ОСНОВИ ТелекомунікаційнИХ мереж

М. Павликевич

ТЕЛЕКОМУНІКАЦІЙНІ МЕРЕЖІ

ОСНОВИ ТелекомунікаційнИХ мереж

Лекції для студентів cпеціальності

7.092402 “Інформаційні мережі зв’язку”

Львів, 2001

Зміст

 

ТЕЛЕКОМУНІКАЦІЙНІ МЕРЕЖІ............................................................................................................................................. 1

2.1. Основні поняття та означення.............................................................................................................................. 5

2.2. Класифікація мереж.................................................................................................................................................. 10

2.1.1. Загальні відомості.................................................................................................................................................... 10

2.1.2. Локальні мережі........................................................................................................................................................ 11

2.1.3. Глобальні та метропольні мережі...................................................................................................................... 13

2.1.4. Мережі типу "пункт-пункт" і широкомовні мережі..................................................................................... 14

2.3. Мультиплексування в мережах “пункт-пункт”........................................................................................... 16

2.1.5. Частотне мультиплексування............................................................................................................................... 17

2.1.6. Мультиплексування з поділом довжин хвиль.................................................................................................... 17

2.1.7. Часове мультиплексування..................................................................................................................................... 17

2.1.7.1. Плезіохронні мережі............................................................................................................................................ 19

2.1.7.2. Синхронні мережі................................................................................................................................................ 21

2.4. Комутація в мережах “пункт-пункт”............................................................................................................... 24

2.1.8. Комутація кіл............................................................................................................................................................. 25

2.1.9. Комутація повідомлень........................................................................................................................................... 26

2.1.10. Комутація пакетів.............................................................................................................................................. 27

2.1.11. Комутація і маршрутування............................................................................................................................ 29

2.5. Широкомовні мережі................................................................................................................................................ 30

2.1.12. Множинний доступ............................................................................................................................................. 31

2.1.12.1. Множинний доступ з поділом частот................................................................................................................. 31

2.1.12.2. Множинний доступ з поділом часу.................................................................................................................... 32

2.1.12.3. Множинний доступ з розпізнанням носія.......................................................................................................... 32

2.1.13. Множинний доступ із роширенням спектру................................................................................................ 33

2.6. Архітектура мереж..................................................................................................................................................... 33

2.1.14. Поняття мережевої архітектури.................................................................................................................. 34

2.1.15. Архітектура мереж, визначена просторовими вимогами....................................................................... 35

2.1.16. Архітектура мереж, визначена носіями інформації.................................................................................. 36

2.7. Поняття мережевого протоколу......................................................................................................................... 37

2.1.17. Ієрархія протоколів............................................................................................................................................ 38

2.1.18. Спільні питання для протоколів на різних рівнях....................................................................................... 41

2.8. Мережеві протоколи та еталонна модель OSI.............................................................................................. 43

2.1.19. Поширені протоколи Фізичного рівня............................................................................................................ 43

2.1.20. Протоколи Канального рівня............................................................................................................................ 44

2.1.21. Протоколи Транспортного і вищих рівнів.................................................................................................... 44

2.1.22. Деякі протоколи і послуги Рівня застосувань............................................................................................. 45

2.9. Стандарти мереж....................................................................................................................................................... 46

2.1.23. Основні міжнародні організації із стандартизації:.................................................................................. 46

2.1.24. Стандарти ISO/IEC............................................................................................................................................ 47

2.1.25. Стандарти IEEE 802.......................................................................................................................................... 47

2.1.26. Стандарти ANSI/TIA/EIA.................................................................................................................................. 51

Класифікація мереж

Загальні відомості

Телекомунікаційні мережі можуть бути класифіковані за рядом визначальних ознак. Найбільш поширені такі види класифікації.

· За географічним розташуванням:

· Локальна мережа (Local Area Network – LAN) – звичайно розташована межах будинку.

· Глобальна мережа (Wide Area Network – WAN) – охоплює географічний регіон (країну або континент).

· Метропольна мережа (Metropolitain Area Network – MAN) – застосовується для об’єднання мереж в місті в одну велику мережу.

· Internet – індивідуальні комп’ютери під’єднані до інших мереж у світі через публічну мережу(мережу загального користування).

· Intranet – індивідуальні комп’ютери під’єднані до інших мереж через приватну мережу.

· Віртуальна приватна мережа (Virtual Private Network – VPN) – індивідуальні комп’ютери під’єднані до інших мереж через сегмент публічної мережі.

· За структурою взаємозв’язків (топологією):

· Пункт-пункт (фізична або логічна).

· Кільце (фізичне або логічне).

· Шина (фізична).

· Широкомовна (логічна).

· Сітка (фізична або логічна).

· Комутована або з габами (фізична або логічна).

· За режимом комунікації:

· режим “пункт-пункт”: кожна пара вузлів має взаємозв’язок; цей зв’язок не використовується іншими вузлами;

· комутований режим: у мережі “пункт-пункт” необхідна кількість зв’язків зменшена за допомогою комутаторів;

· багатопунктовий (широкомовний) режим: спільний комунікаційний канал використовується всіма вузлами мережі.

· За швидкістю мережі:

· низькошвидкісна: швидкості від кбіт/с до Мбіт/с.

· високошвидкісна: швидкості від сотень Мбіт/с до Гбіт/с.

Нижче розглянені деякі особливості мереж відповідно до наведених класифікацій.

Локальні мережі

Локальна мережа (Local Area Network - LAN):

q Комунікаційна система даних, яка
(а) розміщена в просторово обмеженій області,
(б) має визначену групу користувачів,
(в) має визначену топологію і
(г) не є публічною комутованою телекомунікаційною мережею, однак може бути сполучена з нею.

Примітка 1. Локальні мережі звичайно обмежені до відносно невеликих просторів, таких як кімната, будинок, судно або літак.

Примітка 2. Взаємосполучення локальних мереж всередині обмеженого географічного простору (наприклад, всередині території університету) звичайно називають мережею кампусу.

Примітка 3. Локальні мережі не є суб’єктами правил для публічних телекомунікаційних мереж.

Отже, локальна мережа- цекомп’ютерна мережа, територіально обмежена до невеликого обшару розташування комп’ютерів (звичайно максимальна відстань між ними не перевищує декілька тисяч метрів). Однак локальні мережі не є простими у своїй будові, вони можуть об’єднувати сотні комп’ютерів і використовуватися тисячами людей. Мережеві технології LAN оперують із швидкостями від 10 Мб/с до декількох Гб/с. Опрацювання різних стандартів (протоколів) для мережевої взаємодії і для середовищ передавання даних створило можливості для поширення LAN у всьому світі, зокрема, для цілей бізнесу та освіти. LAN дозволяє користувачам спільний доступ до інформаційних та комп’ютерних ресурсів: засобів зберігання даних, програмного забезпечення, процесорів, периферійного обладнання, наприклад, до прінтерів, плоттерів.

Типова локальна мережа утворена комп’ютерами, картами мережевого інтерфейсу (Network Interface Card - NIC), які містяться всередині комп’ютерів, під’єднаних до мережі, кабельними системами і мережевим обладнанням, які сполучають ці комп’ютери, програмним забезпеченням протоколів (protocol software), яке здійснює переміщення даних від комп’ютера до комп’ютера, програмним інтерфейсом користувача (user interface software), яке дозволяє користувачу доступ до мережі, мережевою операційною системою (network operating system), яка надає послуги, необхідні користувачу для доступу до наявних ресурсів, програмним забезпеченням для управління мережею та програмним забезпеченням мережевих застосувань. Об’єднання двох або більшої кількості локальних комп’ютерних комунікаційних мереж в англомовній літературі часто називають інтернетом (internet - з малої літери!).

Спільні характеристики локальних мереж:

· максимальна відстань між вузлами не більше декількох кілометрів;

· типова швидкість пересилання даних до Гбіт/с;

· звичайно є власністю організацій.

Приклади поширених стандартів локальних мереж:

· Ethernet: стандарт IEEE 802.3;

· Token Bus: стандарт IEEE 802.4;

· Token Ring: стандарт IEEE 802.5;

· FDDI: стандарт ANSI X3T9.5.

Основні завдання локальних комп’ютерних мереж полягають у наступному.

Спільне використання ресурсів. Метою побудови мережі є створення кожному її користувачу можливості доступу до програмного забезпечення, інформаційних ресурсів та інших засобів мережі незалежно від місця фізичного розташування цих засобів і користувача, тобто спроба перебороти так звану “тиранію географії”. Багато застосувань мережі сконцентровані на можливостях використання централізованих інформаційних засобів і баз даних. Як приклад можна навести банківські системи, системи резервування квитків на транспорті, медичні та технічні діагностичні системи, системи дистанційного навчання тощо.

Підвищення надійності. Другою метою побудови мережі є досягнення високої надійності роботи систем, які опираються на комп’ютерні ресурси, внаслідок можливості використання альтернативних інформаційно-обчислювальних засобів. Аварія одного комп’ютера в мережі не приводить до серйозних проблем, оскільки існує можливість отримання необхідних послуг від інших комп’ютерів, увімкнених в мережу.

Економія коштів. Наступною метою побудови мережі є прагнення отримати необхідні інформаційні або обчислювальні послуги, витрачаючи на це менші кошти. Менші комп’ютери мають значно краще співвідношення між вартістю і параметрами, ніж один великий комп’ютер. Це привело до економічної доцільності побудови інформаційно-обчислювальних систем, які складаються з великої кількості достатньо потужних персональних комп’ютерів або робочих станцій, по одному на користувача, і отримують інформаційні або обчислювальні послуги від значно меншої кількості розподілених і спільно використовуваних серверів. Дуже суттєвим джерелом економії коштів є те, що у випадку застосування великої кількості малих комп’ютерів програмне забезпечення тиражується у великих масштабах, а це суттєво зменшує його ціну із розрахунку на одного користувача.

Використання комунікаційного середовища. Комп’ютерна мережа забезпечує існування потужного комунікаційного середовища, доступного для всіх користувачів. Це дозволяє, зокрема, організувати діяльність робочих груп, учасники яких можуть бути територіально розташовані довільно, алк можуть спільно працювати над тими самимим документами. При цьому будь-яка зміна, здійснена в документі одним з учасників групи, практично негайно стає доступною іншим учасникам цієї групи. Існують можливості для проведення телеконференцій, у тому числі з використанням відео, адсесного пересилання інформації за допомогою електронної пошти, організації електронних дошок оголошень, новин за інтересами, групових дискусій та інших можливостей оперативної комунікації між людьми, незалежно від відстані, яка їх розділяє. Необхідно, однак, відзначити економічну доцільність концентрації трафіку на відносно невеликих територіях, тобто у відносно малій системі високошвидкісних комунікаційних сполучень.

Віддалені обчислювальні послуги. Комп’ютерна мережа дозволяє виконувати задачі, пов’язані з виконанням складних обчислень, на віддалених потужних обчислювальних системах (наприклад, суперкомп’ютерах або розподілених обчилювальних системах) з можливістю постановки задачі та отримання результатів на робочій станції або персональному комп’ютері користувача у зручній для нього, як правило, графічній формі. Хоч великі процесори значно швидші від найпотужніших мікропроцесорів (щонайменше в 10 разів), однак їх вартість у тисячі разів перевищує вартість мікропроцесорів, тому проектанти розподілених обчислювальних систем об'днують багато мікропроцесорів між собою, щоб замінити ними великий процесор і тим самим зменшити кошти. Додатковою перевагою розподілених обчислювальних систем є значно вища надійність, бо аварія декількох мікропроцесорів у великій розподіленій обчислювальній системі тільки незначно впливає на її продуктивність, не позбавляючи при цьому жодного з користувачів доступу до обчислювальних послуг. Крім того, існує можливість адаптації продуктивності розподіленої обчислювальної системи до складності задачі через динамічне регулювання кількості процесорів, застосованих для вирішення даної задачі.

Частотне мультиплексування

Частотне мультиплексування (frequency-division multiplexing - FDM):

· Виділення двох або більшесуцільних каналів у передавальному середавищі шляхом призначення окремої частини наявного частотного спектру кожному окремому каналу.

При мультиплексуванні з поділом частот (frequency-divided multiplexing – FDM) або, коротше, частотному мультиплексуванні наявна ширина смуги комунікаційного каналу спільно використовується багатьма користувачами за допомогою переносу частот або модуляції носіїв з різними частотами, виділеними індивідуально для кожного користувача. Приймаючи, що здійснено ефективне розділення частот носіїв, так що діапазони частот модульованих сигналів не перекриваються, на приймальному кінці можливе відновлення кожного інформаційного сигналу. Для запобігання перекриттю частот і для спрощення фільтрації кожен із модульованих сигналів відділений захисною смугою, яка займає невикористану частину наявного частотного спектру. Кожному користувачу на постійно призначений певний діапазон частот.

Хоч кожен інформаційний сигнал користувача може бути аналоговим або цифровим, об’єднаний FDM-сигнал є аналоговим і тому повинен пересилатися через аналоговий канал. Приклади використання FDM можна знайти в старих передавальних телефонних системах для великих відстаней та в аналокових мікрохвильових системах пункт-пункт.

Часове мультиплексування

Часове мультиплексування (time-division multiplexing - TDM): Цифрове мультиплексування, при якому два або більше явно одночасних каналів виділяють з того самого частотного спектру, тобто з потоку бітів, у якому почергові імпульси репрезентують біти, які належать різним каналам.

Мультиплексування може бути здійснене через почергове поступлення часових сегментів від різних сигналів у спільний передавальний шляху – процес, відомий як мультиплексування з поділом часу (time division multiplexing – TDM) або часове мультиплексування.

У типових системах TDM дані від багатьох користувачів поступають в часовий мультиплексор. Тоді комутатор сканера послідовно вибирає дані від кожного із користувачів для формування складного TDM-сигналу. Кожен шлях користувацьких даних сприймається як вирівняний в часі або зсинхронізований із будь-яким іншим шляхом користувацьких даних і з механізмом сканування. Якщо б із кожного із джерел даних можна було вибрати тільки один біт, то сканувальний механізм міг би вибирати значення біта, що поступає від кожного з багатьох джерел даних. Однак на приктиці сканувальний механізм звичайно виділяє слот даних, який містить багато бітів від даних конкретного користувача; далі комутатор сканера перемикається до наступного користувача і виділяє наступний слот і т.д.

Кожному користувачу на постійно приписано певну часову щілину, яка вміщає слот даних.

Часова щілина:

· Період часу, протягом якого певна діяльність керована особливими правилами.

· Часовий інтервал, який може бути визнаний і означений унікальним чином.

Часове мультиплексування багатьох сигналів можливе тільки тоді, коли можлива швидкість даних в каналі перевищує швидкість даних від усіх користувачів. Хоч TDM принципово можна застосувати як до аналогових, так і до цифрових сигналів, однак на практиці воно вживається виключно для цифрових сигналів. Результуючий складний сигнал теж цифровий.

Використання TDM дозволяє спростити завдання об’єднання в мережу різних типів телекомунікаційного обладнання. Без використання TDM телефони, факси та та інші пристрої для даних потребують використання окремих ліній. Звичайно голос, низькошвидкісні застосування даних використовують аналогові лінії, тоді як високошвидкісні застосування даних обслуговуються цифровими лініями. При використанні мультиплексування з поділом часу TDM-канал транспортує як голос, так і дані через те саме комунікаційне сполучення. Внаслідок вилучення кількості ліній, необхідних для переносу інформації, спрощується адміністрування мережею.

Одним із найбільш важливих питань при розгляді систем часового мультиплексування є проблема синхронізації. Для синхронізації використовують послідовність періодичних імпульсів, яка переносить інформацію про час, так що приймальний кінець каналу знає, як розміщені одиниці та нулі у вхідному потоці. Для подальшого важливо вказати на відмінності між поняттями синхронності, плезіохронності та асинхронності.

Синхронність:

· Належність до співвідношення між двома або більше сигналами, які повторюються і мають одночасну появу значівних моментів.

· Належність до синхронізму. “Синхронність” або “асинхронність” є відношеннями.

Плезіохронність:

· Співвідношення між двома сигналами, таке що їх відповідні значівні моменти з’являються номінально у тому самому темпі; а будь-які відхилення обмежені визначеними границями. Це не обмежує різницю фаз, яка може нагромаджуватися між двома значівними моментами протягом тривалого періоду часу.

У синхронних системах переходи у цифрових сигналах відбуваються із точно однаковою швидкістю. Відмінності у часі затримки пересилання цих сигналів або дрижання в мережі можуть обумовити появу фазових різниць між переходами. Ці фазові відмінності обмежені жорсткими границями. У синхронних системах всі тактові генератори когерентні, тобто всі вони базуються на одному стабільному годиннику - первинному еталоні часу (Primary Reference Clock – PRC). Точність первинного еталону часу краща від ±1´10¹¹ і забезпечується цезієвим атомним стандартом.

У плезіохронних сиситемах переходи у цифрових сигналах відбуваються із майже однаковою швидкістю (plesio=майже). Плезіохронні відмінності між тактовими генераторами виникають між двома мережами, якщо вони використовують різні PRC. Хоч ці еталонні годинники максимально точні, однак вони некогерентні і тому між ними виникають різниці.

В асинхронних системах переходи у сигналах не відбуваються із однаковою швидкістю. Це еквівалентне плезіохронним системам, в яких відмінності між частотами тактових генераторів значно більші. Ці генератори некогерентні, наприклад, вони можуть працювати від двох різних незалежних кварцевих генераторів. Звичайно системи пересилання асинхронні. Кожен термінал у мережі використовує власний тактовий генератор, не синхронізований з іншими. Це приводить до великих і неконтрольованих різниць між швидкостями даних у різних сигналах в мережі.

Мультиплексування сигналів, несинхронізованих один з одним, вимагає пристосування до найбільшого можливого відхилення сигнальної (бітової) швидкості цих сигналів. Тому в асинхронних системах мультиплексований сигнал повинен мати значно більшу швидкість від суми швидкостей його складових для врахуванням відхилень. Коли швидкість сигналів менша від максимально можливої, до для мультиплексованого сигналу генеруються надлишкові біти; це називають вирівнюванням бітами або набивкою бітів (bit stuffing). Внаслідок цього мультиплексування не здійснюється кратними кроками, що веде до дуже складної схеми мультиплексування та збільшує вартість обладнання.

У синхронних системах середні частоти всіх тактових генераторів однакові, бо частота кожного генератора походить від високостабільного первинного стандарту часу. Оскільки швидкості даних у всіх сигналах мають однакове номінальне значення, то це максимально спрощує схему мультиплексування. Різні сигнали нижчих рівнів можуть бути об’єднанні для отримання сигналу вищого рівня без вирівнювання. У свою чергу, сигнали нижчих рівнів розрізняються із вищих рівнів і їх можна безпосередньо виділити.

Плезіохронні мережі

Більшість сучасних телекомунікаційних систем використовують певну форму TDM для пересилання через маршрути з великими відстанями. Мультиплексований сигнал може бути висланий безпосередньо через кабельну систему, або він може модулювати коливання-носій для пересилання за допомогою радіохвиль. Прикладами систем із безпосереднім пересиланням через кабельну систему є Північноамериканська система T1, впроваджена у 1962 р., европейська система E1 і японська система J1. Американська, европейська і японська версії суттєво відрізняються між собою швидкостями пересилання та застосованими протоколами сигналізації і безпосередньо несумісні.

Ієрархії T1/E1 описують клас плезіохронних мереж, тому для неї використовують назву плезіохронна цифрова ієрархія (Plesiochronous Digital Hierarchy – PDH).

Т1 – це виділений цифровий телекомунікаційний канал (позначення “T” походить від trunk – магістраль), який забезпечує пересилання сигналів голосу, даних і відео із швидкістю 1.544 Мбіт/с у мережевій топології пункт-пункт. Для пересилання сигналів голосу або відео через цифровий канал ці сигнали попередньо повинні бути перетворені у цифрову форму, звичайно з використанням технології PCM. Цифрові сигнали об’єднуються (мультиплексуються) і пересилаються через окремий канал T1 з використанням техніки TDM.

Зручний спосіб для розуміння T1 полягає у його трактуванні з позиції перших двох рівнів еталонної моделі OSI – Фізичного і Канального. Позначення “T” відноситься до Фізичного рівня і характеризує електричні характеристики сигналу, такі як форма сигналів, рівні напруг тощо, тоді як позначення “DS” (цифровий сигнал) – до Канального рівня і описує передовсім питання формату даних і синхронізації – як дані виділяються з протоколів нижчих рівнів. Часто ці позначення вживають одне замість одного, що некоректно з технічного погляду.

E1 – це европейський еквівалент американського T1. Хоч як E1, так і T1 використовують канали 64 кбіт/с, однак вони відрізняються в багатьох аспектах. E1 – це виділений цифровий канал, який використовується в топології пункт-пункт із швидкістю пересилання даних 2.048 Мбіт/с і містить 32 канали (порівняно із 24 у T1). Із цих 32 каналів 30 каналів пересилають голос або дані, а два використовуються як службові. Із двох службових каналів один використовує часову щілину 16 і вживається для сигналізації та здійснення нагляду за каналом (наприклад, за тим, коли піднято або покладено телефонну трубку). Інший службовий канал використовує часову щілину 0 і вживається для синхронізації, управління каналом і контрою синхронізації рамок. Часова тривалість рамки E1 дорівнює 125 мкс. На відміну від T1, Е1 завжди забезпечує “чисті” канали 64 кбіт/с.

Дробові T1/E1 (fractional T1/E1) використовують таку ж технологію і спосіб під’єднання, як повні T1/E1, однак при цій технології відповідний канал T1 або E1 може бути подрібнений на окремі DS0 або їх групи, щоб надати користувачу таку смугу, яка йому необхідна. Користувач може не використовувати повну кількість наявних каналів (24 для T1 або 30 для E1), а вибрати потрібну йому кількість, заощаджуючи при цьому кошти. При цьому фізичний канал до користувача пропускає повну смугу T1 або E1 відповідно, однак корисне заповнення має тільки частина часових щілин. Невикористані часові щілини заповнюються “1”. Інші користувачі можуть використати решту часових щілин того самого каналу, чим осягається економія коштів. У пункті доступу цифрові сигнали DS0 від окремих користувачів мультиплексуються у повний канал T1/E1 (при цьому видаляють заповнення “1”), при потребі мультиплексуються далі та пересилаються. На приймальному кінці в пункті доступу сигнал DS1 демультиплексується так, щоб до кожного користувача висилати тільки потрібні йому часові щілини, а невикористані ним DS0 знову заповнити “1”. Користувачу пересилається повний сигнал DS1, а його термінальне обладнання CSU/DSU ігнорує всі невикористані канали DS0. Така форма отримання послуг поширена, зокрема, для доступу до Internet.

Схема мультиплексування описує ієрархію Т1 (таблиця 2.1).

Таблиця 2.1. Ієрархія T1.

Сигнальний рівень	Канал	Кількість каналів Т1	Кількість голосових кіл	Швидкість, Мбіт/с
DS0	-	1/24		0.064
DS1	T1			1.544
DS1C	T1C			3.152
DS2	T2			6.312
DS3	T3			44.736
DS4	T4			274.176

Легко зауважити, що швидкість у каналі T1C не кратна швидкості T1. Це пояснюється тим, що рамка T1C має довжину 1272 біти і суттєво відрізняється від 193-бітової рамки T1. Взагалі потік даних DS1C в каналі T1C і потоки даних вищих сигнальних рівнів трактуються просто як послідовності бітів.

Европейська ієрархія E1 наведена в таблиці 2.2.

Таблиця 2.2. Ієрархія E1.

Позначення	Швидкість, Мбіт/с	Кількість голосових кіл
E-0	0.064
E-1	2.048
E-2	8.448
E-3	34.368
E-4	139.264
E-5	565.148

Для порівняння схеми мультиплексування в стандартах ANSI та ITU-T зображені на рис.2.3.

Рис. 2.3. Порівняння схем мультиплексування в стандартах ANSI та ITU-T.

Ієрархія мультиплексування принципово проста, однак вона викликає ускладнення на практиці. Оскільки магістралі T1 або E1 із різним обладнанням продукують суттєво відмінні швидкості даних, то техніка вирівнювання (bit stuffing) застосовується на всіх рівнях плезіохронної ієрархії, що унеможливлює точну локалізацію рамок бажаного каналу всередині високошвидкісного каналу. Наприклад, для доступу до окремого каналу 2 Мбіт/с із каналу 140 Мбіт/с необхідно повністю демультиплексувати останній, використовуючи проміжні рівні, а потім повторно змультиплексувати потік, як це показано на рис. 2.4.

Рис. 2.4. Виділення або додавання каналу користувача в плезіохронній системі.

Інша проблема, пов’язана із великим обсягом мультиплексорного обладнання PDH у мережі, є управління. На своєму шляху через мережу виділений канал T1/E1 мусить проходити через певну кількість можливих маршрутів. Коли обсяг повторних під’єднань зростає, то складно зберегти точні записи взаємних сполучень обладнання. Це приводить до помилок, внаслідок яких не тільки неможливо встановити нове сполучення, але порушуються вже чинні сполучення, які переносять трафік.

Ще одне суттєве обмеження в PDH полягає у відсутності можливості моніторингу. Це пов’язане із недостатнім забезпеченням можливостей для управління мережею у форматах рамок PDH і викликає проблеми при забезпеченні безпомилковості для певних застосувань, таких як послуги пересилання відео та даних.

Синхронні мережі

Інший клас ієрархії – це ієрархія синхронних мереж.Цей клас ієрархії впроваджено на початку 1980-х років. Поширені дві системи синхронних цифрових мереж: SONET (Synchronous Optical Network) і SDH (Synchronous Digital Hiererchy). SONET є версією стандартів, опублікованих ANSI (T1.105, T1.105.01..T1.105.09, T1.119, T1.119.01), а SDH – це міжнародні стандарти, опубліковані ITU-T у 1989 році (G.707, G.708, G709, G.781, G.782, G.783, G.803).

Система SONET базується на основній швидкості 51.840 Мбіт/с; такий сигнал називають STS-1 (Synchronous Transport Signal, level 1). Позначення обладнання просте і позначає тип комунікаційного середовища, яким звичайно є оптоволоконний кабель, тобто OC-1 означає оптичний канал (Optical Carrier), який підтримує сигнал STS-1 і т.д. Система SDH базується на основній швидкості 155.520 Мбіт/с, яка у 3 рази вища від основної швидкості в системі SONET. Такий сигнал називають модулем синхронного транспорту Рівня 1 (Synchronous Transport Module, level 1 - STM-1). Типовими комунікаційними середовищами для STM-1 є оптоволоконний і провідний кабелі, однак специфікація BISDN описує інтерфейс користувач-мережа для STM-1, який оперує через коаксіальний кабель. На вищих рівнях мультиплексувння (вищих швидкостях) застосовують тільки оптоволоконні кабелі.

Стандарти SONET/SDH визначають ієрархію мультиплексування для утворення сигналів з вищою швидкістю через мультиплексування сигналів з нижчою швидкістю. Схема мультиплексування SONET/SDH гранично спрощена порівняно із плезіохронними системами, що привело до спрощення і здешевлення обладнання для мультиплексування. На відміну від PDH, SONET/SDH не використовує набивки бітів для компенсації різниці швидкостей даних у синхронних сигналах із нижчими швидкостями, які мультиплексуються. Швидкість пересилання даних у сигналах із вищими швидкостями є цілою кратною від швидкостей сигналів нижчих рівнів. Будь-який сигнал вищого рівня може містити довільну відповідну комбінацію синалів нижчих рівнів. Ієрархія мультиплексування дотримується принципу мультиплексування з почерговістю байтів (byte-interleaving multiplexing); таке розшарування байтів дозволяє бачити будь-який сигнал нижчого рівня безпосередньо із сигналів вищих рівнів, і сигнал нижчого рівня може бути виділений або доданий за один крок. Це дозволяє реалізувати максимально масштабовані структури.

Сигнал SDH ділиться на рівні для поділу функцій транспортування корисного навантаження через мережу. Кожен елемент мережі SDH відповідає за генерування та інтерпретацію свого рівня службової інформації, а також за пересилання контрольної інформації та інформації про статус того ж рівня до іншого обладнання, або за закриття свого рівня службової інформації. Коли корисна інформація поширюється через мережу, то кожен рівень закривається одним із елементів мережі загального класу – кінцевим обладнанням секції регенератора (Regenerator Section Terminating Equipment – RSTE), кінцевим обладнанням секції мультиплексора (Multiplexer Section Terminating Equipment – MSTE) або кінцевим обладнанням шляху (Path Terminating Equipment - PTE). На рис.2.5 зображений приклад мережі з позначенням функцій окремих рівнів. На рисунку використані такі позначення: CPE – обладнання у приміщенні користувача; AM/AD – мультиплексор/демультиплексор доступу; SDXS – синхронний цифровий крос; OR – оптичний регенератор.

Рис. 2.5. Типова багаторівнева комунікаційна мережа SDH.

Рекомендації ITU-T також визначають структуру мультиплексування, у якій сигнал STM-1 або OC-3 може транспортувати певну кількість сигналів з нижчими швидкостями як корисне навантаження. Це дозволяє переносити сигнали PDH між 1.5 Мбіт/с і 140 Мбіт/с через синхронну мережу. У термінології SDH мультиплексування не-SDH сигналів означає їх пристосування до структури та синхронізації сигналів STM-1, що робить їх придатними для транспорту через мережу SDH. Першим кроком при мультиплексуванні не-SDH сигналів є їх відображення (mapping). Для транспортування сигналів трафіку PDH сиситеми SONET/SDH визначають певну кількість контейнерів (Container – C), кожен із яких відповідає наявній номінальній плезіохронній швидкості (таблиця 2.3).

Таблиця 2.3. Відповідність між сигналами PDH і контейнерами SONET/SDH.

2.1.7.2.1.1.1.1.1. Сигнал	DS1	E1	DS2	E3/DS3	E4
Швидкість, Мбіт/с	1.544	2.048	6.312	34.368/44.736	139.264
Контейнер	C-11	C-12	C-2	C-3	C-4
Віртуальний контейнер	V-11	V-12	V-2	V-3	V-4

Сигнали трафіку PDH відображаються у контейнери відповідного розміру (рівня), як цього вимагає ширина смуги. Спосіб, у який це відбувається, включає процедуру заповнення бітами (bit stuffing), яка вживається у звичайних мультиплексорах PDH, для того, щоб збільшити швидкість сигналу PDH до наперед заданого значення.

Мультиплексування PDH-сигналу із швидкістю 139.264 Мбіт/с передбачає збільшення його швидкості до 149.76 Мбіт/с шляхом набивки бітів, що в наслідку створює контейнер C-4. Після того до кожного контейнера додаються 9 байтів контрольної інформації, відомої як службова інформація про шлях (path overhead – POH); ця службова інформація видаляється при реконструюванні оригінального сигналу[1]. Байти POH дозволяють оператору мережі здійснювати наскрізний моніторінг параметрів, наприклад, таких як коефіцієнт помилковості бітів. Контейнер і службова інформація про шлях разом утворюють віртуальний контейнер (Virtual Container – VC)[2] рівня 4 (VC-4). Далі до віртуального контейнера VC-4 додається вказівник; це утворює адміністративний блок (Administrative Unit – AU) рівня 4 - AU-4. Нарешті, доповнення AU-4 службовою інформацією для мультиплексора (Multiplexer Section Overhead - MSOH) та службовою інформацією для регенератора (Regenerator Section Overhead - RSOH) формує повний сигнал STM-1.

Мультиплексування сигналів із швидкістю 34.368 Мбіт/с подібне до описаного вище. Перша відмінність полягає у тому, що корисне навантаження 149.76 Мбіт/с може перености три сигнали 34.368 Мбіт/с. Друга відмінність полягає в наявності двох рівнів вказівників – один вказівник для VC-4 і по одному вказівнику для кожного із трьох сигналів 34 Мбіт/с. Зсинхронізований сигнал 34 Мбіт/с називають контейнером рівня 3 (C-3), а структура, утворена доповненням C-3 службовою інформацією про шлях (POH) називається віртуальним контейнером рівня 3 (VC-3). Три віртуальні контейнери VC-3 із їх вказівниками утворюють вторинний блок (Tributary Unit – TU) рівня 3 (TU-3); три TU-3 становлять корисне навантаження VC-4.

Стандарт G.709 визначає різні комбінації віртуальних контейнерів, які можуть бути використані для заповнення корисного місця в рамці STM-1. Процес заповнення контейнерів і додавання службової інформації повторюється на окремих рівнях SDH, внаслідок чого утворюється вкладена структура менших віртуальних контейнерів всередині більших. Цей процес повторюється, доки заповниться найбільший контейнер (VC-4 у Европі); тоді він завантажується як корисне навантаження у рамку STM-1, як це показане на рис.

Описані вище та інші варіанти мультиплексування PDH-сигналів проілюстровані рис. 2.6.

Рис. 2.6. Структура мультиплексування SDH (згідно з ITU-T G.707).

Вищі швидкості пересилання у системах SONET/SDH досягаються шляхом мультиплексування з почерговістю байтів. Вони є цілими кратними до основної швидкості 155.520 Мбіт/с, наприклад 622.08 Мбіт/с або 2488.32 Мбіт/с. Порівняльна табли