Новое поколение протоколов SDH

Изначально технология SDH была ориентирована на передачу элементарных потоков голосового трафика, отсюда и ее ориентация на мультиплексирование пользовательских потоков со скоростями, кратными 64 Кбит/с, и применение коэффициента кратности 4 для иерархии скоростей.

Однако популярность Интернета изменила ситуацию в телекоммуникационном мире, и се­годня объемы компьютерного трафика в первичных сетях превосходят объемы голосового трафика. В условиях доминирования Ethernet как технологии канального уровня почти весь компьютерный трафик, поступающий на входы мультиплексоров первичных сетей, представляет собой кадры Ethernet, а значит, представлен иерархией скоростей 10-100- 1000-10 000 Мбит/с. Пользовательские потоки с такими скоростями не очень эффективно укладываются в виртуальные контейнеры SDH, рассчитанные на решение других задач.

Для исправления ситуации организация ITU-T разработала несколько стандартов, которые составляют так называемую технологию SDH нового поколения (SDH Next Generation, или SDH NG). Эти стандарты делают технологию SDH более дружественной к компью­терным данным.

Стандарты SDH нового поколения описывают три новых механизма:

виртуальная конкатенация (VCAT);

схема динамического изменения пропускной способности линии (LCAS);

общая процедура инкапсуляции (кадрирования) данных (GFP).

Виртуальная конкатенация (Virtual Concatenation, VCAT) контейнеров позволяет более эффективно использовать емкость виртуальных контейнеров SDH при передаче трафика Ethernet.

У механизма виртуальной конкатенации существует предшественник — механизм смеж­ной конкатенации. Этот механизм был разработан для более эффективной передачи трафика сетей ATM; он позволяет объединить несколько контейнеров VC-4 со скоростью 140 Мбит/с в один контейнер с более высокой скоростью передачи данных. Коэффициент кратности объединения контейнеров VC-4 в механизме смежной конкатенации может быть равен 4,16,64 или 256, что позволяет использовать для передачи нескольких объеди­ненных (конкатенированных) контейнеров VC-4 в кадрах STM-4, STM-16, STM-64 или STM-256. Объединенный контейнер рассматривается как единица коммутации всеми мультиплексорами сети, он имеет только один указатель, так как отдельные виртуальные контейнеры внутри объединенного контейнера заполняются данными одного потока и не могут «плавать» друг относительно друга. При смежной конкатенации объединенный контейнер обозначается как VC-4-4/16/64/256c.

Виртуальная конкатенация расширяет возможности смежной конкатенации за счет ис­пользования 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 мак­симального 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 муль­типлексоры (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 виртуаль­ные 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 конкате­нацию 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 кон­тейнера 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 конкатена­ции. 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 применя­ем 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 работы: GFP-F (кадровый режим, или Frame Mode) и GFP-T (прозрачный режим, или Transparent Mode). В режиме GFP-F проблема выравнивания скоростей решается обыч­ным 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 выравнива­ния 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 поль­зователя. 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 пользо­вателя. 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 на­чалу 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 DWDM

Технология уплотненного волнового мультиплексирования (Dense Wave Division Multiplexing, DWDM), предназначена для создания оптических магистралей нового по­коления, работающих на мультигигабитных и терабитных скоростях. Такой революцион­ный 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.

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 демультиплексирова­ния, а именно — объединение различных волн в одном световом пучке и выделение инфор­мации каждого спектрального канала из общего сигнала. Наиболее развитые устройства DWDM могут также коммутировать волны.

ВНИМАНИЕ

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, предназна­ченные для связи двух сетей SDH. При такой простейшей двухточечной топологии спо­собность 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 пере­дачи 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 мультиплекси­рования (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. (По­скольку стандартной классификации WDM не существует, встречаются системы WDM и с другими характеристиками.)

Мультиплексирование DWDM называется «уплотненным» из-за того, что в нем исполь­зуется 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 (Δλ ≈ 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 ГГц (Δλ ≈ 0,4 нм), позволяющий передавать в этом же диа­пазоне 81 длину волны.

Некоторыми 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 экспери­ментальные 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 непосред­ственно 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 инфор­мацию. 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 ми­нимально возможную ширину спектра несущей волны, а также снизить уровень шумов, чтобы минимизировать эффект перекрытия спектра (рис. 11.14).

Рис. 11.14. Перекрытие спектра соседних волн для разных частотных планов и скоростей

передачи данных