23565

Технология SDH

Лекция

Информатика, кибернетика и программирование

Синхронная цифровая иерархия (SDH) — технология широкополосных транспортных сетей, которые являются инфраструктурой для подключения пользователя к широкому спектру услуг. Сети SDH позволяют передавать информационные потоки на скоростях до 10 Гбит/сек

Русский

2014-10-12

148.5 KB

39 чел.

Лекция 9

Технология SDH

Синхронная цифровая иерархия (SDH) — технология широкополосных транспортных сетей, которые являются инфраструктурой для подключения пользователя к широкому спектру услуг. Сети SDH позволяют передавать информационные потоки на скоростях до 10 Гбит/сек, предоставляют широкий диапазон скоростей доступа, в том числе совместимых с плезиохронной цифровой иерархией, прозрачны для трафика любой природы (голос, данные, видео). Заложенная в структуру SDH сигнала служебная информация обеспечивает возможность централизованного управления сетевыми устройствами и сетью в целом, позволяя гибко и оперативно обслуживать сеть и предоставлять пользователям необходимые потоки, а также реализует механизмы защиты информационных потоков в сети от возможных аварий.

Но прежде, чем рассказывать об основах SDH, вкратце рассмотрим методы передачи сигналов, сложившиеся в электросвязи до появления SDH и их недостатки, давшие толчок к созданию новой технологии.

Развитие и состояние коммуникационных технологий до появления SDH

Цели и задачи разработки SDH. Основные понятия.

Желание преодолеть указанные недостатки PDH привели к разработке в США иерархии синхронной оптической сети (SONET), а в Европе аналогичной синхронной цифровой иерархии (SDH), предложенными для использования на волоконно-оптических линиях связи.

Целью разработки, в обоих случаях, было создание иерархии, которая позволила бы:

  •  вводить/выводить исходные потоки без необходимости производить сборку разборку;
  •  разработать структуру кадров, позволяющую осуществлять развитую маршрутизацию и управление сетями с произвольной топологией;
  •  загружать и переносить в кадрах новой иерархии кадры PDH иерархии и других типов трафика (АТМ, IP);
  •  разработать стандартные интерфейсы для облегчения стыковки оборудования.

Однако, считаясь с необходимостью облегчить процедуру взаимодействия американской и европейской PDH, разработчиками SONET и SDH был принят окончательный вариант, названный SONET/SDH, в котором путем согласования  рядов скоростей и схем мультиплексирования каждой из иерархий, стало возможным заключать в оболочки кадров синхронных потоков все форматы кадров американской и европейской PDH (кроме Е2). Три основополагающие рекомендации по SDH были опубликованы в 1989 году — Rec. G.707, G.708 и G.709.

В сетях SDH и SONET, используются синхронные схемы передачи с байт-интерливингом при мультиплексировании. В качестве формата основного сигнала первого уровня в иерархии SDH был принят синхронный транспортный модуль STM-1 с размером кадра 2430 байт и стандартным периодом повторения кадров 125 мксек, что дает скорость передачи 155.52 Мбит/сек. Мультиплексирование с коэффициентом кратности 4 дает следующий ряд скоростей SDH иерархии: STM-4, STM-16, STM-64 или соответственно 622.08, 2488.32, 9953.28 Мбит/сек. Ряд скоростей SONET начинается с сигнала ОС-1, имеющего скорость 51.84 Мбит/сек, а далее сигналы ОС-3, ОС-12, ОС-48 совпадают по скорости с STM-1, STM-4, STM-64.

Модель SDH

Телекоммуникационные технологии обычно объясняют используя так называемую многоуровневую модель. SDH может быть также представлена в виде транспортных сетевых уровней, которые напрямую соотносятся к топологии сети (Рисунок 39).

Рисунок 39 Многоуровневая модель SDH.

Самый низкий — физический уровень, представляющий передающую среду.

Секционный уровень отвечает за сборку синхронных модулей STM-N и траспортировку их между элементами сети. Он подразделяется на регенераторную и мультиплексорную секции.

Маршрутный уровень отвечает за доставку сигналов, предоставляемых сетью для конечного пользователя (PDH, ATM и др.), и упакованных в полезной нагрузке STM-N. Согласно терминологии SDH, эти сигналы называют компонентными или трибутарными сигналами, а предоставляемые пользователю интерфейсы доступа к сети — трибутарными интерфейсами.

Передача сигнальной информации для каждого уровня в SDH осуществляется при помощи механизма заголовков. Каждый STM-N кадр имеет секционный заголовок SOH (Section OverHead), состоящий из двух частей: заголовка регенераторной секции RSOH (Regenerator Section OverHead) и мультиплексорной секции MSOH (Multiplex Section OverHead).

Для упаковки и транспортировки в STM-N трибутарных сигналов предложена технология виртуальных контейнеров. Виртуальный контейнер состоит из поля полезной нагрузки — контейнера, на которое отображается трибутарный сигнал, и маршрутного заголовка POH (Path OverHead), который указывает тип контейнера и служит для сбора статистики о прохождении контейнера по сети.

Структура кадра STM-N

Кадр STM-1 представляют в виде матрицы байт из 9 строк и 270 столбцов (Рисунок 40). Передача кадра производится построчно, начиная с байта в левом верхнем углу и кончается правым нижним байтом. Кадр повторяется каждые 125 мксек. Каждый байт кадра эквивалентен 64 Кбит/сек каналу.

Рисунок 40 Формат кадра STM-1

Первые девять столбцов — секционный заголовок. Оставшиеся 261 столбец — байты полезной нагрузки.

Первые три строки секционного заголовка — RSOH, последние пять строк — MSOH. Назначение байт заголовка указано на рисунке 40. Более подробно о некоторых из них будет рассказано ниже.

Мультиплексирование STM-1 в STM-N может осуществляться как каскадно: 4xSTM-1 = STM-4, 4xSTM-4 = STM-16, 4xSTM-16 = STM-64, так и непосредственно: 4xSTM-1 = STM-4, 16xSTM-1 = STM-16, 64xSTM-1 =  STM-64. Следовательно STM-N можно представить, как матрицу из 9 строк и 270xN столбцов, где первые 9xN столбцов — секционный заголовок.

Схема мультиплексирования низкоскоростных потоков в STM-N.

Базовый модуль для переноса трибутарного сигнала — контейнер. Для каждого PDH сигнала отводится определенный контейнер С-n, размер которого больше размера кадра переносимого им сигнала. Избыточная емкость используется для частичного выравнивания временных неточностей в PDH сигналах. Контейнер C-n с добавленным к нему маршрутным заголовком POH образует виртуальный контейнер VC-n. Виртуальный контейнер — логический блок, который передается по сети из конца в конец. Следующий шаг к формированию содержимого STM-N сигнала — добавление указателя на начало POH. Блок, образованный из указателя и виртуального контейнера называется административным блоком (AU-n) или трибутарным блоком (TU-n). Мультиплексирование с байт-интерливингом нескольких однотипных трибутарных блоков образует группу трибутарных блоков (TUG-n), которые затем собираются в виртуальный контейнер более высокого уровня. Один или более AU формируют группу административных блоков (AUG). И, наконец, добавление к AUG секционного заголовка дает STM-N. Объединенная схема мультиплексирования SONET/SDH согласно Рекомендации G.707 ITU-T приведена на рисунке 41. Пару слов скажем о так называемом сигнале sub-STM или STM-0, указанном на этой схеме. Интерфейс sub-STM или STM-0 используется при связях сетей SONET и SDH, а также в радиорелейных и спутниковых соединениях.

Рисунок 41 Схема мультиплексирования SONET/SDH

Одна из особенностей схемы мультиплексирования SDH — использование указателей. Наприер, указатель административного блока AU-4, расположенный в четвертой строке секционного заголовка, фиксирует положение VC-4. Благодаря наличию этого указателя VC-4 может начинаться в любом месте поля полезной нагрузки и в общем случае пересекает границу кадра. Все TU-n занимают целое количество 9-ти байтовых столбцов в поле полезной нагрузки VC-4. Указатели TU-n занимают первый байт первого столбца (для TU-12) или первые три байта первого столбца (для TU-3). Следовательно все указатели трибутарных блоков, составляющих VC-4, располагаются на фиксированных позициях. Используя цепочу указателей, можно легко найти положение любого трибутарного сигнала в синхронном транспортном модуле и, при необходимости, извлечь его “на лету” не прибегая к демультиплексированию в несколько стадий, как в PDH.

Еще одно из преимуществ использования указателей — передача асинхронных, по отношению к сети SDH, трибутарных потоков или виртуальных контейнеров, что может иметь место в соединениях, проходящих через сети разных операторов связи. Например, при передаче VC-4, указатель административного блока в каждом четвертом кадре может содержать индикацию на наличие 3 байтового сдвига. Если VC-4 более медленный, по отношению к STM-N, то следующие за таким указателем три байта игнорируются (положительное выравнивание).  Если VС-4 имеет большую скорость, то последне три байта указателя используются байтами полезной нагрузки VC-4 (отрицательное выравнивание). Для виртуальных контейнеров нижнего уровня, например для VC-12, указатель трибутарного блока которого состоит из одного байта, рассматривается мультифрейм с частотой повторения 500 мксек. За счет одного из байт указателя в составе этого мультифрейма, внутри него могут «плавать» VC-12.

Базовые элементы сетей SDH

Сети SDH строятся из четырех типов функциональных модулей (сетевых элементов): регенераторы, терминальные мультиплексоры, мультиплексоры ввода/вывода и кросс-коннекторы.

Регенератор (Рисунок 42.) используется для увеличения допустимого расстояния между узлами сети путем восстановления входящих сигналов SDH. Это расстояние зависит от степени затухания сигнала в передающей среде и параметров приемо-передающего оборудования. Для одномодового оптического кабеля оно составляет 15-40 км для длины волны 1310 нм и 40-110 км для 1550 нм.

Рисунок 42. Регенератор

Терминальный мультиплексор (TM) (Рисунок 43.) предназначен для мультиплексирования и демультиплексирования сигналов PDH и STM (в терминологии SDH их называют трибутарными или компонентными интерфейсами) в агрегатный поток STM-N. Он также может осуществлять локальную коммутацию с одного трибутарного интерфейса на другой.

Рисунок 43 Терминальный мультиплексор

Мультиплексор ввода/вывода (ADM) (Рисунок 44.) имеет на входе те же наборы интерфейсов, что и ТМ, и, как правило, два агрегатных потока STM-N (условно называемых "восточный" и "западный"). В этих мультиплексорах плезиохронные или синхронные сигналы могут быть извлечены из или добавлены в поток STM-N, при этом часть полезной нагрузки сигнала STM-N проходит через устройство транзитом. Это дает возможность создавать самовосстанавливающиеся кольцевые структуры (Self Healing RingSHR), которые, в случае аварии, автоматически коммутируют потоки в обход поврежденных участков или элементов сети.

Рисунок 44. Мультиплексор ввода/вывода

Кросс-коннектор (DXC) — распределительный узел сети (Рисунок 45.), осуществляющий неблокируемые перекрестные соединения между любыми его портами. SDH кросс-коннекторы выполняют эти функции на уровне виртуальных контейнеров VC-n, для этого PDH сигналы отображаются на виртуальные контейнеры соответствующего уровня. Следует отметить, что возможность осуществления коммутации заложена, также и в SDH мультиплексоры.

Рисунок 45. SDH кросс-коннектор

Основные функции, выполняемые сетевыми элементами SDH следующие:

  •  маршрутизация виртуальных контейнеров, проводимая на основе использования информации в маршрутном заголовке РОН соответствующего контейнера;
  •  консолидация или объединение виртуальных контейнеров;
  •  трансляция потока от точки к нескольким точкам (point-to-multipoint);
  •  сортировка или перегруппировка (grooming) виртуальных контейнеров, осуществляемая с целью создания нескольких упорядоченных, например, по типу переносимого сервиса, потоков;
  •  ввод/вывод виртуальных контейнеров.

Топология сетей SDH

При построении сетей SDH одной из первых задач, которую необходимо решать, является задача выбора топологии. Рассмотрим набор базовых стандартных топологий из комбинации которых может быть составлена сеть в целом.

Топология «точка-точка»

Это простейшая топология, включающая два терминальных мультиплексора, соединенных оптической линией связи с или без регенератора. Каждый из мультиплексоров действует как концентратор трибутарных потоков Е1, Е3 и др.

Эта топология широко используется при передаче больших потоков данных по высокоскоростным магистральным каналам. Она может быть реализована, как по схеме без резервирования канала, так и по схеме со 100% резервированием типа 1+1, использующей основной и резервный агрегатные каналы.

Топология «последовательная линейная цепь»

Эта топология используется тогда, когда существует необходимость ответвлений в ряде точек линии, где могут вводится и выводится каналы доступа. Реализуется она путем включения вдоль линии связи мультиплексоров ввода/вывода.

Топология «звезда»

В этой топологии один из узлов сети (кросс-коннектор) играет роль концентратора (или хаба), распределяя часть трафика по другим удаленным узлам, а оставшуюся часть на терминалы пользователей.

Топология «кольцо»

Эта топология наиболее широко используется при построении SDH сетей первых двух уровней иерархии (STM-1 и STM-4). Строительными блоками этой архитектуры являются мультиплексоры ввода/вывода, которые соединяются в кольцо с однонаправленной либо двунаправленной передачей трафика.

Широкое использование кольцевой топологии обусловлено тем, что построенные на ее основе сети способны самовосстанавливаться после некоторых достаточно характерных типов отказов.

Механизмы самовосстановления и схемы резервирования

Отказы в телекоммуникационных сетях, вследствие ошибок персонала или поломки оборудования, могут нанести значительный ущерб пользователям и операторам связи. С целью увеличения надежности сетей, в SDH предусмотрены механизмы, позволяющие компенсировать отказы элементов сетевой среды.

Рассмотрим два основных метода, используемых в SDH, для защиты соединений, проложенных через сеть. Это линейная защита и, так называемая, кольцевая защита.

Линейная защита.

Простейшая форма реализации этой защиты — защита 1+1, используемая в соединениях точка-точка, где на каждую рабочую линию отводится одна резервная. При обнаружении потери сигнала на рабочей линии, оборудование на обоих концах автоматически переключается на резервную.

Более экономичный вариант — защита 1:N, используемый, в основном, на магистральных участках большой протяженности. В этом случае на несколько рабочих линий отводится одна резервная. Резервная линия может быть использована для передачи низкоприоритетного трафика, который просто прерывается, если необходимо подменить вышедшую из строя рабочую линию.

Механизмы защиты 1+1 и 1:N стандартизированы ITU-T в Рекомендации G.783.

Кольцевая защита.

Топология «кольцо» допускает несколько механизмов защиты, которые описаны в Рекомендации G.841 ITU-T, и различаются для кольцевых структур с однонаправленными и двунаправленными соединениями.

В однонапревленном кольце все данные передаются по одной оптической жиле в одном направлении. Вторая оптическая жила, с противоположным направлением передачи, рассматривается как резервная. В случае аварии на одном из сегментов кольца, передача в направлении поврежденного участка автоматически коммутируется на резервное кольцо (Рисунок 46.).

Рисунок 46. Схема самовосстановления однонаправленного кольца.

В двунаправленном кольце обе оптические жилы используются для передачи и приема сигналов между элементами сети. Емкость канала разбивается на несколько двунаправленных рабочих линий. При разрыве кольца, на концах поврежденного сегмента потоки коммутируются на резервную рабочую линию в обход этого сегмента (Рисунок 47).

Рисунок 47 Схема резервирования в двунаправленном кольце.

Еще большую степень защиты обеспечивает двунаправленное кольцо с четырьмя оптическими жилами, однако этот способ является и наиболее дорогим.

Сигнальная информация, необходимая SDH устройствам для реализации механизов защиты, передается в байтах K1 и K2 секционного заголовка STM-N. Время восстановления сети не превышает 50 миллисекунд.

Синхронизация

Оборудование SDH, как и любые другие цифровые устройства, имеет встроенные источники тактовых импульсов (часы), к которым «привязаны» рабочие циклы его подсистем. Если в сети часы различных устройств работают несинхронно (различаются длительность и фазы тактовых импульсов), то это может приводить к «проскальзыванию» бит принимаемых потоков, а при мультиплексировании этих сигналов, для их выравнивания, необходимо осуществлять процедуры вставки или изъятия бит (что, как отмечалось выше, и делается в PDH).

В SDH, где приняты синхронные схемы мультиплексирования, исключающие возможность вставки/изъятия бит, задача синхронизации узлов в сети выходит на первый план.

Общие принципы синхронизации сетей SDH определены в Рекомендациях ITU-T G.811, G.812, G.813.

Согласно этим рекомендациям элементы сети должна быть синхронизованы от центральных часов, называемых первичными эталонными часами (PRCPrimary Reference Clock), генерирующими 2048 КГц сигнал с точностью 10-11. Этот сигнал должен быть распределен по сети. Для этого используется иерархическая структура: сигнал синхронизации транслируется устройствами поддержки синхронизации (SSUSynchronization Supply Units) и часами оборудования SDH (SECSDH Equipment Clock). Тактовый сигнал, регенерируемый SSU и SEC, подстраивается по фазе и частоте к сигналу синхронизации, приходящему на специальный порт или выделяемому из агрегатного или трибутарного потока.

При раздаче синхронизации в сети необходимо соблюдать определенные правила:

  •  узлы сети должны получать сигнал синхронизации только от устройств, которые содержат часы такого же или более высокого качества;
  •  наиболее надежное оборудование (с наименьшей вероятностью отказов) должно выбираться в качестве синхронизирующего оборудования;
  •  общее количество сетевых элементов в последовательности от PRC должно быть минимизировано (не более 10 SSU и не более 60 SEC);
  •  нельзя допускать формирования замкнутых петель, например, когда узел А получает синхронизацию от В, В — от С, С — от А.

В сетях SDH предусмотрены механизмы, по-возможности, предотвращающие потерю синхронизации элементами сети. Если в результате аварии сетевое устройство перестает получать сигнал синхронизации, то оно переключается на другой источник временных сигналов с более низким приоритетом. Если это невозможно, то устройство переходит в режим удержания (hold-over mode). В этом режиме часы устройства корректируются в соответствии с данными о корректировках, сохраненными за предыдущее время работы, с поправкой на колебания температуры. Сообщения о состоянии синхронизации SSM (Synchronization Status Messages) элемента сети передаются в байте S1 секционного заголовка его соседям.

Отдельная проблема — стыковка между сетями с независимыми источниками синхронизации. Если расхождения часов находятся в определенных пределах, то в SDH сети эта проблема решается с использованием указателей.

Управление сетями SDH

Рассматривая базовые функциональные блоки сетей SDH, мы не упомянули еще один важный элемент синхронных сетей — систему управления. Все элементы сети SDH являются программно управляемыми. Возможность мониторинга работоспособности сети и удаленного конфигурирования узлов — одно из наиболее важных свойств SDH.

Системы управления сетями SDH базируются на модели TMN (Telecommunications Managemet Network — сеть управления телекоммуникациями). Принципы TMN были изложены в 1989 г. в Рекомендации М.3010 ITU-T.

Функции TMN суммированы в выражении «Operation, administration, maintenance and provisioning» (Управление, администрирование, обслуживание и обеспечение) — OAM&P, что, среди прочего, включает мониторинг работоспособности и контроль сообщений об ошибках.

Для предоставления этих функций TMN использует объектно-ориентированный подход, основанный на эталонной модели OSI. В модели TMN один менеджер общается с несколькими агентами. Агенты предназначены для работы с определенными управляемыми объектами MO (managed objects). Менеджер подключается к операционной системе (OS), которая есть управляющий центр для сети в целом или ее части.

В SDH сети агенты локализованы в сетевых элементах (NE). MO могут быть, как физическими устройствами (интерфейсные карты, блоки питания и т.п.), так и логическими элементами (виртуальные соединения).

В TMN также различают логические модули управления. Например, один модуль управления оперирует на уровне элементов сети (управление индивидуальным NE), другой на сетевом уровне (управление маршрутами в сети и т.п.), третий на сервисном уровне (сбор биллинговой информации и пр.).

Обмен данными между менеджером и агентами осуществляется через программный интерфейс Q3, который может быть реализован на базе протоколов X.25, ISDN или LAN. Для связи нескольких OS или их менеджеров в TMN специфицирован X интерфейс (Рисунок 46.).

Рисунок 46. Схема TMN для сети SDH

Для обмена управляющими сообщениями между узлами сети и для доступа к агентам удаленных узлов в сетях SDH используется встроенные каналы управления (ECC) или, иначе, каналы обмена данными (DCC), переносимые в заголовке STM-N. Каналы с D1 по D3 общей емкостью 192 Кбит/сек используются непосредственно для управления NE, каналы с D4 по D12 (512 Кбит/сек) могут применяться в целях не относящихся непосредственно к сети SDH. Для отличия Q интерфейса от интерфейса ECC используется термин QECC. Имеется стандартный шаблон для структуры управляющих сообщений в SDH сети, онако отсутствует соглашение по определению набора этих сообщений, что делает несовместимым на уровне системы управления оборудование SDH различных производителей. Это не касается интерфейса Q3 между SDH оборудованием и менеджером, котрый определен в стандартах ITU-T.

SDH в современных телекоммуникациях

Общемировой рост рынка SDH оборудования в 1997 — 1998 г.г. составил порядка 5%, при этом в Центральной и Восточной Европе рост составил более 20%. Наблюдается устойчивая тенденция замены операторами связи сетей из устаревшего PDH и ТЧ оборудования сетями SDH. Сети SDH создают гибкую, надежную и управляемую транспортную инфраструктуру, являясь платформой для вторичных сетей с самым широким спектром служб: телефонные сети, ISDN, сети сотовой связи, сетей передачи данных.

В настоящее время построено множество SDH сетей уровня STM-1, STM-4 и STM-16. Для транспортных сетей уровня STM-64 в последние годы появилась более дешевая альтернатива — технология мультиплексирования оптического сигнала с разделением по длине волны (DWDMDense Wavelength division multiplexing). Уже созданы системы позволяющие передавать на 16 или 32 длинах волн между 1520 нм и 1580 нм по одному оптическому волокну. На каждой длине волны передается один сигнал STM-16, давая общую емкость канала порядка 80 Гбит/сек. Анонсировано оборудование, которое будет работать с 64 длинами волн.

Внедрение DWDM — движение по направлению к так называемым «полностью оптическим сетям». Уже коммерчески доступны оптические мультиплексоры ввода/вывода и проводятся первые испытания оптических кросс-коннекторов. В терминах многоуровневой модели транспортной сети эти разработки означают добавление DWDM уровня ниже уровня SDH.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

76234. Ушкодження хребта: переломи вивихи, симптоми, методи діагностики та лікування 95 KB
  Ушкодження хребта виникають внаслідок прямої травми забої переломи остистих та поперечних відростків та непрямої – від надмірного згинання та ротації інколиперерозгинання компресійні та скалкові переломи тіл хребців дужок переломовивихи.
76235. Скука в историко-философской перспективе 48.59 KB
  В качестве объекта нашего исследования выступает человеческая скука. Скука как никакое бесконтурное состояние слабо поддающееся описанию. Скука как западание человека в пространстве и во времени скука как потеря персонального смысла.
76237. Принцип когерентного и некогерентного детектирования АМ-колебаний 188.58 KB
  Характеристиками детектора являются: детекторная частотная характеристики и коэффициент передачи. Детекторная характеристика представляет собой зависимость постоянной составляющей напряжения на выходе детектора от изменения информационного параметра несущей подводимой к нему.
76238. Літературно-художній антропонімікон П.Куліша: склад, джерела, функції 40.89 KB
  П.Куліш увійшов у історію української культури як автор першого історичного роману, цілої низки оповідань, поетичних та драматичних творів, перекладів і переспівів. Жанрова і тематична різноманітність літературно-художніх текстів П.Куліша служить запорукою багатства...
76240. ЧТО ТАКОЕ КОМПЬЮТЕР? 85.5 KB
  Эффективность использования ПК в большой степени определяется количеством и типами внешних устройств, которые могут применяться в его составе. Внешние устройства обеспечивают взаимодействие пользователя с ПК.
76241. Помехи и искажения в каналах связи 109.67 KB
  Внешними являются помехи возникающие вне канала к ним относятся: атмосферные возникают в атмосфере земли и могут быть вызваны грозовыми разрядами осадками пылевыми бурями северным сиянием;...