Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

• Введение
• Глава 1. Современное состояние телекоммуникаций
• Глава 2. Технология NGSDH
• 2.1 Особенности трафика в современных условиях
• 2.2 Адаптация пакетного трафика
• 2.2.1 Технология PoS, LAPS/X.86, SAR/ATM
• 2.2.2 Протокол GFP
• 2.3 Протокол VCAT - виртуальная конкатенация
• 2.3.1 VCAT HP - Конкатенация контейнеров высокого порядка
• 2.3.2 VCAT LP - Конкатенация контейнеров низкого порядка
• 2.4 Процедура LCAS
• 2.5 Технология RPR
• Глава 3. Архитектурное представление фрагмента сети с трактами VC-12
• Глава 4. Контроль качества передачи в сетевых слоях
• Глава 5. Взаимодействие сигналов контроля
• Глава 6. Имитационное моделирование процедуры контроля качества передачи в трактах VC-12
• Заключение
• Список сокращений
• Список литературы
• Приложение А

Введение

Телекоммуникации всегда были одной из бурно развивающихся отраслей. С момента зарождения и до нашего времени, сети электросвязи прошли через целый ряд революционных преобразований. К их числу можно отнести происходящий в наши дни переход от традиционных сетей общего пользования с коммутацией каналов к сетям следующего поколения (NGN), развиваемые на основе технологии пакетной передачи информации и представляющие собой сети с коммутацией пакетов. Сети NGN возвещают переход от долго существовавшего подхода «одна услуга - одна сеть» к подходу, в основе которого - оказание множества услуг через одну и ту же сеть. Предоставление пользователям большего разнообразия высококачественных услуг - важнейший фактор процесса реформирования электросвязи, состоящего в повсеместном внедрении сетей NGN. Но такая модернизация не является полностью прозрачной, как это кажется на словах.

Технология SDH широко используется во всем мире. На ее основе построены многие первичные сети. Преимущества данной технологии заключается в стабильности, надежности и удобстве контроля. Однако SDH разрабатывалась для передачи трафика с постоянной битовой скоростью, ориентирована на коммутацию каналов и плохо приспособлена для передачи пакетного трафика. В оборудование и инфраструктуру SDH вложены большие деньги и сразу полностью перестраивать сеть становится нерационально. Поэтому необходимо было отыскать экономичный путь миграции от сетей с коммутацией каналов к сетям с коммутацией пакетов. Такое решение нашлось. Это была модернизация существующей сети SDH, в сеть NGSDH. Таким образом, это позволяло сделать переход к NGN более плавным.

Для решения проблемы адаптации пакетного трафика к каналам с постоянной битовой скоростью уже существует и поддерживается многими производителями современный протокол GFP, позволяющий сгладить пульсации пакетного трафика и, вместе с тем, экономично использующий ресурс виртуальных контейнеров.

Типовые скорости сетей передачи данных плохо согласуются со скоростями SDH, так как ёмкости виртуальных контейнеров разрабатывались для передачи в основном каналов голосового трафика. Этот вопрос решает процедура виртуальной конкатенации (VCAT), позволяющая объединить емкости нескольких контейнеров воедино для обеспечения требуемой полосы пропускания.

Ещё одна проблема заключается в том, что загрузка канала может достигать максимума в определённые часы и падать до минимума в другое время. Естественно, целесообразно будет изменять ёмкость всего канала, добавляя или удаляя элементы группы конкатенированных контейнеров. В сетях передачи данных обычно оплачивается трафик, а не время использования выделенного канала.

Решением данной проблемы является процедура LCAS - схема регулировки пропускной способности канала, представляющая собой надстройку над механизмом виртуальной конкатенации. Протокол LCAS позволяет динамически изменять ёмкость канала без вмешательства обслуживающего персонала.

Важнейшей частью технологии SDH является контроль качества всех участков транспортной сети. Переход от PDH к SDH привел к увеличению количества сообщений о неисправности в сети. Соответственно появление новой технологии влечет за собой появление новых сигналов контроля. Это применимо и к технологии NGSDH. В данной дипломной работе рассматривается взаимодействие сигналов контроля в сети NGSDH с трактами низкого порядка.

Глава 1. Современное состояние телекоммуникаций

За последнее десятилетие резко изменилась ситуация на рынке связи. Глобальное информационное общество требует новых технологий - технологий пакетной передачи данных, и операторы, эксплуатирующие сети с коммутацией каналов, чтобы остаться на рынке, должны обеспечивать эффективную передачу пакетного трафика.

Развитие сети Internet, в том числе появления новых услуг связи, способствует росту потоков данных, передаваемых по сети и заставляет операторов искать пути увеличения пропускной способности транспортных сетей. При выборе решения необходимо учитывать:

· разнообразие потребностей абонентов;

· потенциал для развития сети;

· экономичность;

На развивающемся телекоммуникационном рынке опасно как принимать поспешные решения, так и дожидаться появления более современных технологий.

В настоящее время всё большее и большее число пользователей в России ощущают либо нехватку, либо недостаточное качество услуг, предоставляемых операторами связи. Телефонная сеть общего пользования базируется на принципе коммутации каналов, который не может дать высокой пропускной способности линий связи. И вследствие того, что такие необходимые сейчас услуги, как передача голоса в хорошем качестве, передача видео в реальном времени, конференц-связь требуют высокой пропускной способности, ТфОП (телефонная сеть общего пользования) реализовать их может только в случае установке дополнительного оборудования. В данный момент, у всех сетей связи существует один очень важный недостаток: для каждого вида связи существует хотя бы одна самостоятельная сеть. При этом ресурсы одной сети не могут использоваться другой сетью. В результате, потребитель за отдельными услугами связи вынужден обращаться в разные компании, заключать много договоров, вести на своем предприятии разные виды учета. Решением этой и других проблем, возникающих у пользователей, желающих иметь весь комплекс необходимых услуг, могла бы стать сеть, объединяющая все услуги, сеть нового поколения - Next Generation Network. Но сразу перейти к сетям NGN, не представляется возможным, поскольку это очень дорогой и трудоемкий процесс. Поэтому, переход происходит постепенно.

В сложившейся ситуации операторы могут рассматривать несколько сценариев развития транспортной сети. Первый из них - консервативный, являющейся переходным, позволяет добиться большей эффективности передачи пакетного трафика, новых возможностей в предоставлении услуг, без глобальной перестройки существующей сетевой инфраструктуры. Второй рассчитан на значительные инвестиции, но позволяет, сохранив все свойства традиционных транспортных сетей, перейти к пакетной транспортной сети.

Консервативный подход подразумевает модернизацию существующих SDH-сетей и подходит операторам, уже владеющим крупными транспортными сетями и не имеющие возможности инвестировать в сеть значительные средства, но в то же время стремящимся к повышению эффективности сети, интеграции с IP и Ethernet, готовности предоставлять новые услуги. Консервативный вариант реализуется технологией NGSDH, обеспечивающей плавный переход к полностью пакетным сетям. Т.о. будут заложены основы для сетей будущего, не разрушая при этом существующей инфраструктуры.

Второй сценарий рассчитан на более долгосрочную перспективу и предусматривает переход к полностью пакетному оптическому транспорту PTN с масштабной заменой оборудования. Реализовать это метод помогают две технологии, это T-MPLS и PBB-TE. А единое управление оптической транспортной инфраструктурой организуется посредством GMPLS. [4]

Второй вариант, конечно, прельщает куда больше, своей перспективой развития. Но ситуация на рынке такова, что оператору куда выгоднее «выжать» из своей сети максимум возможностей, чем полностью её перестраивать. Тем более, что сеть SDH зарекомендовала себя как высоко надёжная, и имеется полный спектр возможности их обслуживания. Поэтому скорого отказа от SDH не предвидится. Более того, эта сеть получила новый виток развития, под названием NGSDH, и с уверенностью можно констатировать, что дальнейшее совершенствование происходит, и будет происходить. Всё это позволяет операторам перейти к сетям нового поколения.

Отдельно стоит упомянуть технологию Ethernet. Это пакетная технология, изначально разработанная исключительно для локальных сетей (LAN). Многие операторы связи используют её в качестве последней мили, ядро сети может быть построено на основе сети SDH. Соединения Ethernet по сети SDH являются оптимальным соединением между портами локальной сети. Они строятся по принципам использования виртуальных контейнеров предоставляющих необходимую полосу для передачи кадров Ethernet, Fast Ethernet, Gigabit Ethernet. Сейчас идёт активное внедрение Ethernet в городских сетях (Metro Ethernet). Возникло понятие Carrier Ethernet (Ethernet операторского класса). Если почти все соединения начинаются и заканчиваются на портах Ethernet, то нужно использовать Ethernet непосредственно в опорных сетях.

Несколько лет назад в России стали появляться совершенно новые услуги, как на базе традиционных сетей, так и в сетях с пакетной коммутацией, развитие мультисервисных сетей (типа «Triple Play»), существенно увеличившее требования к качеству каналов, как абонентского доступа, так и магистральных.

Чтобы создать инфраструктуру для предоставления высокорентабельных цифровых услуг, например, Triple Play (передача голоса, данных и видео), операторы активно развёртывают современные сети с возможностью потокового видео и контента ТВ. Но в обозримом будущем сети нового поколения со сквозной IP-инфраструктурой в чистом виде будут, скорее всего, явлением редким. Даже в самых современных сетях важную роль по-прежнему будут играть традиционные линии, поэтому такие технологии, как Ethernet поверх SDH (Ethernet over SDH), представляют хорошие возможности для внедрения наиболее рациональных решений.

Сделаем вывод из всего вышесказанного. На сегодняшний день, уверенно можно сказать, что тенденции развития транспортных сетей смещаются в сторону пакетной передачи данных. А основой протокол станет IP. Но как уже отмечалось, большинство городских сетей построено на базе технологии SDH. И встает вопрос, что же делать компаниям располагающим разветвленной сетью SDH? Ответ напрашивался сам собой. Для решения возникшей задачи оборудования должно эволюционировать так, чтобы обеспечивать транспортную среду для предоставления как новых, так и традиционных услуг. Это позволит компаниям глобально не перестраивать сеть и совершить плавный переход к транспортным сетям следующего поколения. Технологией позволяющей это сделать, стала NGSDH. Ниже рассмотрим более подробно эту технологию.

телекоммуникация трафик сеть тракт

Глава 2. Технология NGSDH

2.1 Особенности трафика в современных условиях

Доля пакетного трафика постоянно увеличивается и постепенно вытесняет TDM-трафик. На данный момент доля трафика данных, и в особенности трафика IP, растет экспоненциально и в разы превышает голосовой трафик.

Существует статистика: услуги доступа к информации с использованием инфокоммуникационных технологий (Интернет) за 9 месяцев 2009 года породили трафик 1 707 350 841 765 Мбайт. Это в 3.5 раза больше аналогичного показателя в 2008 году. Количество интернет - пользователей в России достигло 50 млн. человек (свыше трети населения), в 2007 году это было 35 млн. человек. По прогнозам, через 30 лет это будет 95% населения. [4]

Классическая SDH разрабатывалась для передачи трафика с постоянной битовой скоростью и плохо приспособлена для передачи пакетного трафика, Тем не менее, высокие показатели качества и возможности самовосстановления сети весьма привлекательны для использования SDH в качестве транспорта для информационных сетей. Однако при попытке непосредственно упаковывать кадры ЛВС в контейнеры SDH инженеры столкнулись с определёнными трудностями, а главное, ёмкости контейнеров заполнялись неэффективно. Кроме этого, для сетей SDH характерно резервирование, то есть большая избыточность. Половина ёмкости каналов отводится на резервирование, таким образом, эффективность передачи падает до нескольких десятков процентов.

Сети SDH построены и отлажены, в создание и эксплуатацию вложены большие ресурсы, и отказываться от дальнейшего использования - переходить на сети с коммутацией пакетов - во многих случаях невозможно. К тому же, технология отработана за многие годы, есть специалисты, есть оборудование. Другое дело - внедрение новых технологий. Например, Ethernet over SDH. EoS может существенно расширить спектр услуг операторов связи, тем более что во многих случаях это достаточно недорогое предприятие (поскольку SDH служит всего лишь транспортом, модернизация необходима лишь на оконечных точках маршрута).

Как видим, в настоящее время SDH должна обеспечить передачу пакетного трафика (в особенности IP трафика) наиболее эффективно, как с точки зрения использования ресурса, так и с точки зрения капиталовложений операторов связи по модернизации оборудования. Это не является заменой самой технологии SDH, а является модернизацией. Что касается эффективности использования существующих ресурсов - здесь можно выделить две основные проблемы. Первая проблема - несоответствие скоростей каналов SDH со скоростями сетей пакетной коммутации (проблема передачи высокоскоростного трафика); вторая - высокая неравномерность скорости пакетного трафика (проблема передачи пакетного трафика). Рассмотрим обе проблемы.

Первая проблема - проблема передачи высокоскоростного трафика. Иерархия скоростей SDH происходит от скоростей сетей PDH, которые были рассчитаны на передачу целого числа каналов ОЦК (64 кбит/с). Европейская, североамериканская, японская - существовал целый ряд скоростей, что было учтено при разработке SDH. Виртуальные контейнеры способны поместить в себя многие из них. Совсем другая иерархия скоростей сложилась в сетях пакетной коммутации. Основой для них послужил самый распространённый протокол локальных сетей - Ethernet, объединяющий под общим названием ряд скоростей, кратных 10 (в начале 80-х годов был стандартизирован рабочей группой IEEE 802.3 [2]). Протокол Ethernet в настоящее время является основным протоколом локальных сетей, уже давно вытеснив всех своих конкурентов.

Приведем таблицы скоростей ниже.

Таблица 2.1

Типовые скорости SDH

Таблица 2.2

Скорости Ethernet

Совершенно очевидно, что из перечисленных в таблице технологий только Ethernet и Fast Ethernet могут передаваться по «классической» SDH без модификаций. Таким образом, оказалось необходимым разработать техническое решение этой проблемы, адаптировав систему SDH к передаче высокоскоростных цифровых сигналов.

Вариантом решения стал механизм конкатенации, позволяющая создать наиболее подходящие емкости для переноса трафика ЛВС по сети SDH.

Вторая проблема - проблема передачи пакетного трафика. Как известно, технология SDH создавалась как технология первичной сети с коммутацией каналов. Для канала же характерна фиксированная скорость передачи. Технология NGN, напротив, ориентирована на сети с коммутацией пакетов. А для пакетного трафика характерна высокая неравномерность скорости, такие параметры как среднее число пакетов за выбранный интервал времени, размер пакетов, не являются постоянными. Есть моменты времени, когда на вход системы не поступают пакеты вообще, или же наоборот - длительное время наблюдается максимальная загрузка. Пакетный трафик носит «пульсирующий» характер, и, чтобы эффективно разместить его пакеты переменной длинны в контейнер, необходимы дополнительные процедуры.

Отсутствует регулярная структура потока - время появления пакета или начало кадра, как и размеры их - величины случайные, что вносит существенные трудности при согласовании скоростей. Механизм адаптации пакетного трафика, асинхронного по своей природе, к каналам с постоянной битовой скоростью не должен вносить переменные задержки в передачу пакетов, поскольку в сетях с коммутацией пакетов время доставки, или задержки, играет важную роль и является одним из главных параметров качества обслуживания. Нельзя просто организовать большую очередь из входящих пакетов, дождаться, когда их будет достаточное число, чтобы плотно заполнить контейнер, а потом отправить его в сеть SDH. Такой подход, конечно же, позволит использовать ресурс SDH на 100%, однако такой линией связи невозможно будет пользоваться из-за того что время доставки пакета будет определятся тем, попал он в конец очереди или в начало, то есть будет случайным, а для многих современных приложений - так называемых приложений реального времени - гарантированное время доставки имеет важное, а иногда критическое значение.

Также не рациональна будет другая крайность - входящие кадры или пакеты сразу же пускать в обработку и передавать в сеть SDH. В этом случае задержки возникать не будут, но будут пустоты в контейнерах, и ресурс не будет эффективно использован.

Потребовалось создать механизм адаптации пакетного трафика к каналу с постоянной битовой скоростью для обеспечения согласования скоростей, при этом максимально полно использовать каналы SDH.

2.2 Адаптация пакетного трафика

2.2.1 Технология PoS, LAPS/X.86, SAR/ATM

PoS (Packet over SDH, можно перевести как «пакет через сеть SDH») - исторически первое решение, предназначенное для передачи пакетного трафика через сеть синхронной цифровой иерархии, либо с использованием технологии HDLC, либо с использованием методов ATM. Второй вариант в настоящее время представляется затруднительным по причине вытеснения технологии ATM с рынка стеком технологий на базе IP [4]. Рассмотрим пример организации передачи трафика IP как доминирующей технологии пакетных сетей.

Пакеты проходят несколько ступеней преобразования. Сначала кадры IP преобразуются в кадры протокола РРР (Point-to-Point Protocol, протокол соединения точка-точка). Это протокол Интернет, стандартизованный в рекомендации RFC 1661, в который входит целое семейство протоколов, такие как протокол управления линией связи, протокол управления сетью, многоканальный протокол РРР, и многие другие.

Вторым шагом, является преобразование кадров протокола PPP в формат кадров HDLC.

Рис. 2.1 - Преобразование кадров PPP в формате кадров HDLC

Протоколы семейства HDLC предназначены для образования канального уровня для соответствующих сетей. Кадры HDLC имеют различные поля и флаги, переменную длину, и сам протокол HDLC отличается сложностью, поскольку выполняет достаточно много задач. Однако в нашем случае используется усечённая версия этого протокола, которая позволяет загружать в систему SDH пакеты переменной длинны, осуществляя процедуру добавления байтов стаффинга, а также позволяет осуществлять контроль ошибок, защищая содержимое кадра процедурой CRC - 32. Адресное поле и поле управления HDLC имеют фиксированные значения (FF и 03 соответственно). Кадры HDLC разделяются друг от друга специальными полями - флагами, это 7Е в шестнадцатеричном выражении. Кадр PPP загружается в информационное поле кадра HDLC.

Третьим шагом процесса PoS является загрузка полученных кадров HDLC в виртуальные контейнеры SDH. Таким образом, IP-пакет перед тем как попасть в систему SDH проходит через следующие процедуры:

· Формирование кадра РРР (IETF RFC 1661);

· Расчёт контрольной суммы FCS (IETF RFC 1662);

· Добавление байтов стаффинга для выравнивания скоростей и формирования кадра HDLC (IETF RFC 1662);

· Процедура загрузки кадров HDLC в систему SDH (РРР over SONET/SDH IETF RFC2615);

· Передача контейнеров PoS по сети SDH (ITU-T G.707).

Рис. 2.2 - Варианты передачи пакетного трафика через сеть SDH

Достоинство алгоритма PoS - это существенная простота: учитывая популярность протоколов HDLC, реализация его не вызовет больших затрат. Однако у этого алгоритма есть существенный недостаток - неэффективность использования ресурса SDH. Поскольку в данном алгоритме отсутствует выравнивание скоростей, а пакетный трафик является неравномерным, то и использование фиксированного по скорости канала будет лишь на столько, чтобы не вызвать перегрузки и потери информации.

Дальнейшее развитие технологии PoS привело к стандартизации протокола LAPS международным союзом электросвязи ITU-T в рекомендации Х.86. Подход был такой, что кадры Ethernet непосредственно загружались в кадры HDLC и далее в виртуальные контейнеры SDH. Принципиально мало что изменилось, и эффективность загрузки ресурса SDH тоже - по-прежнему требовалась процедура стаффинга и отсутствовал механизм согласования скоростей, - поэтому эта технология не прижилась, на смену ей пришла процедура GFP.

Однако стоит также упомянуть о подходе в реализации в рамках технологии ATM. Низкой эффективностью PoS и LAPS является неравномерность трафика, и если бы удалось сделать структуру трафика равномерной, то перенос его по сети SDH был бы более эффективным. Для повышения эффективности требуется процедура выравнивания скорости передаваемого трафика.

Первоначально процедура выравнивания была разработана для пакетного трафика в рамках технологии ATM - передача данных в виде ячеек фиксированного размера в 53 байта. Любые пакетный данные разделяются на блоки по 48 байт и передаются по сети ATM. Эта процедура называется сегментированием данных, а соответствующей уровень технологии ATM - SAR (Segmentation and Reassembly).

В результате сегментирования в систему SDH поступает последовательность ячеек фиксированного размера, такой трафик не имеет неравномерностей и идеально подходит для передачи по сети SDH. Однако у этого решения оказалось два существенных недостатка. Первый - это сложность реализации, следовательно, дороговизна оборудования. Вторым и решающим оказалась идеологическая победа технологий IP - от производства оборудования ATM постепенно отказались ведущие производители, и ATM, несмотря на многие более высокие качественные показатели, такие как гарантированное качество и минимальная задержка при доставке пакета, фактически прекратила свое существование [1].

2.2.2 Протокол GFP

Исторически первым решением проблемы согласования скоростей высокоскоростных цифровых сигналов был механизм смежной конкатенации. Полезная нагрузка нескольких контейнеров объединялась в конкатенированный контейнер С-4-Хс, емкость которого - суммарная ёмкость X подряд идущих контейнеров (например, VC-4-4c - это 4 контейнера VC-4, образующих тракт ёмкостью 599 040 кбит/с). Конкатенация предполагает слияние полей нагрузки, значение полей VC-POH контейнеров VC-4 не имеет смысла. В случае слияния четырёх контейнеров, три заголовка РОН заполняются фиксированными данными заполнения. Роль указателей конкатенированных контейнеров также изменяется - в составе указателей есть индикатор конкатенации, дающий понять, что указатель первого AU-4 выполняет все функции указателей AU-4-4c.

Таким образом, конкатенация позволяет расширить типовые каналы SDH, давая возможность проходить через сеть высокоскоростным потокам изначально «не влезающим» в иерархию скоростей PDH/SDH. Однако применение смежной конкатенации было ограничено: каждый сетевой элемент должен был поддерживать смежную конкатенацию, существовали ограничения на число контейнеров при кольцевой топологии с защитой и пр.

Принятый в 2000 году новый стандарт ITU-T G.707 описывает вариант виртуальной конкатенации (virtual concatenation - VCAT), в котором можно было использовать контейнеры любого типа. Также, что немаловажно, при смежной конкатенации ёмкость группы VCG (Virtual Concatenation Group - VCG) поддерживается на всём пути транспортировки, тогда как при виртуальной конкатенации необходимая емкость собирается в конечных точках маршрута. Контейнеры могут следовать совершенно независимыми маршрутами и на пути их следования обрабатываться как обычные виртуальные контейнеры, то есть модернизация оборудования минимальна - только в точках завершения маршрута [5]. Достоинством виртуальной конкатенации так же является то, что поскольку могут объединяться даже контейнеры VC-12, можно добиться более точного и экономного сопряжения ёмкости VCG с требуемой полосой пропускания.

Пропускная способность виртуальных контейнеров показана в табл. 2.3.

Таблица 2.3

Пропускная способность виртуальных контейнеров

Как видно из таблицы, процедура VCAT позволяет более эффективно использовать ресурс сети, сцепляя определенное количество контейнеров для получения нужной скорости.

2.3.1 VCAT HP - Конкатенация контейнеров высокого порядка

VCAT HP - это процедура конкатенации контейнеров высокого порядка VC-3 и VC-4. Здесь будет рассмотрена процедура с участием контейнеров VC-4.

Процедура виртуальной конкатенации происходит в два этапа. На первом этапе мультиплексор формирует конкатенированный контейнер С-4-Хс, потом этот конкатенированный контейнер разбивается на VC-4. Все заголовки НР - РОН соответствуют стандартным, кроме указателя Н4, который несёт информацию VСАТ.

Сверхцикл VСАТ имеет размер 512 мс и обозначается с помощью двух индикаторов сверхцикла - MFI1 и MFI2. MFI1 имеет размер 4 бита и изменяется от 0 до 15, MFI2 имеет размер 8 бит и изменяется от 0 до 255. MFI1 увеличивается с каждым циклом, MFI2 увеличивается с каждым сверхциклом. Полный сверхцикл составляет 4096 циклов SDH, каждый цикл в котором обозначается {MFI2, MFI1}.

Рис. 2.7 - Структура контейнера C-4-Xc

Чтобы определить порядок следования отдельных контейнеров VC-4 в цикле, вводится так называемый номер в последовательности - SQ. Номер состоит из восьми бит и может принимать значения от 0 до 255. Такая структура позволяет поместить информацию о сверхцикле VСАТ {MFI1, MFI2, SQ} в поток информационного поля Н4 РОН.

Рис. 2.8 - Нумерация VC в цикле VCAT

2.3.2 VCAT LP - Конкатенация контейнеров низкого порядка