Компьютерные сети

Рис. 11.20. Микроэлектронная механическая система кросс-коммутации

По сравнению с оптоэлектронными кросс-коннекторами фотонные коммутаторы занимают объем в 30 раз меньше и потребляют примерно в 100 раз меньше энергии. Однако у устройств этого типа низкое быстродействие, к тому же они чувствительны к вибрации. Тем не менее системы MEMS находят широкое применение в новых моделях фотонных коммутаторов. Сегодня подобные устройства могут обеспечивать коммутацию 256 х 256 спектральных каналов, планируется выпуск устройств с возможностями коммутации 1024 х 1024 каналов и выше.

Сети OTN
Причины и цели создания

Сеги DWDM не являются собственно цифровыми сетями, так как они лишь предоставляют пользователям отдельные спектральные каналы, являющиеся не более чем несущей средой. Для того чтобы передавать по такому каналу цифровые данные, необходимо каким-то образом договориться о методе модуляции или кодирования двоичных данных, а также предусмотреть такие важные механизмы, как контроль корректности данных, исправление битовых ошибок, обеспечение отказоустойчивости, оповещение пользователя о состоянии соединения и т. п.

Исторически мультиплексоры DWDM были также и мультиплексорами SDH, то есть в каждом из волновых каналов для решения перечисленных задач они использовали технику SDH. Однако по прошествии некоторого времени эксплуатации сетей SDH/DWDM стали заметны определенные недостатки, связанные с применением технологии SDH в качестве основной технологии передачи цифровых данных по спектральным каналам DWDM.
Перечислим эти недостатки.

□ Недостаточная эффективность кодов FEC, принятых в качестве стандарта SDH. Это препятствует дальнейшему повышению плотности спектральных каналов в мультиплексорах DWDM. Логика здесь следующая: при увеличении количества спектральных каналов в оптическом волокне увеличивается взаимное влияние их сигналов, следовательно, возрастают искажения сигналов и, как следствие, битовые ошибки при передаче цифровых данных по этим спектральным каналам. Если же процедуры FEC настолько эффективны, что позволяют «на лету» устранить значительную часть этих ошибок, то этими ошибками можно пренебречь и увеличить количество спектральных каналов. Или же не увеличивать количество каналов, но увеличить длину нерегенерируемых секций сети.

□ Слишком «мелкие» единицы коммутации для магистральных сетей, работающих на скоростях 10 и 40 Гбит/с (а не за горами и 100 Гбит/с). Даже контейнеры максимального размера VC-4 (140 Мбит/с) являются недостаточно крупной единицей для мультиплексоров STM-256, которые должны коммутировать до 256 контейнеров для каждого своего порта. Это обстоятельство усложняет оборудование сети, поэтому желательно наличие единиц коммутации, более соответствующих битовой скорости линий сети. Механизмы смежной и виртуальной конкатенации SDH частично решают эту проблему, но она остается.

□ Не учтены особенности трафика различного типа. Разработчиками технологии SDH принимался во внимание только голосовой трафик.

На преодоление этих недостатков нацелена новая технология оптических транспортных сетей (Optical Transport Network, OTN), которая обеспечивает передачу и мультиплексирование цифровых данных по волновым каналам DWDM более эффективно, чем SDH. В то же время сети OTN обеспечивают обратную совместимость с SDH, так как для мультиплексоров OTN трафик SDH является одним из видов пользовательского трафика наряду с такими клиентами, как Ethernet и GFP.

Нужно отметить, что технология OTN не заменяет технологии DWDM, а дополняет ее волновые каналы «цифровой оболочкой»
1
.
Архитектура сетей OTN описана в стандарте ITU-T G.872, а наиболее важные технические аспекты работы узла сети OTN описаны в стандарте G.709.
Иерархия скоростей

Технология OTN многое взяла от технологии SDH, в том числе коэффициент кратности скоростей 4 для построения своей иерархии скоростей. Однако начальная скорость иерархии скоростей OTN гораздо выше, чем у SDH: 2,5 Гбит/с вместо 155 Мбит/с.
В настоящее время стандартизованы три скорости OTN, которые выбраны так, чтобы прозрачным образом передавать кадры STM-16, STM-64 и STM-256 вместе со служебными заголовками (табл. 11.4).
Таблица 11.4. Иерархия скоростей технологии OTN
Интерфейс G.709

Битовая скорость, Гбит/с
Соответствующий уровень SDH
Битовая скорость, Гбит/с
OTU1
2,666
STM-16
2,488
OTU2
10,709
STM-64
9,953
OTU3
43,018
STM-256
39,813
Приведенные значения скорости OTUk (Optical Channel Transport Unit level k — транспортный блок оптического канала уровня k) учитывают наличие заголовков в кадрах OTN.

Работа над стандартизацией иерархии скоростей OTN продолжается, в ITU-T идет обсуждение новой скорости OTU4 (предположительно 160 Гбит/с), а также скорости в 1,2 Гбит/с, которая может быть использована для передачи трафика Gigabit Ethernet.
Аббревиатура OTUk обозначает не только уровень скорости OTN, но и один из протоколов OTN, а также формат блоков данных этого протокола. В технологии OTN существуют и другие протоколы и блоки данных, которые рассматриваются в следующем разделе.

Стек протоколов OTN
Стек протоколов OTN состоит из 4-х уровней, их назначение напоминает назначение уровней стека протоколов SDH.
На рис. 11.21 показана обобщенная архитектура сети OTN и области применения протокола каждого уровня, а на рис. 11.22 — иерархия протоколов OTN.
OPU
гSDHEthernetGFP
Рис. 11.21. Сеть OTN и распределение протоколов Клиенты: SDH, Ethernet, ATM, GFP,...

Нижний уровень протоколов составляет оптический канал (Optical Channel, Och); обычно это спектральный канал DWDM. Данный уровень примерно соответствует фотонному уровню технологии SDH.

Протокол OPU (Optical Channel Payload Unit — блок пользовательских данных оптического канала) ответственен за доставку данных между пользователями сети. Он занимается инкапсуляцией пользовательских данных, таких как кадры SDH или Ethernet, в блоки OPU, выравниванием скоростей передачи пользовательских данных и блоков OPU, а на приемной стороне извлекает пользовательские данные и передает их пользователю. В зависимости от скорости передачи данных этому протоколу соответствуют блоки OPU1, OPU2 и OPU3. Для выполнения своих функций протокол OPU добавляет к пользовательским данным свой заголовок OPU ОН (OverHead). Блоки OPU не модифицируются сетью. Этот протокол является аналогом протокола тракта SDH.

Протокол ODU (Optical Channel Data Unit — блок данных оптического канала) так же, как и протокол OPU, работает между конечными узлами сети OTN. В его функции входит мультиплексирование и демультиплексирование блоков OPU, то есть, например, мультиплексирование четырех блоков OPU1 в один блок OPU2. Кроме того, протокол ODU поддерживает функции мониторинга качества соединений в сети OTN. Этот протокол формирует блоки ODU соответствующей скорости, добавляя к соответствующим блокам OPU свой заголовок. Протокол ODU является аналогом протокола линии SDH.

Протокол OTU (Optical Channel Transport Unit — транспортный блок оптического канала) работает между двумя соседними узлами сети OTN, которые поддерживают функции электрической регенерации оптического сигнала, называемые также функциями 3R (retiming, reshaping и regeneration). Основное назначение этого протокола — контроль и исправление ошибок с помощью кодов FEC. Этот протокол добавляет к блоку ODUk свой концевик, содержащий код FEC, образуя блок OTUk. Протокол OTU соответствует протоколу секции SDH. Блоки OTUk помещаются непосредственно в оптический канал.

Кадр OTN
Кадр OTN состоит из 4080 столбцов (байтов) и 4 строк (рис. 11.23).
Столбцы: 1 15 17 3824 3825 4080
Строки: <|
Выр.кадра
OTU ОН
Оп
23
ODU ОН
Гио
Пользовательские данные
OTU FEC
4
н
Рис. 11.23. Формат кадра OTN
Кадр состоит из поля пользовательских данных (Payload) и служебных полей блоков OPU, ODU и OTU. Формат кадра не зависит от уровня скорости OTN, то есть он, например, одинаков для блоков OPU1/ODU1/OTU1 и OPU2/ODU2/OTU2.

Поле пользовательских данных располагается с 17 по 3824 столбец и занимает все четыре строки кадра, а заголовок блока OPU занимает столбцы 15 и 16 также в четырех строках. При необходимости заголовок OPU ОН может занимать несколько кадров подряд (в этих случаях говорят о мультикадре OTN), например, такой вариант встречается в том случае, когда нужно описать структуру поля пользовательских данных, мультиплексирующую несколько блоков OPU более низкого уровня.

Блок ODU представлен только заголовком ODU ОН (формально он также имеет поле данных, в которое помещен блок OPU), а блок OTU состоит из заголовка OTU ОН и концевика OTU FEC, содержащего код коррекции ошибок FEC.
Начинается кадр с небольшого поля выравнивания кадра, необходимого для распознавания начала кадра.
Выравнивание скоростей

Как и в других технологиях, основанных на синхронном мультиплексировании TDM, в технологии OTN решается проблема выравнивания скоростей пользовательских потоков со скоростью передачи данных мультиплексора. Механизм выравнивания скоростей OTN является некоторым гибридом механизма бит-стаффинга технологии PDH и механизма положительного и отрицательного выравнивания на основе указателей, используемого в технологии SDH.

Работа механизма выравнивания OTN зависит от того, какой режим отображения нагрузки на кадры ОТМ поддерживается для данного пользовательского потока — синхронный или асинхронный. В режиме синхронного отображения нагрузки мультиплексор ОТМ синхронизирует прием и передачу данных от синхроимпульсов, находящихся в принимаемом потоке пользовательских данных. Этот режим рассчитан на пользовательские протоколы, данные которых хорошо синхронизированы и содержат в заголовке специальные биты синхронизации (такие как SDH). В этом случае механизм выравнивания фактически простаивает, так как скорость передачи данных всегда равна скорости их поступления, поэтому выравнивать нечего.

В режиме асинхронного отображения нагрузки мультиплексор OTN синхронизируется от собственного источника синхроимпульсов, который не зависит от пользовательских данных (это может быть любой из способов синхронизации, рассмотренных в разделе, посвященном технологии PDH). В этом случае рассогласование скоростей неизбежно, и поэтому задействуется механизм выравнивания.

Для выравнивания скоростей в кадре OTN используются два байта: байт возможности положительного выравнивания (Positive Justification Opportunity, PJO) и байт возможности отрицательного выравнивания (Negative Justification Opportunity, NJO). Байт PJO находится в поле пользовательских данных, а байт NJO — в заголовке OPU ОН. В тех случаях, когда при помещении пользовательских данных скорость выравнивать не нужно, мультиплексор помещает все байты пользовательских данных в байты поля данных, применяя в том числе и байт PJO. В тех случаях, когда скорость пользовательского потока меньше скорости мультиплексора и ему не хватает байта для заполнения поля данных, то в байт PJO вставляется «выравниватель», который представляет собой байт с нулевым значением — так вьпрлняется положительное выравнивание. А если скорость пользовательского потока больше скорости мультиплексора, лишний байт пользовательских данных помещается в поле NJO — так происходит отрицательное выравнивание.

Для того чтобы конечный мультиплексор сети правильно выполнил демультиплексирование пользовательских данных, ему нужна информация о том, каким образом в кадре использованы байты NJO и PJO. Такая информация хранится в поле управления выравни-
ванием (Justification Control, JC), два бита которого показывают, какое значение помещено в каждый из байтов NJO и PJO.

Указатель на начало пользовательских данных в технологии OTN не задействован. Таким образом, вставка байта делает механизм выравнивания OTN похожим на PDH, где имеет место вставка битов и соответствующие признаки такой вставки (отрицательное выравнивание). С технологией SDH механизм выравнивания OTN роднит применение как отрицательного, так и положительного выравнивания байтами.
Мультиплексирование блоков

При мультиплексировании блоков ODU поле пользовательских данных блока OPUk разбивается на так называемые трибутарные слоты (Tributary Slot, TS), в которые помещаются данные блока OPUk-1.

На рис. 11.24 показан пример мультиплексирования четырех блоков ODU1 в один блок ODU2. Как видно из рисунка, поле данных блока OPU2 разбито на трибутарные слоты TribSlotl, TribSlot2, TribSlot3 и TribSlot4, последовательность которых повторяется. Каждый из этих четырех трибутарных слотов предназначен для переноса части поля данных одного из блоков OPU1. Здесь используется техника чередования данных скорости более низкого уровня иерархии скоростей в поле данных блока более высокой скорости иерархии скоростей, которая типична для технологий синхронного временного мультиплексирования. Эта техника обеспечивает выполнение операций мультиплексирования и демультиплексирования «на лету» без промежуточной буферизации, так как частота появления порций данных OPU1 в блоке ODU2 соответствует частоте их появления в том случае, если бы они передавались на скорости OPU1.

а а 22 22 со со
151617^ ю§о
Строки:
Рис. 11.24. Мультиплексирование блоков ODU1 в блок ODU2
Столбцы:
Техника мультиплексирования блоков ODU1 и ODU2 в блок ODU3 аналогична, если не считать того, что в блоке OPU3 используется 16 различных трибутарных слотов, что позволяет поместить в него 16 блоков ODU 1 или 4 блока ODU2 (в этом случае одной порции OPU2 соответствует четыре трибутарных слота ODU3).

Информация об использовании трибутарных слотов хранится в специальном разделе поля OPU2 ОН или OPU3 ОН. Этот раздел может также запоминать информацию о виртуальной конкатенации блоков ODU1 или ODU2 — эта техника также поддерживается в сетях OTN.
Коррекция ошибок

В OTN применяется процедура прямой коррекции ошибок (FEC), в которой используются коды Рида—Соломона RS(255,239). В этом самокорректирующемся коде данные кодируются блоками по 255 байт, из которых 239 байт являются пользовательскими, а 16 байт представляют собой корректирующий код. Коды Рида—Соломона позволяют исправлять до 8 ошибочных байт в блоке из 255 байт, что является очень хорошей характеристикой для самокорректирующего кода.

Применение кода Рида—Соломона позволяет улучшить отношение мощности сигнала к мощности шума на 5 дБ при уровне битовых ошибок в 10~
12
. Этот эффект дает возможность увеличить расстояние между регенераторами сети на 20 км или использовать менее мощные передатчики сигнала.
Выводы
Первичные сети предназначены для создания коммутируемой инфраструктуры, с помощью которой можно достаточно быстро создать постоянные каналы, организующие произвольную топологию.

В первичных сетях используют технику коммутации каналов различного типа: с частотным (FDM), временном (TDM) и волновым (WDM/DWDM) мультиплексированием.

В сетях FDM каждому абонентскому каналу выделяется полоса частот шириной 4 кГц. Существует иерархия каналов FDM, при этом 12 абонентских каналов образуют группу каналов первого уровня иерархии (базовую группу) с полосой 48 кГц, 5 каналов первого уровня объединяются в канал второго уровня иерархии (супергруппу) с полосой 240 кГц, а 10 каналов второго уровня составляют канал третьего уровня иерархии (главную группу) с полосой в 2,4 МГц.

Цифровые первичные сети PDH позволяют образовывать каналы с пропускной способностью от 64 Кбит/с до 140 Мбит/с, предоставляя своим абонентам скорости четырех уровней иерархии.
Недостатком сетей PDH является невозможность непосредственного выделения данных низкоскоростного канала из данных высокоскоростного канала, если каналы работают на несмежных уровнях иерархии скоростей.

Асинхронность ввода абонентских потоков в кадр SDH обеспечивается благодаря концепции виртуальных контейнеров и системы плавающих указателей, отмечающих начало пользовательских данных в виртуальном контейнере.
Мультиплексоры SDH могут работать в сетях с различной топологией (цепи, кольца, ячеистая топология). Различают несколько специальных типов мультиплексоров, которые занимают особое место в сети: терминальные мультиплексоры, мультиплексоры ввода-вывода, кросс-коннекторы.

В сетях SDH поддерживается большое количество механизмов отказоустойчивости, которые защищают трафик данных на уровне отдельных блоков, портов или соединений: EPS, CP, MSP, SNC-P nMS-SPRing. Наиболее эффективная схема защиты выбирается в зависимости от логической топологии соединений в сети.

Технология WDM/DWDM реализует принципы частотного мультиплексирования для сигналов иной физической природы и на новом уровне иерархии скоростей. Каждый канал WDM/DWDM представляет собой определенный диапазон световых волн, позволяющих переносить данные в аналоговой и цифровой форме, при этом полоса пропускания канала в 25-50-100 ГГц обеспечивает скорости в несколько гигабит в секунду (при передаче дискретных данных).

В ранних системах WDM использовалось небольшое количество спектральных каналов, от 2 до 16. В системах DWDM задействовано уже от 32 до 160 каналов на одном оптическом волокне, что обеспечивает скорости передачи данных для одного волокна до нескольких терабит в секунду. Современные оптические усилители позволяют удлинить оптический участок линии связи (без преобразования сигнала в электрическую форму) до 700-1000 км.

Для выделения нескольких каналов из общего светового сигнала разработаны сравнительно недорогие устройства, которые обычно объединяются с оптическими усилителями для организации мультиплексоров ввода-вы вода в сетях дальней связи.
Для взаимодействия с традиционными оптическими сетями (SDH, Gigabit Ethernet, 10G Ethernet) в сетях DWDM применяются транспондеры и трансляторы длин волн, которые преобразуют длину волны входного сигнала в длину одной из волн стандартного частотного плана DWDM.

В полностью оптических сетях все операции мультиплексирования и коммутации каналов выполняются над световыми сигналами без их промежуточного преобразования в электрическую форму. Это упрощает и удешевляет сеть.
Технология OTN позволяет более эффективно использовать спектральные каналы сетей DWDM, поддерживая экономные схемы мультиплексирования данных на высоких скоростях.

Мощный механизм коррекции ошибок OTN FEC, использующий самокорректирующиеся коды Рида—Соломона, позволяет улучшить отношение сигнал/шум в спектральных каналах и увеличить расстояние между регенераторами сети.
Вопросы и задания
1. Какие недостатки первичных сетей FDM привели к созданию цифровых первичных сетей?
2. Название Т-1 обозначает:
а) аппаратуру мультиплексирования, разработанную компанией AT&T;
б) уровень скорости 1,544 Мбит/с;
в) международный стандарт линии связи;

г) способ мультиплексирования цифровых потоков 64 Кбит/с.
3. Какие функции выполняет младший бит каждого байта в канале Т-1 при передаче голоса?
4. Можно ли в сети PDH выделить канал DS-0 непосредственно из канала DS-3?
5. Какие механизмы в канале Е-1 заменяют «кражу бита» канала Т-1?
6. Почему первичные сети обеспечивают высокое качество обслуживания всех видов трафика?
7. Какое свойство технологии PDH отражает слово «плезиохронная»?

8. Каким образом компенсируется отсутствие синхронности трибутарных потоков в технологии SDH?
9. Какое максимальное количество каналов Е-1 может мультиплексировать кадр STM-1?
10. Сколько каналов Т-1 может мультиплексировать кадр STM-1, если в нем уже мультиплексировано 15 каналов Е-1?
11. По какой причине в кадре STM-1 используется три указателя?
12. С какой целью в технологиях PDH и SDH применяется чередование байтов?
13. В чем отличие схем защиты 1+1 и 1:1? Варианты ответов:

а) в схеме 1+1 два потока мультиплексируются в один, а в схеме 1:1 нет;
б) схема 1 + 1 говорит о том, что резервный элемент выполняет те же функции, что и основной, а в схеме 1:1 резервный элемент простаивает до момента выхода из строя основного;
в) схема 1 + 1 используется для защиты портов, а схема 1:1 — для защиты путей трафика.
14. При каких условиях защита MS-SPRing более эффективна, чем SNC-P?

15. Для достижения каких целей разработан механизм виртуальной конкатенации? Варианты ответов:
а) для эффективной передачи трафика телефонных сетей;
б) для эффективной передачи трафика Ethernet;
в) для повышения верхней границы скоростей технологии SDH.
16. Можно ли объединять контейнеры VC-3 за счет смежной конкатенации?
17. Можно ли передавать составляющие контейнеры при виртуальной конкатенации по разным маршрутам?

Все материалы, размещенные в боте и канале, получены из открытых источников сети Интернет, либо присланы пользователями  бота. 
Все права на тексты книг принадлежат их авторам и владельцам. Тексты книг предоставлены исключительно для ознакомления. Администрация бота не несет ответственности за материалы, расположенные здесь