5 Организация резервирования каналов и трактов первичной сети связи

Комплексным свойством, характеризующим качество функционирования каналов и трактов сети связи как объекта технической эксплуатации, является их надежность.

Рис.3.

Надежность – это свойство объекта сохранять во времени в установленных пределах значения всех параметров, характеризующих способность выполнять требуемые функции в заданных режимах и условиях применения, технического обслуживания, ремонта, хранения и транспортирования [5]. На надёжность каналов и трактов влияют, главным образом, случайные отказы техники, вызываемые физико-химическими процессами старения аппаратуры, дефектами её изготовления, а также ошибки обслуживающего персонала.

Под отказом понимается событие, заключающееся в нарушении работоспособного состояния объекта. Работоспособным состоянием считается такое состояние объекта, при котором значения всех параметров, характеризующих способность выполнять заданные функции, соответствуют нормативной конструкторской или проектной документации.

Каналы и тракты сети связи относятся к восстанавливаемым объектам. Под восстановлением понимается процесс обнаружения и устранения отказа, то есть перевода объекта в работоспособное состояние из неработоспособного.

Комплексным показателем надежности восстанавливаемого объекта является коэффициент готовности Кг. Коэффициент готовности Кг характеризует вероятность того, что объект окажется в работоспособном состоянии в произвольный момент времени, (кроме планируемых периодов, в течение которых использование объекта по назначению не предусматривается). Коэффициент готовности Кг зависит от среднего времени наработки на отказ То и среднего времени восстановления Тв: Кг = То/(То + Тв). Учитывая, что То >> Тв, поэтому Кг ≈ 1.

Из приведенного выражения следует, что повышение надежности каналов и трактов путем увеличения коэффициента готовности Кг может быть достигнуто за счет увеличения времени наработки на отказ То различными способами резервирования и уменьшения времени восстановления Тв оптимизацией принимаемых при технической эксплуатации решений.

Под резервированием понимается способ обеспечения надежности объекта за счет использования дополнительных средств и возможностей, избыточных по отношению к минимально необходимым для выполнения требуемых функций.

На практике величина Кг зависит от типа кабельной линии и ее протяженности, вида используемой аппаратуры и способов их эксплуатации и может составлять 0,998… 0,9998.

Как известно, аппаратура СЦИ обладает высокой надежностью, а встроенные в нее средства контроля, обслуживания и управления облегчают и ускоряют обнаружение неисправностей и переключение на резерв. Однако современные сети связи позволяют организовывать очень большое количество каналов и трактов. Поэтому отказ даже одного участка может привести к перерыву связи для нескольких сотен или тысяч пользователей, нарушению технологических процессов, угрозе безопасности перевозки пассажиров и грузов, значительным экономическим потерям. Таким образом, необходимо применять специальные меры по обеспечению отказоустойчивости сетей, предусматривать резервные емкости каналов и трактов, реализовывать алгоритмы реконфигурации сетей при отказах ее элементов.

Целый ряд факторов облегчает принятие указанных мер: значительные емкости ВОЛП и относительно невысокая стоимость одного канало-километра; наличие в аппаратуре средств контроля и управления; деление сети на независимые функциональные слои; возможности резервирования основных блоков мультиплексоров; применение аппаратуры оперативного переключения АОП, позволяющей по командам сетевого оператора с использованием средств сетевого управления выполнять переключения на первичной сети.

Это дает возможность реализовывать принцип построения самовосстанавливающихся (самозалечивающихся) сетей СЦИ, которые при выходе из строя отдельных элементов способны сохранять или автоматически восстанавливать в короткое время нарушение связи без серьезных последствий для потребителей.

Так как первичную сеть связи образует аппаратура сетевых узлов и станций, а также линии передачи, то применяются следующие основные методы обеспечения самовосстановления сетей СЦИ [1, 5].

1. Резервирование основных блоков оборудования по принципу 1+1 (один блок рабочий и один резервный) или 1:N (один блок резервный на N рабочих; обычно N = 1,…, 16) . Этот метод представляет собой аппаратурное резервирование.

2. Резервирование участков сети по схемам 1+1 или 1:1 по разнесенным трассам по принципу переключения секций или трактов. Этот метод называется также сетевым защитным механизмом MSP.

3. Организация самовосстанавливающихся кольцевых сетей, резервированных по схемам 1+1 или 1:1. Основными видами реализации данного метода являются сетевые защитные механизмы SNCP и MS-SPRING.

4. Организация обхода отказавшего узла, когда работоспособность сети восстанавливается за счет исключения этого узла системой управления мультиплексора и пропускания агрегатного потока по пассивному оптическому тракту.

5. Использование аппаратуры оперативного переключения АОП, которая выполняет реконфигурацию маршрутов на участках, прилегающих к вышедшему из строя элементу, и соответствующее переключение потоков.

Указанные методы могут применяться, как по отдельности, так и в комбинации.

Рассмотрим наиболее часто встречающиеся на железнодорожном транспорте методы самовосстановления сетей связи.

Аппаратурное резервирование

Аппаратурное защитное переключение EPS (Equipment Protection Switching) является одной из мер, направленных на повышение надежности работы сети СЦИ. В этом случае резервируются рабочие блоки оборудования (например, коммутационные матрицы, блоки для ввода- вывода цифровых потоков, линейные оптические агрегаты). Резервирование может быть организовано по принципу 1+1 (на один блок рабочий предусматривается один резервный) или по принципу 1: N (один резервный блок закрепляется за N рабочими блоками; в зависимости от назначения блока N= 1,…,16). Очевидно, что аппаратурное резервирование увеличивает стоимость реализации сети СЦИ, поэтому вопрос о его целесообразности должен быть решен в ходе проектирования.

Сетевой защитный механизм MSP

Сетевой защитный механизм резервирования мультиплексорных секций MSP (Multiplexer Section Protection) соответствует Рекомендации МСЭ-Т G.841. Он может быть использован на сети или подсети топологии «точка-точка». Для его реализации необходимо наличие резервного линейного тракта, как это показано на рис. 4. При этом сигнал STM-N одновременно передается как по основному, так и по резервному тракту. При нормальных условиях работы на приеме используется сигнал, передаваемый по основному тракту, причем производится постоянный контроль качества передачи сигналов посредством алгоритма BIP (Bit Interleaved Parity). В случае значительного ухудшения качества сигнала основного тракта на приеме выполняется аварийное переключение APS (Automаtic Protection Switching) на резервный линейный тракт, для управления которым используются байты К1 и К2 заголовка мультиплексорной секции MSOH. Очевидно, что такое переключение сопровождается перерывом связи, но согласно существующим нормам, его длительность не должна превышать 50 миллисекунд. Отметим, что при MSP защищается весь передаваемый по линейному тракту групповой сигнал.

Основной линейный тракт

MSP

STM - N

(1+1)

Резервный линейный тракт

Рис.4

Сетевой защитный механизм SNCP

На сетях СЦИ существуют так называемые точки окончания (Termination Points), которые бывают двух типов:

1. точки TTP (Trail Termination Points);

2. точки CTP (Connection Termination Points).

В точках ТТР формируются - расформировываются виртуальные контейнеры VC-n, т.е. к контейнерам добавляются трактовые заголовки. Другое название точек ТТР – логические порты. В точках СТР сигнал только подвергается контролю (мониторингу). При этом участок сети СЦИ между точками СТР называется соединение подсети (SubNetwork Connection –SNC).

Сетевой защитный механизм резервирования соединений подсети SNCP (SubNetwork Connection Protection) реализуется в кольцевых сетях СЦИ, как это показано на рис. 5.1. Сигнал одновременно передается по основному и резервному соединению подсети SNC. Находящийся на приемной стороне переключатель в нормальных условиях ориентирован на основное соединение подсети SNC. В случае повреждения основного SNC происходит аварийное защитное переключение APS. Приемный мультиплексор ввода-вывода ADM начинает принимать сигнал, передаваемый по резервному соединению SNC. При этом время перерыва связи также не должно превышать 50 мс. Таким образом, принципы действия SNCP и MSP очень похожи, но SNCP может быть реализовано на уровне VC-4, VC-3, и VC-12, т.е. при SNCP возможна селективная защита передаваемых цифровых потоков.

Основное SNC

Резервное SNC

1

3

2

(VC – 4/3/12)

SNCP

Рис. 4

Рис.5.1

Сетевой защитный механизм MS-SPRING

Защитный механизм совместного резервирования мультиплексорных секций в кольце MS-SPRING (Multiplex Section Shared Protection Ring) может быть реализован в двух- и четырехволоконном вариантах (2f и 4f).

Рассмотрим двухволоконный вариант защитного механизма 2f – MS – SPRING, принцип действия которого заключается в следующем (рис. 5.2 и 5.3). Предположим, вся пропускная способность кольца СЦИ на каждом участке составляет N административных блоков AU-4. Тогда N/2 AU-4 назначаются рабочими, а оставшиеся N/2 AU-4 назначаются резервными. Причем в случае аварии (в соответствии с рекомендацией МСЭ-Т G.841) будут защищены только те плезиохронные цифровые потоки, которые в нормальном режиме передаются по рабочим AU-4, как это показано на рис. 5.2 и 5.3. Здесь в аварийном защитном переключении APS участвуют все мультиплексоры, входящие в кольцо. Отметим, что применительно к MS-SPRING вводится понятия высокоприоритетного и низкоприоритетного трафика.

Высокоприоритетный трафик – это сигналы, передаваемые в рабочих AU-4, т.е. сигналы, передача которых будет продолжена и при повреждении линейного тракта. Низкоприоритетный трафик будет передаваться только в нормальном режиме работы – в случае аварии его передача будет прекращена на неопределенно долгое время, вплоть до восстановления линейного тракта. Перерыв связи при APS также не должен превышать 50 мс (для кольца уровня STM-64 предельное значение равно 60 мс).

В случае четырехволоконного MS-SPRING наблюдается совмещение принципов действия MSP и 2f-MS-SPRING. Очевидно, что стоимость реализации 4f-MS-SPRING значительно превышает аналогичную стоимость для 2f-MS-SPRING.

Сравнение SNCP и MS-SPRING

Из изложенного выше следует, что в общем случае в кольцах СЦИ в качестве сетевых защитных механизмов может быть использовано как SNCP, так и MS-SPRING. Поэтому целесообразно сравнить их достоинства и недостатки для определения области их наиболее эффективного применения.

Прежде всего, принципиально SNCP может быть реализовано в кольце СЦИ любого уровня, начиная с STM-0, a MS-SPRING начиная с уровня STM-4. Так как принцип действия SNCP проще, то, следовательно, оно является более надежным.

Для MS-SPRING существует ограничение на предельное число мультиплексоров в кольце – в настоящее время не более 16. Для SNCP такого ограничения нет. В кольце с SNCP из кассет всех мультиплексоров можно вынуть контроллеры (программируемое устройство, осуществляющее контроль и управление всеми блоками мультиплексора) – в случае повреждения линейного тракта произойдет аварийное защитное переключение APS.

6

1

2

3

4

5

6

1

2

3

4

5

MS - SPRING

MS - SPRING

Рис. 5.2 Нормальный режим

Рис. 5.3 Аварийный режим

Рабочие каналы

Каналы защиты

В случае MS-SPRING, если вынуть контроллер из одного мультиплексора, то во всем кольце пропадает защита цифровых потоков. С другой стороны MS-SPRING обеспечивает большую технико-экономическую эффективность использования сети СЦИ. В качестве примера рассмотрим передачу по кольцу уровня STM-4 потоков 2 Мбит/с. В случае SNCP максимальное количество таких потоков будет равно 252. Применительно к MS-SPRING максимальное количество потоков будет определяться характером взаимодействия узлов в сети СЦИ. Самые неблагоприятные условия для применения MS-SPRING будут в случае взаимодействия типа «звезда», когда с каким-то «главным» узлом взаимодействуют все остальные, причем эти остальные узлы не взаимодействуют друг с другом. При таком характере взаимодействия узлов максимальное количество защищенных потоков 2 Мбит/с равно 252. Самые же благоприятные условия для MS-SPRING будут в том случае, когда все узлы в сети взаимодействуют только с соседними узлами. В этом случае количество защищенных потоков будет равно 126×К, где К – количество мультиплексоров в кольце с MS-SPRING (предполагается, что число К не превышает 16).

Таким образом, MS-SPRING может обеспечить передачу многократно большего количества защищенных цифровых потоков в сравнении с SNCP. А ведь еще можно передавать незащищенные потоки (низкоприоритетный трафик). Означает ли это, что MS-SPRING следует использовать везде, где только можно? Нет. Предположим, что по данному кольцу СЦИ уровня STM-4 необходимо передать 165 потоков 2 Мбит/с, причем существенного увеличения количества потоков в ближайшие несколько лет не ожидается. В этих условиях целесообразно использование SNCP как более надежного сетевого защитного механизма. Официальная статистика отсутствует, но, как показывает опыт, обслуживающий персонал сетей с SNCP сталкивается со значительно меньшим количеством различных неисправностей в сравнении с сетями, на которых установлен MS-SPRING.

Если бы в рассмотренном выше примере требовалось передать 365 защищенных потоков 2 Мбит/с, тогда применение MS-SPRING было бы оправданным.

В заключение отметим, что нельзя твердо говорить об установке MS-SPRING в том или ином кольце без проверки условий его реализуемости. На этапе проектирования необходимо убедиться, что на каждом участке сети в нормальном режиме количество передаваемых защищенных цифровых потоков не превосходит пропускной способности AU-4 × N/2, где N – уровень STM, передаваемого по кольцу.

Для повышения надежности работы сетей СЦИ могут быть использованы различные сетевые защитные механизмы. Целесообразность использования того или иного механизма определяется видом топологии сети (кольцо, шина, звезда и т.д.), допустимыми капитальными затратами на ее реализацию, а также дальнейшими перспективами увеличения передаваемого трафика.