Новые возможности SDH

Роль и место SDH

Технология SDH появилась в начале 80-х годов и была призвана заменить системы PDH, которые имели ряд существенных недостатков, что делало их неэффективными в применении и обслуживании. Среди этих недостатков сложные схемы мультиплексирования с бит-стаффингом, из-за чего невозможно прямое извлечение из потока низкоскоростных компонентов без его демультиплексирования, а также слабые возможности в организации служебных каналов для целей контроля и управления потоком в сети и полное отсутствие средств маршрутизации низовых мультиплексированных потоков.

Применение технологии SDH упрощает сети, т.к. в синхронной сети один мультиплексор ввода/вывода заменяет целую «гирлянду» мультиплексоров PDH, позволяя вывести, например, сигнал E1 из потока STM-4. Сети SDH обладают повышенной надежностью, вследствии наличия механизмов самовосстановления, а также имеют развитые средства конфигурирования, мониторинга и обслуживания. Системы передачи SDH, благодаря использованию волоконно-оптических линий связи, позволяют создавать высокоскоростные каналы (до 40 Гбит/с), имеют высокий уровень достоверности передаваемой информации. Все это, а главное, наличие хорошо проработанных и проверенных временем стандартов, простота, низкие эксплуатационные расходы привели к тому, что сети SDH широко используются в качестве транспортных сетей операторов связи.

SDH и передача данных

Основное применение SDH с момента ее появления — построение транспортных сетей для передачи цифровых потоков между телефонными коммутаторами.

С развитием компьютерных сетей, Интернета, технологий передачи данных (FR, ATM и т.д.) инфраструктуру транспортных сетей на основе SDH все чаще применяют для организации цифровых каналов сетей передачи данных (т.е. строят наложенные сети поверх SDH). Недостатки использования «классического» SDH для передачи данных наиболее остро стали проявляться при необходимости предоставления широкополосных услуг связи локальных сетей.

Во-первых, это необходимость в преобразовании интерфейсов LAN (Ethernet) к интерфейсам SDH (E1, E3, STM-1, STM-4 и т.д.), используя промежуточные устройства, такие, как FRAD, ATM IAD, IP маршрутизаторы и т.д. Во-вторых, небольшой ряд возможных скоростей передачи данных (который к тому же слабо корелируется с рядом скоростей LAN: 10, 100, 1000 Мбит/с), значительно ограничивает возможности эффективного предоставления услуг, либо требует применения в подключаемом оборудовании дополнительных схем (например, инверсное мультиплексирование). Т.о. типичный результат при добавлении служб данных к традиционным SDH сетям — увеличение сложности оборудования и повышение стоимости.

Для преодоления этих ограничений, производители SDH оборудования пошли по пути создания систем SDH следующего поколения (Next Generation SDH, NG SDH). Оборудование NG SDH имеет интегрированные интерфейсы передачи данных (в частности, Ethernet), а также использует новые технологии, которые позволяют более эффективно выделять требуемую полосу для служб данных и обеспечивать низкую стоимость внедрения этих технологий в уже существующие сети, так как поддержка дополнительной функциональности требуется только на граничных узлах сети.

Системы SDH следующего поколения — многофункцональные мультисервисные платформы, предоставляющие множество услуг без дороговизны и сложности наложенных сетей.

Компоненты NG SDH

Принято считать, что система SDH относится к новому поколнию, если она включает поддержку следующих компонент:

• Общая процедура разбиения на кадры (General Framing Procedure, GFP), которая обеспечивает адаптацию асинхронного трафика данных на основе кадров переменной длины к байт ориентированному трафику SDH с минимальными задержками и избыточностью заголовков; ITU-T G.7041 
• Виртуальная конкатенация (Virtual Concatenation, VCAT), обеспечивает возможность объединения на логическом уровне нескольких контейнеров VC-12, VC-3 или VC-4 в один канал передачи данных. ITU-T G.707, G.783 
• Схема регулировки емкости канала (Link Capacity Adjustment Scheme, LCAS) — позволяет реализовать любые изменения пропускной способности без прекращения передачи данных. ITU-T G.7042 

Рассмотрим их более подробно.

GFP

GFP была создана для замены HDLC подобных методов инкапсуляции данных поверх SDH и одновременно уменьшения стоимости и сложности реализации метода в оборудовании.

Метод GFP поддерживает инкапсуляцию таких служб как 10/100/1000 Мбит/с Ethernet, IP, PPP, протоколы сетей хранения данных FiberChannel (FC), FICON, ESCON, а в будущем предполагается поддержка цифровых широковещательных видеосигналови DVB-ASI. GFP адаптирует поток данных на основе кадров переменой длины к байт-ориентированному потоку данных сети SDH, отображая различные службы в кадр общего назначения, который затем отображается в кадры SDH. Эта кадровая структура лучше определяет и исправляет ошибки и обеспечивает большую эффективность использования полосы, чем традиционные методы инкапсуляции.

GFP кадр содержит следующие составляющие (Рис. 1): основной заголовок (GFP Header), заголовок полезной нагрузки (Payload Header), область полезной нагрузки (Payload Area), необязательное поле контроля ошибок полезной нагрузки FCS.

Рис. 1. Структура кадра GFP

Основной заголовок, в свою очередь, содержит длину GFP кадра PLI и поле cHEC (core Header Error Control) для определения и коррекции ошибок заголовка.

cHEC используется совместно с PLI для нахождения начала кадров (кадровая снхронизация). Эта процедура использует те же принципы, что и в технологии ATM для синхронизации к потоку ячеек. Сначала приемник GFP кадров находится в состоянии поиска начала кадра (Hunt State), сканируя бит за битом и сравнивая вычисленный cHEC для PLI с полученным из потока cHEC. При обнаружении совпадения приемник переходит в состояне Pre-Sync State в котором ему уже известна начальная точка следущего GFP кадра. Если для следующего кадра вычисленный cHEC совпадает с полученным, то считается, что кадровая синхронизация установлена и приемник переходит в нормальное состояние синхронизации Sync State.

Преимущество такого подхода (по сравнению с HDLC методами резервирующими символ, обычно 0×7E, указывающий начало кадра) — нет необходимости вставлять в кадр дополнительные управляющие символы (обычно 0×7d): если символ 0×7E встречается в поле полезной нагрузки он заменяется парой 0×7d, 0×5e, а символ 0×7d — парой 0×7d, 0×5d. Такие вставки приводят к недетерминированному изменению размеров кадра и усложняют приемо-передающее оборудование.

На данный момент применяются два типа адаптации клиентского сигнала: GFP-Framed (GFP-F) и GFP-Transparent (GFP-T).

Метод GFP-F ориентировани на инкапсуляцию в один кадр GFP одного кадра клиентского сигнала (PDU) и имеет следующие особенности:

• PDU буферизуется перед инкапсуляцией (т.к. имеет переменную длину);
• PDU могут отображаться к различным скоростям передачи (в т.ч. и переменным при использовании VCAT/LCAS);
• Работает на уровне 2 (Layer 2), т.е. использует байтовую последовательность PDU, извлеченную из физического уровня;
• Заголовок полезной нагрузки (Payload Header) содержит информацию об инкапсулируемом протоколе;
• Хорошо подходит для трафика данных (Ethernet, IP), однако задержки могут быть неприемлимы для протоколов сетей хранения данных (SAN).

Метод GFP-T ориентирован на сигналы, использующие кодирование 8B/10B (Gigabit Ethernet, протоколы SAN).

Схема кодирования 8B/10B отображает 256 возможных значений байт данных в 1024 возможных значений 10 битовых кодовых символов таким образом, что обеспечивается сбалансированность в линии последовательностей нулей и едениц, необходимая для корректной синхронизации и приема данных. Код 8B/10B имеет 25% избыточность. В GFP-T сначала последовательность 8B/10B декодируется к исходным 8 битам, затем кодируется снова в более эффективный супер блок 64B/65B.

Основные особенности GFP-T:

• Работает на уровне 1 (Layer 1), т.е. использует кодовые символы линейного кода исходного сигнала;
• Кадр GFP не содержит информации об инкапсулируемом протоколе;
• Скорости передачи фиксированы и определены клиентским протоколом.

Сравнительная характеристика GFP-F и GFP-T приведена в Таблице 1.

Таблица 1.

Перечислим основные преимущества GFP:

• Стандартизация — обеспечивает глобальную совместимость и приводит к низкой стоимости компонент.
• Масштабируемость — GFP на сегодняшний день поддерживает службы данных на скоростях от 10 Мбит/с до 10 Гбит/с.
• Широкая применимость — GFP может быть использован для передачи широкого спектра сигналов поверх SDH, получил одобрение рабочей группы IEEE 802.17 RPR и IETF, также подходит для применения в будущих сетях, основанных на OTN архитектуре
• Простота — GFP имеет более простую технику инкапсуляции чем HDLC с механизмом разграничения кадров, проверенном на ATM и не требующем интенсивной обработки, что в результате делает программно-аппаратную реализацию GFP проще и дешевле.
• QoS — невысокий уровень задержек для GFP-F и минимальный для GFP-T позволяет поддерживать приложения, требовательные к качеству обслуживания.

Хотя GFP имеет множество присущих ему преимуществ, тем не менее для поддержки передачи служб данных по сети SDH из конца в конец нужны технологии которые выделяют в сети необходимую полосу и обеспечивают возможность ее динамической настройки. Этим требованиям удовлетворяют VCAT и LCAS.

VCAT

Традиционный метод конкатенции определен только для VC-4 в стандарте ITU-T G.707 термином «смежная». Это означает, что соседние контейнеры комбинируются и транспортируются через SDH сеть как один контейнер. Ограничения смежной конкатенции включают:

• необходимость тог, чтобы все сетевые узлы через которые проходит тракт передачи были способны распознать и обработать связанные (объединенныйе) контейнеры;
• недостаточная степень детализации (гранулированности) полосы, которое делает транспортировку многих сигналов данных неэффективной.

Виртуальная конкатенация (объединение), определенная недавно ITU-T, устраняет ограничения смежного метода.

Виртуальная конкатенация логически связывает индивидуальные контейнеры в одно соединение. Любое количество контейнеров любого типа (VC-12 , VC-3 или VC-4) может быть сгруппировано вместе, образуя логический канал. Это обеспечивает лучшую степень детализации полосы, чем достигается использованием традиционной техники и дает возможность гибкого выделения полосы для трафика данных с высокой степенью гранулированности, позволяя эффективно использовать пропускную способность SDH.

В традиционной сети SDH степень детализации полосы определяется транспортной емкостью контейнеров VC-12, VC-3, VC-4 и смежных групп, например, VC-4-4c — четыре смежных VC-4.

Так, например, транспортировка 1 Gigabit Ethernet в традиционной сети требует выделения VC-4-16c (шестнадцать смежных VC-4), эффективность использования канала в этом случае составляет 42%. С другой стороны группа логически объединенных контейнеров VCG (Virtual Concatenated Group) VC-4-7v, где VC-4 обозначает тип контейнера на основе которого создается группа, а 7v — количество членов в группе, обеспечивает приблизительно 85% эффективность (см. Таблицу 2).

Таблица 2.

Так как промежуточные узлы интерпретируют каждый контейнер в соединении как стандартный, то только оборудование на котором начинается и заканчивается тракт передачи должно уметь распознавать и обрабатывать структуру логически объединенного сигнала. Это означает, что каждый индивидуальный контейнер в логической связке может иметь свой путь через сеть, что может приводить к фазовым расхождениям между контейнерами прибывающими на оборудование терминирования тракта передачи, что требует от оборудования сглаживания таких задержек.

Параметры, отвечающие за компенсацию задержек (до 512 мс) и гарантирующие целостность всех членов группы передаются в заголовке тракта индивидуальных контейнеров ( байт H4 для VC-4/VC-3 и байт K4 для VC-12).

LCAS

Один из последних разработанных стандартов для NG SDH- протокол LCAS, который выполняется между двумя сетевыми элементами (NE), соединяющими пользовательские интерфейсы в сети SDH. Каждый байт H4/K4 передает управляющий пакет, состоящий из информации об виртуальной конкатенации и протоколе LCAS.

На основании данных управляющего пакета, протокол LCAS определяет какой из членов VCG активизирован и как они используются и позволяет исходящему оборудованию динамически изменять количество контейнеров в группе конкатенации в ответ на производимые в реальном времени запросы по изменению полосы.

Эти увеличения или уменьшения полосы соединения выполняются без какого-либо негативного воздействия на услуги.

Например, компания, которая использует канал 50 Мбит/с между подразделениями в течение рабочего дня может нуждаться в большей полосе для выполнения операций резервного копирования во внерабочее время. LCAS позволяет автоматически добавить необходимую полосу без прерывания связи.

Данный метод позволяет обеспечить альтернативную схему защиты в сети SDH: связанные VCAT контейнеры проходят разными сетевыми маршрутами и в случае отказа на одном из маршрутов механизмы LCAS оставляют в соединении незатронутые отказом виртуальные контейнеры, тем самым сохраняя работоспособность соединения, хотя и с меньшей пропусконой способностью. После устранения отказа соединение восстанавливается к исходному состоянию.

Ethernet поверх SDH

Ethernet поверх SDH (EoS) — самая распространенная реализация систем NG SDH. Так опрос Light Reading более 150 операторов, предоставляющих на своих сетях услуги Ethernet, показал, что подавляющее большинство (42%) приходится на Ethernet поверх SONET/SDH (на втором месте Ethernet поверх MPLS с 16%). Применение интерфейсов Ethernet в системах NG SDH естественно и закономерно:

• Один и тот же физический интерфейс может работать в широком диапазоне скоростей, позволяя при необходимости изменять скорость подключения без замены оборудования;
• Устраняется необходимость промежуточного преобразования интерфейсов при передаче данных из одной локальной сети в другую (а такой трафик составляет основной объем от всего трафика данных);
• Значительно снижаются затраты на подключение.

На Рисунке 2 приведена функциональная схема реализации служб Ethernet в рамках технологии NG SDH.

Рис. 2. Функциональная схема Ethernet поверх SDH

Встроенный Ethernet коммутатор является опциональным, однако его наличие расширяет набор реализуемых в сети Ethernet служб. Встраиваемая в Ethernet коммутатор поддержка VLAN (802.1Q), технологии Q-in-Q (802.1ad), приоритезации кадров 802.1p в сочетании с GFP, VCAT, LCAS и остальными возможностями SDH позволяют строить региональные Ethernet сети (Metro-Ethernet) операторского класса. К таким дополнительным возможностям относятся схемы самовосстановления сети и средства эксплуатации, администрирования и обслуживания.

Схемы самовосстановления в такой сети с третьего или второго уровней (перемаршрутизация, STP и т.п.) переносятся на уровень SDH, что многократно повышает их надежность и скорость (в пределах 50 мс). Это позволяет рекомендовать применение EoS там, где критичны надежность и скорость восстановления для обеспечения услуг «прозрачных» к сбоям в сети.

Технология Ethernet не имеет встроенных средств эксплуатации, администрирования и обслуживания (OA&M), обеспечивающих развитые средства диагностики, обнаружения и локализации аварий, мониторинг производительности. При реализации EoS эти функции обеспечиваются встроенными в SDH средствами OA&M. Это важно и критично для тех сетей и тех операторов, которые предоставляют услуги на основе SLA. Поэтому, если сравнивать сеть EoS с коммутаторами Ethernet поверх «темного волокна», то в последнем случае мы имеем дешевый и прямолинейный способ поддержки служб Ethernet, не оставляющий сомнений в том, за что придется платить. И если это т.н. домовая сеть, предоставляющая своим абонентам широкополосный доступ в Интернет, то такой подход вполне оправдан. Когда нам надо обеспечить надежный Ethernet транспорт для бизнес приложений (особенно в сочетании со службами выделенных каналов E1), то зачастую EoS наиболее эффективный способ.