Мультиплексирование асинхронное ATM

АТМ – пакетная технология коммутации, мультиплексирования и передачи, в которой используются пакеты фиксированной малой емкости, называемые ячейками (иногда в литературе фрагментами). В ячейке постоянной длины (емкости) 53 байта (октета – 8 битов – двоичных символов), для информации пользователя отведено 48 байт, а заголовок, 5 байт, содержит информации, необходимые для передачи, мультиплексирования и коммутации ячейки в устройствах сети АТМ (коммутаторах). Короткие ячейки, передаваемые очень большими скоростями (до 10…40 Гбит/с), обеспечивают сети большую гибкость и эффективность использования.

Формат ячейки 53 байта – компромиссное решение ITU-T между предложениями европейцев в 32 байта и североамериканцев и японцев 64 байта.

При формировании ячейки АТМ информация временно записывается, затем вносится в ячейку, и когда ячейка наполнится, она передается в сети. Если нет информации для передачи, то передается пустая ячейка, которая поддерживает физические транспортные функции (синхронизация приемника, контроля качества по ошибкам).

АТМ - технология коммуникации с ориентацией на соединение, т.е. до передачи данных между двумя оконечными устройствами должно быть установлено соединение. По информации пользователя сеть прокладывает путь передачи ячеек с определенной скоростью, отвечающей качеству услуг. Как правило, качество устанавливается по пиковой скорости передачи ячеек.

АТМ - технология, поддерживающая дэйтаграммные (бессвязные) услуги передачи данных без установления соединения.

Последовательность принимаемых ячеек АТМ в точке назначения одинакова последовательности ячеек посылаемых от источника.

АТМ обеспечивает возможность приспосабливания скорости передачи к скорости генерирования информационных данных, т.е. рациональное использование емкости сети за счет статистического мультиплексирования.

Мультиплексирование в АТМ обеспечивает простую интеграцию разной исходной информации по одному физическому тракту.

АТМ независим от существующей системы передачи, т.е. физических транспортных функций. Ячейки могут размещаться в циклах SDH (Synchronous Digital Hierarchy) и PDH (Plesiochronous Digital Hierarchy).

Возможности АТМ коммутации:

• контроль соединения и сброс соединения, если сеть не располагает достаточными ресурсами;

• контроль перегрузки – ограничение нагрузки в приемлемых пределах;

• распределение ресурсов сети на основе договора о выделении полосы частот (скорости) и буферной памяти;

• контроль параметров трафика, например пиковой и средней скорости в соединении.

Ячейки АТМ при передаче и коммутации испытывают задержки:

• неравномерность времени передачи ячеек CDV (Cell Delay Variation);

• отклонение во времени при разборке/сборке ячеек CAD (Cell Assembly/ Reassembly Delay).

Каждая АТМ ячейка (пакет) содержит в заголовке адрес (маршрут) передачи, который является уникальным идентификатором каждой ячейки. Процедуры формирования ячеек (пакетов) АТМ и их мультиплексирование демонстрируется на рисунке 2.20.

Рисунок 2.20. Формирование и мультиплексирование ячеек АТМ

Входные потоки данных разных пользователей, имеющие разные скорости (64 кбит/с; 2 Мбит/с; 34 Мбит/с и другие), разбиваются на блоки данных. При этом, чем выше скорость потока, тем больше блок данных. Каждый блок данных разбивается на одинаковые сегменты. В технологии АТМ сегменты имеют объем 48 байт. Очевидно, что чем выше скорость входящих данных, тем больше сегментов формируется при адаптации. Ниже каждый сегмент получает индивидуальный заголовок и далее передается для транспортирования через сеть (общий физический канал). Полная структура ячейки (пакета) АТМ, предназначенного для передачи через различные участки сети АТМ, представлена на рисунке 2.21.

Рисунок 2.21. Ячейка АТМ и виды заголовков

Заголовки ячеек бывают двух типов. Первый тип заголовка, названный UNI (рисунок 2.21), предназначен для участка сети "пользователь-сеть". Второй тип заголовка, названный NNI, предназначен для обмена между узлами сети АТМ.

Каждый элемент заголовка ячейки АТМ имеет определенное назначение.

GFC(Generic Flow Control) – контроль общего потока (на участке пользователь-сеть).

VCI и VPI (Virtual Channel Identifier, Virtual Path Identifier) – иденти-фикаторы виртуального пути (VPI) и канала (VCI).

Каждая ячейка АТМ содержит в заголовке адрес, состоящий из двух частей: идентификатора виртуального пути (VPI) и идентификатора виртуального канала (VCI). Этот адрес дает уникальную идентификацию виртуального соединения АТМ на физическом интерфейсе.

При этом понятие "виртуальное соединение" предполагает наличие соединения по запросу пользователя, т.е. в моменты обмена данными и при этом создается иллюзия существования непрерывного канала, но на самом деле физического соединения нет.

Физический путь передачи содержит один или несколько виртуальных путей, каждый из которых состоит из одного или нескольких виртуальных каналов. VPI и VCI связаны с конкретным соединением на заданном пути передачи и имеют только локальное значение для каждого коммутатора. Коммутатор преобразует входные пути VPI и каналы VCI в выходные VPI и VCI, что демонстрируется на рисунке 2.22.

Рисунок 2.22. Назначение идентификаторов VPI и VCI

Между узлами и терминалами сети образуются виртуальные пути и виртуальные каналы. Адресное пространство на участке терминал-сеть (А-Б или Д-Е) составляет 28 VPI и 216 VCI, а на участке между коммутаторами (В-Г) составит 212 VPI и 216 VCI. На участках сети АТМ А-В и Г-Е сохраняется идентификатор виртуального канала (VCI 57 и VCI 15), но изменяется идентификатор виртуального пути VPI 2 - VPI 7 и VPI 3 - VPI 1. Это изменение происходит в кроссовом коммутаторе ATM (Cross Connect). Общая структура коммутатора приведена на рисунке 2.23.

Рисунок 2.23. Общая структура коммутатора АТМ

Виртуальные каналы, создаваемые в сети АТМ, могут быть представлены тремя видами:

PVC (Permanent Virtual Circuit) – постоянные виртуальные каналы – это постоянное соединение между двумя оконечными станциями, которое устанавливается в процессе конфигурирования сети;

SVC (Switched Virtual Circuit) – коммутируемые виртуальные каналы – устанавливается соединение каждый раз, когда одна оконечная станция пытается адресовать данные другой оконечной станции. При этом когда посылающая станция запрашивает соединение, сеть АТМ распространяет адресные таблицы и сообщает этой станции VCI и VPI, включаемые в заголовок ячейки. SVC устанавливается динамически.

SPVC – это гибрид PVC и SVC. SPVC обладает лучшими свойствами двух видов виртуальных каналов. Позволяет заранее задать конечные станции и некоторые связи, т.е. экономить время на установление соединения.

Три бита PTI (Payload Type Identificates) – идентификатор типа полезной нагрузки, используемый для описания типа полезной нагрузки (данные пользователя или сетевое сообщение, таблица 2.5).

Таблица 2.5. Кодирование идентификатора РТ

Кодовая комбинация	Тип потока	Индикатор перегрузки	Тип блока данных
	0 Пользователя	0 Нет перегрузки	0 Тип 0 блока
	0 Пользователя	0 Нет перегрузки	1 Тип 1 блока
	0 Пользователя	1 Есть перегрузка	0 Тип 0 блока
	0 Пользователя	1 Есть перегрузка	1 Тип 1 блока
	1 Сети	0 Обслуживание (сегмент за сегментом)
	1 Сети	0 Обслуживание из конца в конец
	1 Сети	1 Административное управление сетевыми ресурсами
	1 Сети	1 Резерв

CLP (Cell Loss Priority) – один бит заголовка содержит информацию о приоритете пакета АТМ. Приоритет устанавливается в коммутаторе в зависимости от состояния сети. CLP = 1 – высокий приоритет потери ячейки. Ячейки выбрасываются в первую очередь при перегрузке сети. CLP = 0 – низкий приоритет потерь.

Для синхронизации между передатчиком и приемником ячеек АТМ используется процедура поля HEC (Header Error Control) – контроль ошибок в заголовке. HEC кроме синхронизации обеспечивает обнаружение и частичное исправление ошибок в заголовке (рисунок 2.6).

Поток данных первых четырех байт делится в передатчике на многочлен х⁸+х²+х+1. Остаток от деления (8 бит) передается в поле HEC. Поле HEC для ячеек одного канала фиксировано. Приемник после каждых 53 байт фиксирует поле HEC. Если шесть раз подряд фиксируется одинаковое поле HEC, то приемник переходит в режим синхронизма. В этом режиме могут поддерживаться два состояния: обнаружение и исправление одиночных ошибок и обнаружение и не исправление многих ошибок в заголовках на определенном временном интервале или в заголовке.

В технологии АТМ принято различать следующие виды ячеек: пустые (свободные); исправные; неисправные; присвоенные; не присвоенные; ячейки сигнализации; ячейки управления и обслуживания.

Пустые (свободные) ячейки – ячейки физического уровня сети АТМ, которые предназначены для приспособления скорости передачи информационных ячеек по границе среды АТМ и среды физической к емкости системы передачи. С их помощью обеспечивается непрерывность потока ячеек.

Исправные ячейки – ячейки, которые имеют заголовок без ошибок, или на которых сделана коррекция на физическом уровне.

Неисправная ячейка – ячейки, заголовки которых содержат ошибки, которые неисправимы на физическом уровне. Такие ячейки подлежат отбрасыванию на физическом уровне, т.е. на уровне транспортировки в физической среде.

Присвоенные ячейки – ячейки, которые определены для конкретных услуг на уровне АТМ.

Ячейки без присвоения – ячейки, которые не содержат присвоения услугам уровня АТМ, но имеют значения VPI и VCI.

Ячейки сигнализации – ячейки, переносящие сигнальные сообщения между элементами сети для установления, поддержки или разъединения соединения в сети.

Ячейкиуправления и обслуживания – ячейки, которым определено переносить информацию администрирования и обслуживания (например, контроля и управления трафиком).

Для лучшего понимания процессов мультиплексирования в ATM рассматривается модель транспортировки ATM,состоящая из трех плоскостей: плоскости сигнализации и контроля, плоскости пользователя, плоскости управления. Эти плоскости связывают физический уровень, уровень АТМ, уровень адаптации АТМ и верхние уровни (сигнализации и служб). Структура модели приведена на рисунке 2.24.

Плоскость сигнализации и контроля обеспечивает установление, прекращение и контроль соединений. Для этого в плоскости предусмотрены функции сигнализации, адресации и маршрутизации. Благодаря этой плоскости создаются соединения.

Плоскость услуг (пользовательская) обеспечивает передачу информации в виде данных, аудио- и видео информации. Плоскость отвечает за защиту данных пользователя, управляет потоком данных.

Плоскость управления обеспечивает совместную работу двух первых плоскостей. Она позволяет координировать управление плоскостями и уровнями. Управление плоскостями позволяет получить единую систему с единым описанием, а управление уровнями обеспечивает предоставление требуемых от отдельных уровней ресурсов для конкретных случаев.

Рисунок 2.24. Трехмерная модель АТМ

Уровень адаптации АТМ (AAL, ATM Adaptation Layer) представляет собой набор протоколов AAL1 – AAL5, которые преобразуют сообщения протоколов верхних уровней в ячейки АТМ нужного формата, и наоборот, из ячеек восстанавливает информационные потоки. Уровень адаптации состоит из нескольких подуровней (рисунок 2.25)

Нижний подуровень AAL, называемый сегментирующим и собирающим (Segmentation and Reassemble, SAR), не зависит от типа протокола AAL, т.е. от трафика, и занимается разбиением (сегментированием) сообщения, принимаемого от верхнего подуровня.

Рисунок 2.25. Структура AAL

Сегмент составляет 48 байт. Далее сегмент получит заголовок (5 байт) и будет направлен на физический уровень в виде ячейки АТМ (53 байта).

Верхний подуровень AAL, называемый подуровнем конвергенции (Convergence Sublayer, CS), зависит от конкретного вида трафика. Протоколы CS решают многие задачи: синхронизацию передачи и приема, контроль битовых ошибок, мультиплексирование пользовательских данных и т.д.

Для нормальной работы AAL формируются служебные сообщения, включаемые в блоки данных перед сегментацией. Передача данных через уровень AAL может происходить в двух режимах: сообщения и потока. Благодаря AAL созданы несколько классов обслуживания (рисунок 2.26).

Рисунок 2.26. Адаптационные уровни и классы обслуживания

Уровень АТМ полностью не зависит от процессов физического уровня. Основная задача АТМ уровня состоит в подготовке данных, получаемых от AAL, для передачи в сеть на передаче. На приемной стороне ячейки, поступившие из сети, преобразуются в поток сегментов, направляемых на AAL. Кроме того, уровень АТМ транслирует ячейки в сети через коммутаторы, статистически мультиплексирует и демультиплексирует потоки ячеек.

Физический уровень – самый нижний уровень модели АТМ и определяет физический интерфейс. Он делится на два подуровня: подуровень согласования с системой передачи и подуровень физической среды (рисунок 2.27).

Физический уровень АТМ может быть реализован технологиями PDH, SDH, OTH и прямой передачей ячеек в физическую среду через конвертор линии, например, оптический, в котором происходит линейное кодирование/декодирование и модуляция несущей частоты.

Рисунок 2.27. Составляющие физического уровня АТМ

Мультиплексирование ОТН

Схема мультиплексирования и упаковки оптической транспортной иерархии ОТН (Optical Transport Hierarchy) отражает последовательность преобразований информационных данных и оптических сигналов в интерфейсе оптической сети. Схема представлена на рисунке 2.28. Процедуры преобразований показаны стрелками. Блоки схемы, изображенные в виде прямоугольников, предназначены под упаковку цифровых данных. Блоки схемы, изображенные в виде овалов, предназначены для операций мультиплексирования.

Рисунок 2.28. Схема мультиплексирования и упаковки ОТН

Таблица 2.6. Иерархические скорости и циклы ОТН

OTUk	Скорость, кбит/с	Отклонение скорости	Длительность цикла
OTU1	2 666 057	± 20× 10^–6	48,971 мкс
OTU2	10 709 225	12,191 мкс
OTU3	43 018 413	3,035 мкс

В результате операций упаковки создаются адаптированные блоки цифровых данных, которые передаются в оптических каналах, т.е. на отдельных волнах. В результате операций мультиплексирования создаются групповые блоки цифровых данных и групповые блоки оптических каналов с разделением по длине волны WDM. Отдельные блоки цифровой и оптической передачи имеют следующее назначение.

OPUk, Optical Channel Payload Unit-k, блок оптического канала нагрузки порядка k, где k = 1, 2, 3. Эта информационная структура используется для адаптации информации пользователя к транспортировке в оптическом канале. Адаптация производится на скорости 2.5Гбит/с, 10Гбит/с, 40Гбит/с. Это могут быть циклы SDH или другие цифровые потоки.

Блок OPUk состоит из поля информационной нагрузки и заголовка.

ODUk, Optical Data Unit-k, блок данных оптического канала порядка k, где k = 1, 2, 3. Эта информационная структура состоит из поля информации (OPUk) и заголовка.

ODUkP, ODUk Path – блок данных оптического канала порядка k, поддерживающий тракт из конца в конец оптической сети OTN (Optical Transport Network).

ODUkT, ODUkTCM – ODUk Tandem Connection Monitoring – блок данных оптического канала, поддерживающий наблюдение (мониторинг) парных (тандемных) соединений в оптической сети OTN. Один блок ODUkT допускает поддержку мониторинга до 6 тандемных сообщений.

OTUk, Optical Transport Unit-k, цифровой блок оптического канала транспортировки порядка k, где k = 1, 2, 3. Эта цифровая информационная структура используется для транспортировки ODUk через одно или большее число соединений (кроссовые соединения в узлах) оптических каналов. Блок OTUk определен в двух версиях: OTUkV и OTUk.

Блок OTUk рекомендован к применению на локальных участках OTN в полной и упрощенной формах исполнения.

Блок OTUkV характеризуется как частично стандартизированная структура и рекомендуемая для применения в составе оптического транспортного модуля ОТМ (Optical Transport Module) в полной форме исполнения. Блок OTUkV состоит из блока данных оптического канала, заголовка для управления соединением оптического канала и поля контроля/исправления ошибок FEC, Forward Error Correction (глава 8).

Для передачи в оптической секции формируются/расформировываются оптические транспортные модули OTM-n.m, OTM-nr.m, OTM-0.m. Индексы ОТМ определены для обозначения различных вариантов построения модулей.

Индекс " n " используется для обозначения максимального числа волн передачи. Если n = 0, то это признак одноволновой передачи.

Индекс " r " используется для обозначения упрощенных функций, в частности ОТМ не содержит отдельный канал передачи заголовков.

Индекс " m " используется для обозначения иерархической ступени ОТН с соответствующей скоростью передачи в варианте комбинирования скоростей. Он является расширенным по сравнению с индексом " k " обозначением (m = 1, 2, 3, 12, 123, 23).

Индекс " k " используется для обозначения поддерживаемой иерархической скорости ОТН. k = 1 соответствует примерно скорости 2,5 Гбит/с, k = 2 соответствует примерно скорости 10 Гбит/с, k = 3 соответствует примерно скорости 40 Гбит/с.

Передача в оптической физической секции, включающей в свой состав усилители, компенсаторы дисперсии, волоконные световоды, предусмотрена в виде многоволнового оптического сигнала, состоящего из одного или нескольких OTM. Порядок волновой передачи OTM определен индексом " n ", который может быть 0 ≤ n ≤16.

Цифровые блоки данных OTUk, где k = 1, 2, 3, образуют оптическую транспортную иерархию ОТН, для которой определены скорости передачи информации, цикличность и структура цикла. В таблице 2.6 представлены скорости передачи OTUk и их периодичность.

На рисунке 2.29 приведена общая структура OTUk, при создании которой на этапах мультиплексирования применяется побайтовое объединение информационных данных ODUk в групповые блоки ODTUGk, где k = 1, 2, 3. Формирование структур OTUk, ODUk и OPUk связано с присоединением заголовков ОН и согласованием скоростей.

Цикл OTUk начинается синхрословом FAOH емкостью 7 байт в головной части. В завершении цикла применяется блок 4´ 256 байт, который может быть представлен кодом Рида-Соломона RS (Reed-Solomon) или содержать нулевое заполнение (глава 8).

Передача байт блоков OTUk производится слева на право и сверху вниз байт за байтом (рисунок 2.30).

Конечным результатом исполнения операций схемы мультиплексирования является оптический транспортный модуль ОТМ в одном из трех вариантов: OTM-0.m; OTM-nr.m и OTM-n.m. В этих вариантах ОТМ могут сочетаться различные по скорости оптических каналов, с загружаемыми в них OTUk. Например, OTM-n.1 переносит сигналы OTU1 в n -оптических каналах или OTM-n.23 переносит j количество сигналов OTU2 и I количество сигналов OTU3, а сумма соответствует неравенству i + j ≤ n.

Рисунок 2.29. Структура цикла OTUk

Рисунок 2.30. Порядок передачи OTUk

Блок оптического канала OCh предназначен для транспортировк информационных данных пользователя сети OTN. В каждом оптическом канале OCh производится регенерация цифровых сигналов по принципу 3R, т.е. восстановление амплитуды, формы и фазовых параметров электрических импульсов. Пользовательские сигналы в OCh представляют собой сигналы OTUk. Кроме того, OCh могут поддерживать передачу других цифровых сигналов, например STM-N, Гигабит Ethernet. Блок оптического канала может создавать сетевой цикл полной или упрощенной формы.

Полная форма цикла уровня OCh предполагает перенос пользовательских данных на отдельной оптической частоте и заголовка каждого оптического канала на общей оптической частоте для n -каналов, т.е. отдельным оптическим сервисным каналом (OOS).

Упрощенная форма сигнала уровня OCh исключает оптический сервисный канал.

Для каждого оптического канала OChn используется поле сигналов обслуживания, помещаемое в заголовке OOS.

Блок переноса оптического канала ОСС (Optical Channel Carrier) предназначен для модуляции/демодуляции оптической частоты. Он может исполнять функции в двух вариантах: ОСС и ОССr. Вариант блока ОСС используется в полнофункциональной схеме оптического мультиплексирования с формированием заголовка ОСС в секции оптического мультиплексирования OMS. Вариант блока OCCr используется в упрощенной схеме оптического мультиплексирования без заголовка ОСС.

Каждому блоку ОСС придается точно определенная оптическая частота, соответствующая стандарту DWDM или CWDM.

DWDM, Dense Wavelength Division Multiplexing – плотное мультиплексирование с разделением по длине волны.

CWDM, Coarse Wavelength Division Multiplexing – редкое мультиплексирование с разделением по длине волны.

Блок группирования оптических несущих частот порядка n OCG-n (Optical Carrier Group of order-n) предназначен для мультиплексирования/демультиплексирования до 16 частот (n < 16). Предусмотрено две разновидности группирования: OCG-n.m и OCG-nr.m.

Группирование OCG-n.m состоит в объединении/делении n оптических несущих частот с каналами нагрузки OTU-m в любом сочетании m (ОТU1, OTU2, OTU3) и канала обслуживания с заголовком ОСС.

Группирование OCG-nr.m состоит в объединении/делении n оптических несущих частот с каналами нагрузки OTU-m в любом сочетании m (ОТU1, OTU2, OTU3). В этом варианте группирования не предусмотрено отдельного ассоциированного заголовка.

Благодаря группированию OCG-n создается оптическая секция мультиплексирования OMS-n, в которой образуются блоки оптического мультиплексирования OMU-n (Optical Multiplex Union-n, n > 1).

Для поддержки уровня оптической секции мультиплексирования создается заголовок секции мультиплексирования OMS-n OH, транспортируемый в сервисном канале OOS.

Блок оптического транспортного модуля OTM-n.m поддерживает оптическую секцию передачи OTS-n в оптической транспортной сети OTN. Модуль OTM-n.m создается в OTS-n и состоит из оптических волн нагрузки (OMS-n) и отдельного заголовка OTS-n OH, передаваемого в OOS.

Понятие оптической секции передачи может быть ассоциировано с понятием оптической физической секции порядка n, OPS-n. В OPS-n передается многоволновый оптический сигнал по определенной физической среде (волокна, соответствующие рекомендациям G.652, G.653, G.655, G.656). Кроме того, допускается ассоциация OMS и OTS в OPS. Число n установлено не более 16. Очевидно, что в паре оптических волокон можно организовать несколько отдельных OPS, в каждом из которых может быть до 16 волн. Это возможно благодаря стандартной сетке частот, пример которой рассмотрен в главе 8.

На рисунке 2.31 приведена структура интерфейса оптической транспортной сети с рассмотренными обозначениями, соответствующими схеме мультиплексирования OTH. Этой структуре соответствует схема оптической системы передачи OTH с секциями и каналами (рисунок 2.32).

Рисунок 2.31. Структура интерфейса оптической транспортной сети

Рисунок 2.32. Схема оптической системы передачи с мультиплексированием OTH

В схеме оптической системы передачи с мультиплексированием OTH предусмотрены промежуточные ретрансляторы (R) многоволновых сигналов оптических транспортных модулей OTM, включенные в секции обслуживания OTS, оптические мультиплексоры OMX с соответствующим обслуживанием в секции OMS, транспондеры TPD c обслуживанием оптических каналов OCh, с функциями 3R регенераторов и обслуживанием цифровых блоков OPU, ODU, OUT (таблица 2.7) и загрузкой и выгрузкой информационных сигналов.

Таблица 2.7. Емкости цифровых блоков OTH