Timofeev_PDH_SDH_DWDM_OTN

330 Глава 11. Первичные сети

Рабочие контейнеры

ft=F ~ l ..

16 защищенных соединений VC-4, распределение трафика - звезда с центром в точке А

А

а

А

б

Рис. 11.13. Защита с разделением кольца

При возникновении неисправности, например обрыве линии, как это показано на рис. 11.13 б), трафик в мультиплексорах, между которыми нарушилась связь, «разво­

рачивается» в обратном направлении. Для этого используются резервные виртуальные контейнеры агрегатных портов, с которыми соединяются виртуальные контейнеры по­ страдавших соединений. В то же время соединения, на которые отказ не повлиял, работают в прежнем режиме, не подключая резервные контейнеры. Для уведомления мультиплек­ соров о реконфигурировании кольца служит уже упоминавшийся протокол «К-байт». Время переключения на защитные соединения MS-SPRing составляет около 50 мс. При смешанном распределении трафика экономия полосы в кольце MS-SPRing может быть ещеболее значительной.

Новое поколение протоколов SDH

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

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

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

Стандарты SDH нового поколения описывают три новых механизма:

□виртуальная конкатенация (VCAT);

□схема динамического изменения пропускной способности линии (LCAS);

□общая процедура инкапсуляции (кадрирования) данных (GFP).

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

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

Виртуальная конкатенация расширяет возможности смежной конкатенации за счет ис­ пользования при объединении виртуальных контейнеров не только типа VC-4, но и других типов: VC-3 (34 Мбит/с), VC-12 (2 Мбит/с), VC-11 (1,5 Мбит/с) и VC-2 (6 Мбит/с). При этом объединяться могут лишь виртуальные контейнеры одного типа, например только VC-З или только VC-12.

Кроме того, коэффициент кратности при объединении может быть любым от 1 до мак­ симального числа, определяемого емкостью кадра STM-N, применяемого для передачи объединенного контейнера. При виртуальной конкатенации объединенный контейнер обозначается как VC-N-Mv, где N —тип виртуального контейнера, а М —кратность его использования, например, VC-3-21v.

Название «виртуальная конкатенация» отражает тот факт, что только конечные муль­ типлексоры (то есть тот мультиплексор, который формирует объединенный контейнер из пользовательских потоков, и тот мультиплексор, который его демультиплексирует в пользовательские потоки) должны понимать, что это —конкатенированный контейнер. Все промежуточные мультиплексоры сети SDH рассматривают составляющие виртуаль­ ные контейнеры как независимые и могут передавать их к конечному мультиплексору по разным маршрутам. Конечный мультиплексор выдерживает некоторый тайм-аут перед демультиплексированием пользовательских потоков, что может быть необходимо для прибытия всех составляющих контейнеров в том случае, когда они передаются по разным маршрутам.

Виртуальная конкатенация позволяет намного эффективнее расходовать пропускную способность сети SDH при передаче трафика Ethernet. Например, чтобы передавать один поток Fast Ethernet 100 Мбит/с, в сети STM-16 можно применить виртуальную конкате­ нацию VC-12-46v, которая обеспечивает пропускную спосрбность для пользовательских данных 100,096 Мбит/с (то есть дает почти 100-процентную загрузку объединенного контейнера), а оставшиеся 206 контейнеров VC-12 (кадр STM-4 вмещает 63 х 4 = 252 кон­ тейнера VC-12) задействовать как для передачи других потоков Fast Ethernet, так и для передачи голосового трафика.

Схема динамического изменения пропускной способности линии (Link Capacity Adjustment Scheme, LCAS) является дополнением к механизму виртуальной конкатена­ ции. Эта схема позволяет исходному мультиплексору, то есть тому, который формирует объединенный контейнер, динамически изменять его емкость, присоединяя к нему или отсоединяя от него виртуальные контейнеры. Для того чтобы добиться нужного эффекта, исходный мультиплексор посылает конечному мультиплексору специальное служебное сообщение, уведомляющее об изменении состава объединенного контейнера.

Общая процедура инкапсуляции данных (Generic Framing Procedure, GFP) предназначена для упаковки кадров различных протоколов компьютерных сетей в кадр единого формата и передачи его по сети SDH. Такая процедура полезна, так как она решает несколько задач, общих при передаче данных компьютерных сетей через сети SDH. В эти задачи входят выравнивание скорости компьютерного протокола со скоростью виртуального контейнера SDH, используемого для передачи компьютерных данных, а также распознавание начала кадра.

□Выравнивание скорости компьютерного протокола и скорости виртуального контейнера SDH, используемого для передачи компьютерных данных. Например, если мы применя­ ем объединенный контейнер VC-12-46v для передачи кадров Fast Ethernet, то нужно выровнять скорости 100 и 100,096 Мбит/с. Процедура GFP поддерживает два режима

работы: GFP-F (кадровый режим, или Frame Mode) и GFP-Т (прозрачный режим, или Transparent Mode). В режиме GFP-F проблема выравнивания скоростей решается обыч­ нымдля компьютерных сетей способом —поступающий кадр полностью буферизуется, упаковывается в формат GFP, а затем со скоростью соединения SDH передается через сеть. Режим GFP-Т предназначен для чувствительного к задержкам трафика, в этом режиме кадр полностью не буферизуется, а побитно по мере поступления передается в сеть SDH (предварительно снабженный служебными полями GFP). Для выравнива­ ния скоростей в режиме GFP-Т применяются специальные служебные «пустые» кадры GFP, которые посылаются в те моменты, когда рассогласование приводит к отсутствию пользовательских битов у исходного мультиплексора SDH.

□Распознавание начала кадра. Соединение SDH представляет для пользователя поток битов, разбитый на кадры SDH, начало которых никак не связано с началом кадра поль­ зователя. Процедура GFP позволяет принимающему мультиплексору SDH распознать начало каждого пользовательского кадра, что необходимо для его извлечения из потока битов, проверки его корректности и передачи на выходной интерфейс в сеть пользо­ вателя. В процедуре GFP для распознавания начала кадра служит его собственный заголовок, который состоит из поля длины размером в два байта и поля контрольной суммы поля длины также размером в два байта. Для того чтобы «поймать» начало кадра, мультиплексор SDH последовательно смещается бит за битом по полученным данным, для каждого такого смещения вычисляет контрольную сумму для первых двух байтов данных, которые должны быть полем длины, и сравнивает вычисленное значение со значением, находящимся во вторых двух байтах данных. Если эти значения совпадают, мультиплексор считает, что данное смещение в полученных данных соответствует на­ чалу кадра —и с большой степенью вероятности так оно и есть. Если же значения не совпадают, это значит, что начало кадра не соответствует текущему смещению, тогда мультиплексор смещается на один бит дальше и повторяет свои вычисления. В конце концов, он доходит до положения, когда первый бит смещения действительно является первым битом поля длины кадра, при этом вычисляемая контрольная сумма совпадает с помещенной в кадр, и процесс распознавания заканчивается успешно. После этого мультиплексор долгое время находится в синхронизме с поступающими кадрами, то есть он постоянно с первого раза находит начало кадра —до тех пор, пока из-за каких-то помех не произойдет рассинхронизация и ему не придется методом последовательных смещений опять искать начало кадра.

Кромеописанных двух функций процедура GFP поддерживает еще ряд функций, полезных при передаче компьютерных данных по сетям SDH.

Сети DWDM

Технология уплотненного волнового мультиплексирования (Dense Wave Division Multiplexing, DWDM), предназначена для создания оптических магистралей нового по­ коления, работающих на мультигигабитных и терабитных скоростях. Такой революцион­ ный скачок производительности обеспечивает принципиально иной, нежели у SDH, метод мультиплексирования —информация в оптическом волокне передается одновременно большим количеством световых волн —лямбд —термин возник в связи с традиционным дляфизики обозначением длины волны X.

Сети DWDM работают по принципу коммутации каналов, при этом каждая световая волна представляет собой отдельный спектральный канал и несет собственную информацию.

Оборудование DWDM не занимается непосредственно проблемами передачи данных на каждой волне, то есть способом кодирования информации и протоколом ее передачи. Его основными функциями являются операции мультиплексирования и демультиплексирова­ ния, а именно —объединение различных волн в одном световом пучке и выделение инфор­ мации каждого спектрального канала из общего сигнала. Наиболее развитые устройства DWDM могут также коммутировать волны.

ВНИМАНИЕ-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

Технология DWDM является революционной не только потому, что вдесятки раз повышает верхний предел скорости передачи данных по оптическому волокну, но и потому, что открывает новую эру в технике мультиплексирования и коммутации, выполняя эти операции над световыми сигналами без преобразования их в электрическую форму. Во всех других технологиях, в которых световые сигналы также используются для нередачи информации по оптическим волокнам, например SDH и Gigabit Ethernet, световые сигналы обязательно преобразуются в электрические и только потом их можно мультиплексировать и коммутировать.

Первым применением технологии DWDM были протяженные магистрали, предназна­ ченные для связи двух сетей SDH. При такой простейшей двухточечной топологии спо­ собность устройств DWDM выполнять коммутацию волн является излишней, однако по мере развития технологии и усложнения топологий сетей DWDM эта функция становится востребованной.

Принципы работы

Сегодня оборудование DWDM позволяет передавать по одному оптическому волокну 32 и более волн разной длины в окне прозрачности 1550 нм, при этом каждая волна может переносить информацию со скоростью до 10 Гбит/с (при условии применения для пере­ дачи информации на каждой волне протоколов технологии STM или 10 Gigabit Ethernet). В настоящее время ведутся работы по повышению скорости передачи информации на одной длине волны до 40-80 Гбит/с.

У технологии DWDM имеется предшественница —технология волнового мультиплекси­ рования (Wave Division Multiplexing, WDM), в которой используется четыре спектральных канала в окнах прозрачности 1310 нм и 1550 нм с разносом несущих в 800-400 ГГц. (По­ скольку стандартной классификации WDM не существует, встречаются системы WDM и с другими характеристиками.)

Мультиплексирование DWDM называется «уплотненным» из-за того, что в нем исполь­ зуется существенно меньшее расстояние между длинами волн, чем в WDM. На сегодня рекомендацией G.692 сектора ITU-T определены два частотных плана (то есть набора частот, отстоящих друг от друга на некоторую постоянную величину):

□частотный план с шагом (разнесением частот между соседними каналами) 100 ГГц (АX « 0,8 нм), в соответствии с которым для передачи данных применяется 41 волна в диапазоне от 1528,77 (196,1 ТГц) до 1560,61 нм (192,1 ТГц);

□частотный план с шагом 50 ТТц (АX « 0,4 нм), позволяющий передавать в этом же диа­ пазоне 81 длину волны.

Некоторыми компаниями выпускается также оборудование, называемое оборудованием

высокоуплотненного волнового мультиплексирования (High-Dense WDM, HDWDM), способное работать с частотным планом с шагом 25 ГГц (сегодня это чаще всего экспери­ ментальные образцы, а не серийная продукция).

Реализация частотных планов с шагом 50 и 25 ГГц предъявляет гораздо более жесткие требования к оборудованию DWDM, особенно в том случае, если каждая волна переносит сигналы со скоростью модуляции 10 Гбит/с и выше (STM-64, 10GE или STM-256). Еще раз подчеркнем, что сама технология DWDM (как и WDM) не занимается непосред­ ственно кодированием переносимой на каждой волне информации —это проблема более высокоуровневой технологии, которая пользуется предоставленной ей волной по своему усмотрению и может передавать на этой волне как дискретную, так и аналоговую инфор­ мацию. Такими технологиями могут быть SDH или 10 Gigabit Ethernet. Теоретически зазоры между соседними волнами в 50 ГГц и даже 25 ГГц позволяют передавать данные соскоростями 10 Гбит/с, но при этом нужно обеспечить высокую точность частоты и ми­ нимально возможную ширину спектра несущей волны, а также снизить уровень шумов, чтобы минимизировать эффект перекрытия спектра (рис. 11.14).

STM-64 при интервале 50 ГГц STM-16 при интервале 50 ГГц

Рис.11.14. Перекрытие спектра соседних волндля разныхчастотных планов и скоростей передачи данных

Волоконно-оптические усилители

Практический успех технологии DWDM, оборудование которой уже работает на маги­ стралях многих ведущих мировых операторов связи, во многом определило появление волоконно-оптических усилителей. Эти оптические устройства непосредственно усили­ вают световые сигналы в диапазоне 1550 нм, исключая необходимость промежуточного преобразования их в электрическую форму, как это делают регенераторы, применяемые всетяхSDH. Системы электрической регенерации сигналов весьма дороги и, кроме того, зависятот протокола, так как они должны воспринимать определенный вид кодирования сигнала. Оптические усилители, «прозрачно» передающие информацию, позволяют на­ ращиватьскорость магистрали без необходимости модернизировать усилительные блоки.

Протяженность участка между оптическими усилителями может достигать 150 км и бо­ лее,чтообеспечивает экономичность создаваемых магистралей DWDM, в которых длина мультиплексной секции составляет на сегодня 600-3000 км при применении от 1 до 7 промежуточных оптических усилителей.

В рекомендации ITU-T G.692 определено три типа усилительных участков, то есть участ­ ков между двумя соседними мультиплексорами DWDM:

□L (Long) —участок состоит максимум из 8 пролетов волоконно-оптических линий связи и 7 оптических усилителей, максимальное расстояние между усилителями —до 80 км при общей максимальной протяженности участка 640 км;

□V (Very long) —участок состоит максимум из 5 пролетов волоконно-оптических линий связи и 4 оптических усилителей, максимальное расстояние между усилителями —до 120 км при общей максимальной протяженности участка 600 км;

□U (Ultra long) —участок без промежуточных усилителей длиной до 160 км.

Ограничения на количество пассивных участков и их длину связаны с деградацией опти­ ческого сигнала при оптическом усилении. Хотя оптический усилитель восстанавливает мощность сигнала, он не полностью компенсирует эффект хроматической дисперсии (то есть распространения волн разной длины с разной скоростью, из-за чего сигнал на приемном конце волокна «размазывается»), а также другие нелинейные эффекты. Поэто­ му для построения более протяженных магистралей необходимо между усилительными участками устанавливать мультиплексоры DWDM, выполняющие регенерацию сигнала путем его преобразования в электрическую форму и обратно. Для уменьшения нелинейных эффектов в системах DWDM применяется также ограничение мощности сигнала.

Оптические усилители используются не только для увеличения расстояния между муль­ типлексорами, но и устанавливаются внутри самих мультиплексоров. Если мультиплек­ сирование и кросс-коммутация выполняются исключительно оптическими средствами без преобразования в электрическую форму, то сигнал при пассивных оптических преоб­ разованиях теряет мощность и перед передачей в линию его нужно усиливать.

Новые исследования привели к появлению усилителей, работающих в так называемом L-диапазоне (4-е окно прозрачности), от 1570 до 1605 нм. Использование этого диапазо­ на, а также сокращение расстояния между волнами до 50 и 25 ГГц позволяет нарастить количество одновременно передаваемых длин волн до 80-160 и более, то есть обеспечить передачу трафика со скоростями 800 Гбит/с-1,6 Тбит/с в одном направлении по одному оптическому волокну. С успехами DWDM связано еще одно перспективное технологи­ ческое направление —полностью оптические сети. В таких сетях все операции по муль­ типлексированию/демультиплексированию, вводу-выводу и кросс-коммутации (марш­ рутизации) пользовательской информации выполняются без преобразования сигнала из оптической формы в электрическую. Исключение преобразований в электрическую форму позволяет существенно удешевить сеть. Однако возможности оптических технологий пока еще недостаточны для создания масштабных полностью оптических сетей, поэтому их практическое применение ограничено фрагментами, между которыми выполняется электрическая регенерация сигнала.

Типовые топологии

Хронологически первой областью применения технологии DWDM (как и технологии SDH) стало создание сверхдальних высокоскоростных магистралей, имеющих топологию

двухточечной цепи (рис. 11.15).

Для организации такой магистрали достаточно в ее конечных точках установить терми­ нальные мультиплексоры DWDM, а в промежуточных точках —оптические усилители, если этого требует расстояние между конечными точками.

Оптические мультиплексоры ввода-вывода

Оптическиймультиплексор выполняет операции смешения нескольких длин волн в общий сигнал, а также выделения волн различной длины из общего сигнала.

Для выделения волн в мультиплексоре могут использоваться разнообразные оптические механизмы. В оптических мультиплексорах, поддерживающих сравнительно небольшое количество длин волн в волокне, обычно 16 или 32, применяются тонкопленочные филь­ тры. Они состоят из пластин с многослойным покрытием, в качестве такой пластины на практике применяется торец оптического волокна, скошенный под углом 30-45°, с нане­ сенным на него слоями покрытия. Для систем с большим числом волн требуются другие принципы фильтрации и мультиплексирования.

В мультиплексорах DWDM применяются интегрально выполненные дифракционные фазовые решетки, или дифракционные структуры (Arrayed Waveguide Grating, AWG). Функции пластин в них выполняют оптические волноводы или волокна. Приходящий мультиплексный сигнал попадает на входной порт (рис. 11.19, а). Затем этот сигнал про­ ходит через волновод-пластину и распределяется по множеству волноводов, представ­ ляющих дифракционную структуру AWG. Сигнал в каждом из волноводов по-прежнему является мультиплексным, а каждый канал (к\, Я.2, А т) остается представленным во всех волноводах. Далее происходит отражение сигналов от зеркальной поверхности, и в итоге световые потоки вновь собираются в волноводе-пластине, где происходит их фокусировка и интерференция —образуются пространственно разнесенные интерференционные макси­ мумы интенсивности, соответствующие разным каналам. Геометрия волновода-пластины, в частности расположение выходных полюсов, и значения длины волноводов структуры AWG рассчитываются^гакйм образом, чтобы интерференционные максимумы совпадали с выходными полюсами. Мультиплексирование происходит обратным путем.

Другойспособ построения мультиплексора базируется не на одной, а на паре волноводовпластин (рис. 11.19, б). Принцип действия такого устройства аналогичен предыдущему случаю за исключением того, что здесь для фокусировки и интерференции используется дополнительная пластина.