Передача пакетного трафика в «классической» сети SDH

 

Доля пакетного трафика (Интернет) постоянно увеличивается и постепенно вытесняет TDM-трафик. На данный момент доля трафика данных, и в особенности трафика IP, растет экспоненциально и в разы превышает голосовой трафик.

Классическая SDH разрабатывалась для передачи трафика с постоянной битовой скоростью и плохо приспособлена для передачи пакетного трафика, Тем не менее, высокие показатели качества и возможности самовосстановления сети весьма привлекательны для использования SDH в качестве транспорта для информационных сетей. Однако при попытке непосредственно упаковывать кадры ЛВС в контейнеры SDH инженеры столкнулись с определёнными трудностями, а главное, ёмкости контейнеров заполнялись неэффективно. Кроме этого, для сетей SDH характерно резервирование, то есть большая избыточность. Половина ёмкости каналов отводится на резервирование, таким образом, эффективность передачи падает до нескольких десятков процентов.

Сети SDH построены и отлажены, в создание и эксплуатацию вложены большие ресурсы, и отказываться от дальнейшего использования - переходить на сети с коммутацией пакетов - во многих случаях невозможно. К тому же, технология отработана за многие годы, есть специалисты, есть оборудование. Другое дело - внедрение новых технологий. Например, Ethernet over SDH. EoS может существенно расширить спектр услуг операторов связи, тем более что во многих случаях это достаточно недорогое предприятие (поскольку SDH служит всего лишь транспортом, модернизация необходима лишь на оконечных точках маршрута).

Как видим, в настоящее время SDH должна обеспечить передачу пакетного трафика (в особенности IP трафика) наиболее эффективно, как с точки зрения использования ресурса, так и с точки зрения капиталовложений операторов связи по модернизации оборудования. Это не является заменой самой технологии SDH, а является модернизацией. Что касается эффективности использования существующих ресурсов - здесь можно выделить две основные проблемы. Первая проблема - несоответствие скоростей каналов SDH со скоростями сетей пакетной коммутации (проблема передачи высокоскоростного трафика); вторая – высокая неравномерность скорости пакетного трафика (проблема передачи пакетного трафика). Рассмотрим обе проблемы.

Первая проблема - проблема передачи высокоскоростного трафика. Иерархия скоростей SDH происходит от скоростей сетей PDH, которые были рассчитаны на передачу целого числа каналов ОЦК (64 кбит/с). Виртуальные контейнеры способны поместить в себя многие из них. Совсем другая иерархия скоростей сложилась в сетях пакетной коммутации. Основой для них послужил самый распространённый протокол локальных сетей - Ethernet, объединяющий под общим названием ряд скоростей, кратных 10 (10, 100, 1000 Мбит/сек, 1 Гбит/сек). Протокол Ethernet в настоящее время является основным протоколом локальных сетей, уже давно вытеснив всех своих конкурентов.

Совершенно очевидно, что из перечисленных в таблице технологий только Ethernet и Fast Ethernet могут передаваться по «классической» SDH без модификаций. Таким образом, оказалось необходимым разработать техническое решение этой проблемы, адаптировав систему SDH к передаче высокоскоростных цифровых сигналов.

Вариантом решения стал механизм конкатенации, позволяющая создать наиболее подходящие емкости для переноса трафика ЛВС по сети SDH.

Вторая проблема – проблема передачи пакетного трафика. Как известно, технология SDH создавалась как технология первичной сети с коммутацией каналов. Для канала же характерна фиксированная скорость передачи. Технология NGN, напротив, ориентирована на сети с коммутацией пакетов. А для пакетного трафика характерна высокая неравномерность скорости, такие параметры как среднее число пакетов за выбранный интервал времени, размер пакетов, не являются постоянными. Есть моменты времени, когда на вход системы не поступают пакеты вообще, или же наоборот - длительное время наблюдается максимальная загрузка. Пакетный трафик носит «пульсирующий» характер, и, чтобы эффективно разместить его пакеты переменной длины в контейнер, необходимы дополнительные процедуры.

Отсутствует регулярная структура потока - время появления пакета или начало кадра, как и размеры их - величины случайные, что вносит существенные трудности при согласовании скоростей. Механизм адаптации пакетного трафика, асинхронного по своей природе, к каналам с постоянной битовой скоростью не должен вносить переменные задержки в передачу пакетов, поскольку в сетях с коммутацией пакетов время доставки, или задержки, играет важную роль и является одним из главных параметров качества обслуживания. Нельзя просто организовать большую очередь из входящих пакетов, дождаться, когда их будет достаточное число, чтобы плотно заполнить контейнер, а потом отправить его в сеть SDH. Такой подход, конечно же, позволит использовать ресурс SDH на 100%, однако такой линией связи невозможно будет пользоваться из-за того что время доставки пакета будет определятся тем, попал он в конец очереди или в начало, то есть будет случайным, а для многих современных приложений - так называемых приложений реального времени - гарантированное время доставки имеет важное, а иногда критическое значение.

Также не рациональна будет другая крайность - входящие кадры или пакеты сразу же пускать в обработку и передавать в сеть SDH. В этом случае задержки возникать не будут, но будут пустоты в контейнерах, и ресурс не будет эффективно использован.

Потребовалось создать механизм адаптации пакетного трафика к каналу с постоянной битовой скоростью для обеспечения согласования скоростей, при этом максимально полно использовать каналы SDH.

 

2. NG SDH – общие положения

 

Для преодоления этих ограничений, производители SDH оборудования пошли по пути создания систем SDH следующего поколения (Next Generation SDH, NG SDH). Оборудование NG SDH имеет интегрированные интерфейсы передачи данных (в частности, Ethernet), а также использует новые технологии, которые позволяют более эффективно выделять требуемую полосу для служб данных и обеспечивать низкую стоимость внедрения этих технологий в уже существующие сети, так как поддержка дополнительной функциональности требуется только на граничных узлах сети.

Системы SDH следующего поколения — многофункцональные мультисервисные платформы, предоставляющие множество услуг без дороговизны и сложности наложенных сетей.

 

Таблица 11.1 - Сравнение «классической» SDH и NG SDH

Функция	«Классическая» SDH	NG SDH
Основное назначение	Обеспечить между двумя точками TDM канал первичной сети	Обеспечить между двумя точками коридор передачи трафика IP
Параметры канала	Уровни PDH	Коридор произвольной пропускной способности
Интерфейсы доступа	PDH Рек. G.703	Произвольные. Наиболее часто 10/100/100/10000 Ethernet

 

Компоненты NG SDH

Принято считать, что система SDH относится к новому поколнию, если она включает поддержку следующих компонент:

· Общая процедура разбиения на кадры (General Framing Procedure, GFP), которая обеспечивает адаптацию асинхронного трафика данных на основе кадров переменной длины к байт ориентированному трафику SDH с минимальными задержками и избыточностью заголовков; ITU-T G.7041

· Виртуальная конкатенация (Virtual Concatenation, VCAT), обеспечивает возможность объединения на логическом уровне нескольких контейнеров VC-12, VC-3 или VC-4 в один канал передачи данных. ITU-T G.707, G.783

· Схема регулировки емкости канала (Link Capacity Adjustment Scheme, LCAS) — позволяет реализовать любые изменения пропускной способности без прекращения передачи данных. ITU-T G.7042

 

Конкатенация в SDH

 

Для эффективного использования ресурсов транспортных сетей SDH можно задействовать процедуры конкатенации, т.е. сцепление емкости, например, нескольких VC-3 для передачи трафика 1 Гбит Ethernet или 10 Гбит Ethernet. Известны два типа цепочек из контейнеров: последовательная конкатенация CCAT (Contiguous Concatenation) и виртуальная конкатенация VCAT (Virtual Concatenation). При этом ССАТ допускает объединение определенного числа контейнеров, например, VC-4-Xc (X = 4, 16, 64, 256), а VCAT предполагает возможность объединения любого числа VC-12, VC-3, VC-4: VC-12-Хv и VC-3/4-Xv (для последнего, например, Х = 1, …, 256).

Недостатком последовательной конкатенации является необходимость ее поддержки всеми сетевыми элементами сети. Отдельные контейнеры или блоки нагрузки соединены друг с другом в одно целое и могут перемещаться вместе, т.е. использование разных путей для отдельных контейнеров или блоков нагрузки невозможно. Это ведет к сложности взаимодействия транспортной сети и пользовательской нагрузки. Например, сеть SDH в варианте ССАТ предлагает только четыре значения пропускной способности: 600, 2400, 9600 и 38400 Мбит/с с соответствующими каналами STM-4, STM-16, STM-64, STM-256. Это неэффективно, например, для 1 Гбит Ethernet.

Указанный недостаток последовательной конкатенации преодолевается в виртуальной конкатенации. Процедура VCAT позволяет передавать сцепленные контейнеры или блоки нагрузки различными маршрутами. Таким образом, для поддержки VCAT необходимы только два оконечных мультиплексора.

Виртуальная конкатенация логически связывает индивидуальные контейнеры в одно соединение. Любое количество контейнеров любого типа (VC-12, VC-3 или VC-4) может быть сгруппировано вместе, образуя логический канал.

 Это обеспечивает лучшую степень детализации полосы, чем достигается использованием традиционной техники и дает возможность гибкого выделения полосы для трафика данных, позволяя эффективно использовать пропускную способность SDH.

 В таблице 11.2 приведен пример числового сравнения процедур VCAT и CCAT.

На рисунке 11.1 представлена схема виртуальной конкатенации в транспортной сети и ее сочетание с процедурами GFP и LCAS.

 

Таблица 11.2 - Сравнительная оценка VCAT и ССАТ

Нагрузка	Скорость	ССАТ	VCAT
Ethernet	10 Мбит/с	VC-3 (20%)	VC-12-5v (100%)
Fast Ethernet	100 Мбит/с	VC-4 (67%)	VC-3-2v (100%)
Gigabit Ethernet	1000 Мбит/с	VC-4-16с (42%)	VC-4-7v (95%)

 

Рисунок 11.1 Виртуальная конкатенация в транспортной сети