось приложить некоторые усилия, чтобы привести к одному виду цифровые системы США, Европы и Японии. Все они основаны на 64-Кбит/с каналах PCM, но группируют их различными (причем несовместимыми) способами.
3. Мультиплексирование цифровых каналов: SONET должен был обеспечить возможность мультиплексирования нескольких цифровых каналов. На момент создания SONET самой быстрой из распространенных в США систем цифровой связи была T3 со скоростью 44,736 Мбит/с. T4 уже существовала на бумаге, но использовалась не слишком широко, а стандарт со скоростью, превышающей T4, даже не был описан. Часть миссии SONET заключалась в том, чтобы расширить эту иерархию до скоростей порядка гигабит в секунду и выше. Кроме того, был необходим стандартный способ мультиплексирования медленных каналов в один канал SONET.
4. Поддержка управления системой: задачей SONET было обеспечить поддержку эксплуатации, администрирования и обслуживания (operations, administration and maintenance, OAM), необходимых для управления. Предыдущие системы плохо с этим справлялись.
Изначально было решено сделать SONET обычной системой TDM и всю полосу пропускания оптоволокна предоставить одному каналу, выделяя слоты времени для различных подканалов. Поэтому SONET является синхронной системой. Все отправители и получатели привязаны к единому синхросигналу. Точность главного генератора синхроимпульсов, управляющего всей системой, составляет примерно 1 на 109. Биты по линии SONET отправляются в исключительно точные промежутки времени, контролируемые главным генератором синхроимпульсов.
Простейший фрейм SONET представляет собой блок из 810 байт, передаваемый каждые 125 мкс. А поскольку SONET — синхронная система, фреймы генерируются вне зависимости от наличия полезных данных для отправки. Скорость 8000 фреймов/с в точности соответствует скорости получения измерений каналов PCM во всех телефонных системах.
Можно представить 810-байтные фреймы SONET в виде прямоугольника байтов, 90 столбцов в ширину и 9 строк в высоту. Таким образом, 8000 раз в секунду передается по 8 × 810 = 6480 бит, и общая скорость равна 51,84 Мбит/с. Эта схема отражает простейший канал SONET — синхронный транспортный сигнал-1 (Synchronous Transport Signal-1, STS-1). Все соединительные линии SONET кратны STS-1.
Первые три столбца фрейма резервируются для управляющей информации системы, как показано на илл. 2.34. В этом блоке первые три строки содержат служебные данные секции (они генерируются и проверяются в начале каждой секции); следующие шесть строк составляют служебные данные линии (генерируются и проверяются в начале и конце каждой линии).
Илл. 2.34. Два идущих подряд фрейма SONET
Передатчик SONET отправляет один за другим 810-байтные фреймы без промежутков, даже если данных для отправки нет (в таком случае отправляются фиктивные данные). С точки зрения приемника они выглядят как непрерывный поток битов. Как же он различает границы фреймов? Дело в том, что первые два байта каждого фрейма содержат фиксированный паттерн. Если приемник находит этот паттерн в одном и том же месте в большом числе последовательно идущих фреймов, то он делает вывод, что синхронизирован с отправителем. Теоретически пользователь может вставлять данный паттерн в отправляемые полезные данные через равные промежутки, но на практике это невозможно по разным причинам, например из-за мультиплексирования данных от нескольких пользователей в одном фрейме.
Оставшиеся 87 столбцов каждого фрейма содержат 87 × 9 × 8 × 8000 == 50,112 Мбит/с пользовательских данных. Они могут быть голосовыми сэмплами в случае T1 и других систем связи или пакетами. SONET — это просто контейнер для передачи битов. Огибающая синхронной полезной нагрузки (Synchronous Payload Envelope, SPE) не всегда начинается в столбце 4 ряда 1. SPE может начинаться в любом месте фрейма. Первая строка служебных данных линии включает указатель на первый байт SPE. А первая строка SPE представляет собой служебные данные пути (то есть заголовок сквозного протокола подуровня пути).
Благодаря тому что SPE может начинаться в любом месте фрейма SONET и даже охватывать два фрейма, как показано на илл. 2.34, система становится более гибкой. Например, если во время формирования фиктивного фрейма SONET в источник поступает пользовательская информация, ее можно вставить в текущий фрейм, а не ждать начала следующего.
Иерархия мультиплексирования SONET/SDH приведена на илл. 2.35. В стандарте описаны скорости от STS-1 до STS-768, то есть примерно от линии T3 до 40 Гбит/с. Несомненно, со временем будут описаны и более высокие скорости. Следующей будет система OC-3072 со скоростью 160 Гбит/с, когда это станет технически выполнимым. Оптическая система, соответствующая STS-n (синхронному транспортному сигналу n-уровня), называется OC-n и совпадает с ним с точностью до бита, с той разницей, что для синхронизации требуется некоторая перестановка битов. Названия SDH отличаются — они начинаются с OC-3, поскольку в системах на основе стандартов МСЭ нет скорости, близкой к 51,84 Мбит/с. На илл. 2.35 приведены распространенные варианты скоростей, начиная с OC-3 и далее, кратные 4. Общая скорость учитывает все служебные данные. Скорость передачи SPE не учитывает служебные данные линии и секции. Скорость передачи пользовательских данных учитывает все три вида служебных данных и охватывает только 86 столбцов пользовательских данных.
Когда система связи (например, OC-3) не мультиплексируется, а переносит данные от единственного источника, в ее обозначение добавляется буква c (от concatenated — «конкатенированный»). Таким образом, OC-3 — это система связи со скоростью 155,52 Мбит/с, состоящая из трех отдельных систем OC-1, а OC-3c — поток данных из одного источника на скорости в 155,52 Мбит/с. Три потока данных OC-1 в OC-3c чередуются по столбцам: столбец 1 из потока 1, столбец 1 из потока 2, столбец 1 из потока 3, затем столбец 2 из потока 1 и т.д., в результате чего получается фрейм шириной в 270 столбцов и глубиной в 9 строк.
SONET
SDH
Скорость передачи данных (Мбит/с)
Электрическая
Оптическая
Оптическая
Общая
SPE
Пользовательских данных
STS-1
OC-1
51,84
50,112
49,536
STS-3
OC-3
STM-1
155,52
150,336
148,608
STS-12
OC-12
STM-4
622,08
601,344
594,432
STS-48
OC-48
STM-16
2488,32
2405,376
2377,728
STS-192
OC-192
STM-64
9953,28
9621,504
9510,912
STS-768
OC-768
STM-256
39813,12
38486,016
38043,648
Илл. 2.35. Скорости мультиплексирования SONET и SDH
2.5.4. Коммутация
С точки зрения обычного телефонного инженера, телефонная система состоит из двух основных частей: наружное оборудование (абонентские шлейфы и соединительные линии), физически находящееся вне АТС, и внутреннее оборудование (коммутаторы), расположенное на АТС. До сих пор мы рассматривали только наружное оборудование. Пришло время обсудить внутреннее.
Сегодня в сетях применяются два различных метода: коммутация каналов и коммутация пакетов. Первый метод использовался в традиционных телефонных системах, а в основе технологии передачи голоса по IP лежит второй метод. Мы обсудим коммутацию каналов несколько подробнее, а затем сравним ее с коммутацией пакетов. Оба метода важны, поэтому мы вернемся к ним еще раз, когда будем говорить о сетевом уровне.
Коммутация каналов
Изначально при совершении человеком или компьютером телефонного звонка коммутационное оборудование строило физический маршрут между двумя абонентами и поддерживало его во время разговора. Эта методика называется коммутацией каналов (circuit switching). Схематически она представлена на илл. 2.36 (а). Каждый из шести прямоугольников соответствует коммутатору системы связи (оконечной телефонной станции, центральной телефонной станции и т.д.). В этом примере у каждой станции три входящие и три исходящие линии. При прохождении звонка через коммутатор устанавливается физическое соединение между линией связи, по которой поступил звонок, и одной из выходных линий, показанных пунктиром.
Илл. 2.36. (а) Коммутация каналов. (б) Коммутация пакетов
В первые годы существования телефонной связи подключение осуществлял оператор, вручную вставляя гибкий кабель во входной и выходной разъемы. С изобретением автоматического оборудования для коммутации каналов связана забавная история. Его создал в XIX веке владелец похоронного бюро Элмон Б. Строуджер (Almon B. Strowger) из штата М