Прямая передача ячеек

При передаче ячеек напрямую по физической среде не нужно производить ни­каких «подгоночных» работ для последующей упаковки ячеек в транспортные кадры различного типа. Ячейки конвертируются напрямую, побитно, в соответ­ствующие электрические или оптические сигналы в зависимости от соответству­ющей среды передачи (рис. 10.7).

Достоинством такого метода передачи является оптимальное использование пропускной способности канала при минимальных накладных расходах (если вообще заголовок ячейки можно отнести к накладным расходам). Для согласо­вания скорости передачи ячеек с уровня ATM со скоростью физического канала могут использоваться пустые ячейки.

Недостаток метода состоит в том, что он не позволяет использовать сущест­вующую сетевую транспортную инфраструктуру. Другой проблемой является передача управляющей и контрольной информации. Например, в сетях PDH и SDH (см. главу 1) эта информация включается в каждый передаваемый кадр и анализируется на соответствующем коммутационном оборудовании.

В принципе, подобная возможность при прямой передаче ячеек достигается с помощью посылки специальной ячейки (Operation And Maintenance, OAM) после каждых 26 «нормальных» ячеек. Однако для современных коммуникаци­онных систем такой способ является недостаточно эффективным. Поэтому основная область применения прямой передачи ячеек в обозримом будущем лежит в сфере локальных сетей.

Использование транспортных кадров

Другим методом передачи ячеек является использование транспортных кадров различных технологий. При этом для каждой технологии существует свой фор­мат транспортного кадра и своя схема упаковки ячеек. Форум ATM рекомен­довал различные методы передачи ячеек, в частности, стандарт SONET и его европейский аналог — SDH. В табл. 10.5 показано соответствие между иерархи­ями SONET и SDH. Сети SONET/SDH реализуются на оптических носителях с различной пропускной способностью.

Таблица 10.5. Соответствие между иерархиями SONET и SDH

Уровень иерархии SONET	Уровень иерархии SDH	Скорость передачи, Мбит/с
OC-1/STS-1	STM-0 или STM-1/3	51.84
OC-3/STS-3	STM-1	155,52
OC-12/STS-12	STM-4	622.08
OC-48/STS-48	STM-16	2488.32

Одной из целей разработки технологии SONET было создание единого опти­ческого интерфейса между сетями, принадлежащими разным провайдерам ком­муникационных услуг иногда даже из разных стран. Необходимость в разработке этой технологии достаточно очевидна, если учесть, что, например, невозможно напрямую соединить каналы Т1 и Е1. До появления технологии SONET применялись преобразователи, стыкующие каналы одной иерархии с каналами другой. Различия между каналами определялись, в основном, их ско­ростью: канал Т1 работает на 1.544 Мбит/с, a El — на 2.048 Мбит/с. Требова­лось найти общую скоростную базу для данных каналов. И, как оказалось, в качестве такой базы может выступать скорость 155.52 Мбит/с, определенная в технологии SONET как ОС-3 (Optical Carrier, ОС), а в технологии SDH — как STM-1.

В табл. 10.6 показано соответствие скоростей передачи данных оптически­ми и электрическими сигналами в иерархии SONET. Для примера в таблице приведены соответствующие цифровые каналы, необходимые для передачи информации с соответствующими скоростями. Базовым цифровым каналом является канал DSO с пропускной способностью 64 Кбит/с. Каналы DS1 и DS3 получаются путем мультиплексирования нескольких базовых каналов. Как видно из табл. 10.6 скорости передачи 51 Мбит/с соответствует первый уровень иерархии SONET — STS-1 для электрического сигнала или ОС-1 для опти­ческого сигнала. С помощью мультиплексирования нескольких базовых кана­лов в один можно, теоретически, поднять общую пропускную способность до 4 Гбит/с.

Таблица 10.6. Иерархия каналов SONET

Оптический сигнал		Электрический сигнал		Скорость передачи, Мбит/с		Необходимое количество каналов DS3, DS1 или DS0
						DS3		DS1		DS0
0С-1	STS-1		51.84*		1		28		672
0С-3	STS-3		155.52		3		84		2016
0С-12	STS-12		622.08		12		336		8064
0С-48	STS-48		2488.32		48		1344		32256
0С-96	STS-96		4976.64		96		2688		64512

* Первый уровень SDH соответствует скорости 155 Мбит/с.

Для того чтобы информацию можно было передавать через сеть SONET, она разбивается на кадры. Каждому сигналу в иерархии SONET/SDH соответствует свой формат кадра. Базовым для технологии SONET является кадр STS-1 (так называемый STS-1 Frame). Он представляет собой прямоугольный массив данных с размером 90х9 байт (9 рядов по 90 столбцов). Этот массив может вместить в себя 810 байт (6480 бит) информации. Следует отметить, что каждый кадр со­стоит из двух основных полей — полезной нагрузки или, иначе, поля данных (поле Synchronous Payload Envelope, SPE) и служебной информации (поле Tran­sport Overhead, ТОН) — см. рис. 10.8. Буквой К на рис. 10.8 показан служебный заголовок.

Скорость передачи информации по физическому носителю составляет 8000 кадров в секунду. Кадры передаются синхронно с периодичностью в 125 мкс. По этим параметрам нетрудно определить скорость передачи — она составляет 51.84 Мбит/с (размер кадра в битах  число кадров в секунду; 64808000 = 51 840 000 бит/с).

Используя несколько базовых кадров, можно получить кадр следующего уровня в иерархии SONET/SDH. Это достигается с помощью процедуры муль­типлексирования, при которой параллельные потоки транспортных кадров пре­образуются в единый поток. В этом потоке последовательно чередуются кадры STS-1 от первичных параллельных потоков. При этом три соответствующих кадра STS-1 на выходе мультиплексора образуют кадр STS-3. На рис. 10.9 ил­люстрируется обобщенная процедура мультиплексирования кадров STS-1 в кадры STS-3.

На рис. 10.10 показан формат кадра уровня N иерархии SONET. Назначение заголовка Path описано ниже.

На рис. 10.11 изображена общая схема передачи пользовательских данных. Как видно из рис. 10.11, данные, поступая на уровень адаптации ATM, разбива­ются на информационное блоки размером 48 байт, которые затем поступают на уровень ATM. Там на основе поступивших блоков формируются ячейки, кото­рые после этого упаковываются в транспортные кадры (в рассматриваемом при­мере — кадры SONET).

Остановимся подробнее на процедуре упаковки ячеек в транспортные кадры SONET. Хочется подчеркнуть, что данный раздел носит исключительно теоре­тический характер. Учитывая несущественность различий между технологиями SONET и SDH, мы будем рассматривать только упаковку ячеек в транспортные кадры технологии SONET. Однако напомним, что в России большее распрост­ранение получила цифровая иерархия SDH.

На рис. 10.12 показана схема упаковки ячеек ATM в поле полезной нагрузки кадра STS-1. Как видно из рис. 10.12, в поле полезной нагрузки появляется до­полнительный столбец пути (Path), основным назначением которого является поддержка виртуального соединения между устройствами. Следует отметить, что местоположение этого столбца в поле полезной нагрузки не зафиксировано. Кроме того, столбцы 30 и 59 также выпадают из общего информационного поля. При заполнении кадра ячейками эти столбцы пропускаются. С учетом этого на полезную информацию остается 756 байт, в которые можно упаковать 14.3 ячей­ки ATM ((90 ∙ 9)-((3 ∙ 9)+(3 ∙ 9) = 756; 756/53 = 14.3).

Ячейки упаковываются в кадр STS-1 последовательно, от начала к концу, горизонтально, слева направо, пропуская столбцы 30 и 59 и полностью заполняя поле полезной нагрузки. Следует отметить, что отдельные ячейки могут начи­наться в одном кадре, а заканчиваться в другом. Итак, кадры STS-1, содержащие 14.3 ячейки и передаваемые с периодичностью в 125 мкс, переносят полезную информацию со скоростью 48.38 Мбит/с.

Следующим уровнем скорости в технологии ATM является 155 Мбит/с. Су­ществуют два способа достижения такой скорости. Первый из них заключается в мультиплексировании трех кадров STS-1 (STS-3), а второй — в прямом пост­роении кадра (STS-Зс). Между этими способами существуют определенные разли­чия. Результирующий кадр STS-3, как нетрудно понять, имеет девять столбцов служебной информации, три столбца заголовка Path и в три раза большее поле полезной нагрузки. После выполнения процедуры мультиплексирования слу­жебные столбцы трех кадров STS-1 выстраиваются следующим образом: первым следует первый столбец первого кадра, за ним — первый столбец второго кадра, далее — первый столбец третьего кадра. Затем процедура повторяется для вто­рых и третьих столбцов кадров STS-1 (рис. 10.13). Ранее отмечалось, что заго­ловок Path не имеет фиксированного места. Поэтому расположение заголовков Path, принадлежащих разным кадрам STS-1, в общем поле полезной нагрузки кадра STS-3 зависит от их исходного расположения. Так, из рис. 10.13 видно, что заголовки Path третьего и первого кадров STS-1 находятся ближе к началу, чем заголовок Path второго кадра. Поэтому и в кадре STS-3 заголовок Path второго кадра окажется дальше, чем этот же заголовок третьего кадра.

Так как заголовок Path в кадрах STS-1 не имеет конкретного местоположе­ния, а как бы «плавает» в поле полезной нагрузки, то при мультиплексировании не происходит непосредственного объединения трех полей полезной нагрузки кадров STS-1. Поэтому заголовки Path могут разбить общее результирующее поле на несколько частей.

Кадр STS-Зс был разработан специально для того, чтобы получить единое, сплошное поле полезной нагрузки. Символ «с» в его названии отражает тот факт, что три кадра STS-1 связываются (concatenated) друг с другом. Резуль­тирующий кадр STS-Зс не может демультиплексироваться ниже уровня в 155 Мбит/с, так как он разрабатывался именно под эту скорость и нет механиз­мов его «демонтажа». В кадре STS-Зс существует только один столбец, выделен­ный под заголовок Path, что увеличивает поле полезной нагрузки на 18 байт. Кадр не содержит фиксированных столбцов, таких как столбцы 30 и 59 в кадре STS-1, и все поле полезной нагрузки доступно для упаковки ячеек ATM (рис. 10.14). Кадр STS-Зс предоставляет 2340 байт полезной нагрузки по сравне­нию с 2268 байтами в кадре STS-3, что позволяет передавать данные (44.2 ячей­ки в одном кадре) со скоростью 149.76 Мбит/с. Как и в случае с кадром STS-1, ячейки упаковываются горизонтально и не обязаны укладываться в один кадр.

Помимо использования кадров SONET, для передачи ячеек применяют также кадры технологии SDH (например, STM-1). Эти кадры имеют структуру, похожую на STS-Зс, но с некоторыми отличиями в полях. Использование техно­логии SDH для передачи ячеек ATM наиболее широко распространено в Европе и России.