Одно из уже упомянутых раньше преимуществ сети SDH заключается в том, что она может передавать мультиплексированные потоки с большим объемом информации и при этом не требует полного демультиплексирования при выделении каналов на транзитных участках.

Плезиохронные системы использовали выравнивающие биты для выравнивания скоростей. При этом терялась информация, которая указывала на начало каждого трибутарного блока низшего порядка. Поэтому для выделения одного трибутарного блока требовалось полное демультиплексирование всего потока, как это показано на рис. 4.1а.

После выделения трибутарного блока оставшаяся информация и добавляемая на этом узле, предназначавшаяся для передачи на следующем участке, мультиплексировались снова. Это требовало установки на транзитных станциях пары "мультиплексор-демультиплексор", работающих в непосредственной связи (на жаргоне - "спина к спине", back-to-back). Они были предназначены только для выделения и вставки трибутарных блоков. Такое решение очень удорожало стоимость аппаратуры, особенно в случаях, когда нужно было обслужить поток с преимущественно транзитной нагрузкой и небольшим количеством информации, которая принимается или замещается на данном узле.

SDH обеспечивает значительное уменьшение стоимости аппаратуры благодаря установке мультиплексора ввода/вывода - МВВ (Add Drop Multiplexer - ADM), который может "распаковывать" или замещать информацию в потоке без демультиплексирования потока. Работа такого устройства в транзитном режиме показана на рис. рис. 4.1б.

Уменьшение стоимости связано с исключением пары "мультиплексор-демультиплексор", работающей back-to-back.

Транспортные сети с использованием SDH МВВ могут быть линейными или кольцевыми. На рис. 4.2 а показано использование SDH МВВ в линейной сети для связи между различными SDH-терминалами (на рисунке они обозначены цифрами 1, 2, 3, 4). Эти терминалы могут быть частями другого оборудования.

Например, они могут быть оборудованием интерфейса маршрутизаторов другой сети. На рис. рис. 4.2 каждый терминал имеет SDH-тракт с другими узлами по принципу "каждый с каждым", как это условно изображено на рис. 4.2б. При этом используются возможности мультиплексора ввода/вывода. На рис. 4.2а не показаны потоки информации, идущие в обратном направлении. Предполагается, что они образуются так же, как и прямые, - через обратно направленный SDH-тракт с использованием на транзите SDH МВВ.

На рисунке предполагается, что поставленный в каждом узле SDH МВВ выделяет информацию, предназначенную данному узлу, и вставляет другую по направлению к соседнему узлу.

Таким образом, мультиплексоры ввода/вывода позволяют создавать виртуальные топологии сетей.

Защита (Automatic Protection Switching - APS) осуществляется на уровне линии (см. определение участков SDH в лекции 3).

На рис. 4.3 показано применение резервной линии защиты (резервирование 1+1 - один плюс один").

Напомним, что линия связи (мультиплексорная секция) - это несколько секций, расположенных между промежуточными мультиплексорами ввода/вывода каналов (ADM - Add Drop Multiplexer). На рис. 4.3 используются две таких линии связи - основная и резервная. Исходящий поток электрически разделяется на два потока мостом - устройством, прозрачным к протоколам верхнего уровня. Эти потоки идут через основную и резервную линии и на приеме проверяются, чтобы определить потерю сигнала, потерю кадра, наличие ошибок, наличие аварийного сигнала в заголовке. Селектор входящего узла отбирает качественный сигнал, основываясь на результатах такой проверки, и не координирует свою работу с исходящим узлом.

Исправление последствия ошибок в этом режиме проходит быстро, поскольку контроль и селекция выполняется аппаратурой. Однако защита 1+1 имеет низкую эффективность, поскольку использует двойную полосу для одного и того же сигнала.

На рис. 4.4 показана защита 1:1 ("один для одного"). В таком методе при нормальном функционировании сигнал передается только по основной линии. На этой линии проводится постоянный контроль, выявляющий нарушение информации. При обнаружении такого нарушения происходит переключение на резервную линию.

Такой метод требует большего времени для устранения повреждения, чем при принципе 1+1, поскольку необходима передача сигналов для переключения. Однако принцип 1:1 может обладать лучшей эффективностью, чем 1+1, потому что резервная линия при отсутствии повреждений может использоваться при появлении избыточной нагрузки. Для передачи сигналов переключения используются байты и в линейном заголовке (см. раздел "Информация линейного заголовка").

На рис. 4.5 показано, что схема защиты может быть обобщена на случай 1:n. В такой схеме одна линия защиты (резервная линия) используется для n основных линий. Такая схема предполагает, что выход из строя более одной основной линии в один и тот же момент времени маловероятен. В схеме 1:1 обычно предполагается, что после восстановления основной линии происходит "обратное переключение" нагрузки на основную линию.

Обычно время переключения на резерв задается требованиями (например, 50 мс) для всех приведенных выше схем.

Кольцевые сети

SDH МВВ могут также обеспечить построение сетей с кольцевой топологией. На рис. 4.6 показаны три узла . Два из них содержат терминальные мультиплексоры (ТМ), а один мультиплексор ввода/вывода (МВВ). Они связаны однонаправленным кольцом, поддерживающим несколько STM-1.

На рис. 4.6 показаны два типа мультиплексоров.

Терминальный мультиплексор - ТМ, который является мультиплексором и одновременно оконечным устройством SDH-сети.

Мультиплексор ввода/вывода - МВВ - пропускает транзитные сигналы, но может вводить и выводить информацию на транзитном пункте.

Физически узлы на рис. 4.6 связаны в кольцевую структуру; логически они связаны в структуру, которая позволяет достигнуть любого узла по любому из направлений и с помощью МВВ создает резервный путь. Например, сигналы, передаваемые от узла a в узел b, могут его достигнуть по обходному пути через узел c.

Методы защиты синхронных потоков

SDH кольца могут выполняться с возможностью самовосстановления (self-hearing - самолечение) при возникновении ошибок или повреждений. Самовосстановление кольца можно обеспечить на уровне линейной секции ( рис. 4.1), и она может также осуществлять защиту на уровне маршрута. Заметим, что уровень маршрута может быть от конца к концу, от исходного терминала до пункта назначения.

Однонаправленное коммутируемое кольцо

Рассмотрим сначала маршрут однонаправленного кольца с переключением маршрута (Unidirectional Path Switched Ring - UPSR), который обеспечивает защиту на уровне маршрута. На рис. 4.7а показаны два кольца, по которым распространяются данные в первом кольце в одном направлении, а во втором - в обратном направлении.

Для определенности предположим, что основная нагрузка проходит по часовой стрелке, а резервное кольцо передает нагрузку против часовой стрелки.

На рис. рис. 4.7б указаны потоки информации, идущие от МВВ 4 к МВВ 2 в нормальном режиме, при отсутствии повреждения линий. На узле 4 передаваемая информация разделяется на два потока, идущие в двух направлениях - один по основному пути (по часовой стрелке), а второй - по резервному (против часовой стрелки). Этот путь между парой узлов обеспечен защитой 1+1 ("один плюс один") на уровне маршрута, т.е. зарезервировано прохождение информации на всей сети.

При методе однонаправленного коммутируемого кольца (Unidirectional Path Switched Ring -UPSR) каждый узел следит за сигналами, приходящими по двум маршрутам, и выбирает лучший из них. Например, как показано на рис. 4.7в, один из участков поврежден. Тогда узел 1 не получает сигналов и посылает в направлении по часовой стрелке сигнал аварии в заголовке (см. маршрутный заголовок байт , рис. 4.7). При получении сигнала аварии каждый узел определяет, с какой стороны пришел сигнал от соседнего узла, и переключается на резервный путь, идущий в другом направлении. На рис. 4.7 в узел 2 должен придти сигнал "авария" от узла 1 (передаваемый по часовой стрелке) и переключиться на резервный путь, где информация передается против часовой стрелки. Таким образом, связь с узлом 4 не прерывается.

Метод однонаправленного коммутируемого кольца (Unidirectional Path Switched Ring -UPSR) обеспечивает быструю защиту, но неэффективен в смысле использования пропускной способности каналов, поскольку задействует для одного и того же сигнала два пути. Если путь использует один STM-N, то точно такой же сигнал будет идти в обратном направлении. Такой метод применяется в относительно низкоскоростных сетях­кольцах, которые нужны для доступа от удаленных терминалов к центральной сети и для концентрации нагрузки для передачи ее другим сетям.

Двунаправленное коммутируемое кольцо

SDH-кольца могут обеспечить защиту на уровне линейной секции. На рис. 4.8 показано двунаправленное кольцо с защитным переключением линейных сегментов (Bidirectional Line Switched Ring - BLSR). Оно содержит четыре кольца.

SDH-кольца могут обеспечить защиту на уровне линейной секции. На рис. 4.8 показано двунаправленное кольцо с защитным переключением линейных сегментов (Bidirectional Line Switched Ring - BLSR). Оно содержит четыре кольца.

Смежные МВВ в кольце связаны двумя рабочими линиями (сплошная линия) и двумя линиями защиты.

Предположим, что повреждена рабочая линия между узлами 2 и 3, как показано на рис. 4.9. Двунаправленное кольцо с защитным переключением линейных сегментов переключает основные и рабочие линии на линии защиты между узлами 2 и 3. Этот тип восстановления назван переключением по участкам (span switching).

Теперь предположим, что одновременно повреждены и рабочая линия, и линия защиты, как это показано на рис. 4.10. В этом случае двунаправленное кольцо с защитным переключением линейных сегментов использует для передачи участок линии защиты, направленный в другую сторону от поврежденного узла. Информация между узлами 2 и 3 проходит несколько участков, удаленных от смежных узлов (это участки 3-4, 4-1, 1-2), по резервной линии. Такой способ называется переключением по кольцу.

Двунаправленное кольцо с защитным переключением линейных сегментов более эффективно, чем однонаправленное кольцо с переключением маршрута, поскольку трафик может быть переключен по самому короткому пути, так, чтобы не загружать кольцо, которое может в этом случае поддерживать передачу большой нагрузки. Кроме того, двунаправленное кольцо с защитным переключением линейных сегментов может использоваться для пропускания дополнительной нагрузки при появлении всплеска заявок на обслуживание.

По этой причине двунаправленное кольцо с защитным переключением линейных сегментов лучше использовать в высокоскоростных сетях, которые включают в себя очень дорогие высокоскоростные линии длиной тысячи километров. С другой стороны, двунаправленное кольцо с защитным переключением линейных сегментов требует сложного комплекса сигнализации для того, чтобы определить, когда нужна коммутация пролета и когда - коммутация кольца; когда перегрузка возникает от всплеска нагрузки, а когда - от наличия повреждений.

Способность управлять пропускной способностью и гибко реагировать на изменение топологии междугородних и городских сетей из-за повреждений присуща современным сетям SDH.

На рис. 4.11 изображен пример построения городской сети. Пользовательская нагрузка собирается с помощью сетей доступа и направляется к узлам кольцевой сети, таким, например, как телефонная станция. Эти узлы (станции) связаны в кольцо первой ступени, работающей на высокой скорости. Для пользователей, которым требуется гарантия надежности, возможно включение в два узла (как это показано на рис. 4.11).

Чтобы обеспечить защиту при повреждении, кольца могут быть связаны с использованием межкольцевых шлюзов между межофисными, городскими и региональными кольцами. Нагрузка передается одновременно вдоль всех колец. Автоматическая защита осуществляется внутри каждого кольца. Кольцо городской сети работает как транзитное между офисными кольцами и региональным кольцом.

SDH-кроссы и узловые сети

SDH-кольцевые сети получили широкое развитие из-за их способности обеспечить постоянное обслуживание даже при наличии повреждений. Однако кольцевые сети весьма трудно модернизируются при росте сети. При росте нагрузки отдельные участки кольца начинают испытывать перегрузку. К сожалению, модернизация одного участка кольца требует модернизации всех МВВ. Такое усовершенствование влечет большие расходы.

Альтернативным методом при увеличении нагрузки является создание параллельных кольцевых сетей. Этот метод совместим с системами передачи WDM, которые обеспечивают создание требуемых параллельных каналов в одиночном оптическом волокне. Однако и в этом случае не избежать больших расходов. Для создания параллельных колец для пропускания дополнительной нагрузки на каждом узле кольцевой сети, которая переносит уплотненный сигнал для каждой длины волны, должен быть предусмотрен отдельный МВВ. Для передачи нагрузки между МВВ на узле нагрузка должна быть выведена, подключена к коммутатору и затем добавлена в МВВ для передачи к пункту назначения.

По указанной выше причине большое внимание уделяется SDH-системам кроссовой коммутации (SDH - Cross Connect Systems). Системы кроссовой коммутации на входе принимают оптические сигналы, комплектуют их в зависимости от портов, в которые они направлены, и комбинируют их в SDH-трибы (OC-n) .

Системы кроссовой коммутации совместно с оптическими линиями образуют узловую сеть, предназначенную для передачи SDH-сигналов ( рис. 4.12).

Узловая сеть имеет преимущества перед кольцевой сетью в случае возрастания нагрузки. В этом случае наращивается только перегруженный сегмент сети. Узловая сеть занимает меньше ресурсов сети для защиты, чем кольцевая, но требует более сложных схем и программ защиты для восстановления сети при повреждениях. Например, показанные на рис. 4.12 штриховые линии представляют собой пути защиты для путей, показанных исходящими из данного узла сплошными линиями.

Оптические транспортные сети

Оптическая транспортная сеть обеспечивает связь между подключенными пользователями, используя разделения по длине волны. Существует множество похожих путей переноса SDH-сигналов с помощью оптического кабеля. Разделение по длине волны - это один из них.

Оптический мультиплексор ввода/вывода (ОМВВ) применяется для WDM-систем.

ОМВВ принимает многоволновой сигнал на входе оптического кабеля, выбирает один или несколько сигналов на заранее согласованных длинах волн и добавляет один или несколько сигналов на заданных длинах волн в многоволновый сигнал, после чего передает его на выход в оптический кабель. Волны, на которых переносится транзитная нагрузка, "проходят насквозь" МВВ. При идеальной обработке сигналов в ОМВВ стараются избежать оптико-электрического преобразования.

ОМВВ может применяться в линейной и кольцевой топологиях. Предполагаемый маршрут с использованием разделения по длине волны может применяться для создания сетей с различными виртуальными топологиями. При этой топологии маршрут порождается между двумя терминалами путем добавления информации источника на назначенной длине волны. Далее он "проходит насквозь" промежуточные ОМВВ узлов, и информация выделяется на терминале узла назначения. На рис. 4.13 показана условная цепь оптических мультиплексоров ввода/вывода, которые соединены одномодовым оптическим кабелем. Каждый оптический кабель содержит группу из четырех волн, в которые вставляется информация, чтобы обеспечить однонаправленную связь.

На рис. 4.13 мы видим, что благодаря такой конфигурации можно установить соединения: от узла к узлам , от узла к узлам и от узла к узлу .

На рис. 4.14показано, как с помощью оптических мультиплексоров ввода/вывода создается конфигурация из трех узлов, эквивалентная топологии "каждый-с­каждым".

В этом примере используется три длины волны, на каждом узле с помощью оптического мультиплексора ввода/вывода выводится информация из двух и на освободившееся место вводится информация от данного узла. Очевидно, что, используя различное распределение информации по длинам волн, можно получить различные логические конфигурации сетей.

Разделение по длинам волн и оптические мультиплексоры ввода/вывода в сети добавляют абстрактный логический уровень между оптическим кабелем и логической топологией, который может учитывать нагрузку, проходящую через сеть.

Физическая топология, содержащая некоторое количество ОМВВ и оптических кабелей, может управлять потоком нагрузки, создавая различные топологии с освобождением загруженных участков.

Оптический коммутатор и кросс

Оптические узловые сети базируются на применении оптических кроссов и оптических коммутационных системах и нашли широкое применение в транспортных сетях.

Цель оптических коммутаторов - доставить многоволновой сигнал от входного порта к выходному без демультиплексирования. рис. 4.15 показывает принцип взаимодействия между оптическим коммутатором и кроссом. Оптический сигнал, который переносится по принципу разделения по длине волны, достигает входа узла. Оптические сигналы, которые предназначены для этого узла, коммутируются к местному кроссу; оптические сигналы, которые проходят только транзитом, коммутируются дальше через узел. Оптические сигналы, которые поступают на вход кросса, демультиплексируются до необходимых компонентов. Сигналы, предназначенные для данного узла, выводятся. После этого генерируются в волновую форму сигналы, которые предназначены для ввода и передачи на другую станцию. Выход оптического кросса передает их на вход мультиплексора и далее на вход оптического коммутатора, коммутирующего его к исходящему оптическому кабелю. Заметим: система кроссовой коммутации должна гарантировать, что сигналы, входящие в мультиплексор, имеют соответствующую длину волны. Для этого могут понадобиться специальные средства (например, лазеры с настройкой).

Оптические сети упрощают сохранение нормальной работы сети при увеличении объема нагрузки. Они позволяют производить коммутацию без демультиплексирования. Стоимость мультиплексирования WDM-сигналов объемом сотни гигабит и обработка их компонентов в электронном виде чрезвычайно высока. С экономической точки зрения WDM-сигнал при транзитах лучше сохранять в оптическом виде. Комбинация магистральной оптической передачи с оптическим коммутатором, который позволяет проключение "насквозь" транзитных сигналов, позволяет свести к минимуму преобразование "оптика-электроника" и обратно.

Краткие итоги

• SDH обеспечивает значительное уменьшение стоимости аппаратуры благодаря установке мультиплексора ввода/вывода - МВВ ( Add Drop Multiplexer - ADM), который может "распаковывать" или замещать информацию в потоке без демультиплексирования потока.
• Транспортные сети с использованием SDH МВВ могут быть линейными или кольцевыми. Мультиплексоры ввода/вывода позволяют создавать виртуальные топологии сетей.
• SDH-стандарты определяют схемы автоматической защитной коммутации - АЗК. Защита осуществляется на уровне линии связи (мультиплексорная секция) или на уровне маршрута.
• Терминальный мультиплексор (ТМ) является мультиплексором и одновременно оконечным устройством SDH-сети.
• SDH-кольца могут выполняться с возможностью самовосстановления (self-hearing - самолечение) при возникновении ошибок или повреждений. Самовосстановление кольца можно обеспечить на уровне линейной секции, а также осуществлять защиту на уровне маршрута.
• При методе однонаправленного коммутируемого кольца (Unidi-rectional Path Switched Ring - UPSR) каждый узел следит за сигналами, приходящими по двум маршрутам, и выбирает лучший из них.
• Метод однонаправленного коммутируемого кольца (Unidirectional Path Switched Ring - UPSR) обеспечивает быструю защиту, но неэффективен в смысле использования пропускной способности каналов, поскольку задействует для одного и того же сигнала два пути.
• Двунаправленное кольцо с защитным переключением линейных сегментов восстанавливает связь, переключая основные и рабочие линии на линии защиты между узлами. Этот тип восстановления назван переключением по участкам (span switching).
• Если двунаправленное кольцо с защитным переключением линейных сегментов использует для передачи участок линии защиты, направленный в другую сторону от поврежденного узла, и информация между узлами проходит несколько участков, удаленных от смежных узлов по резервной линии, то такой способ называется переключением по кольцу.
• Двунаправленное кольцо с защитным переключением линейных сегментов более эффективно, чем однонаправленное кольцо с переключением маршрута, поскольку трафик может быть переключен по самому короткому пути, чтобы не загружать кольцо, которое может в этом случае поддерживать передачу большой нагрузки.
• Кольцевые сети весьма трудно модернизируются при росте сети. Модернизация одного участка кольца требует модернизации всех МВВ. Такое обновление влечет за собой большие расходы.
• SDH-система кроссовой коммутации (SDH - Cross Connect Systems) с оптическими линиями образуют узловую сеть, предназначенную для передачи SDH-сигналов. Узловая сеть имеет преимущества перед кольцевой сетью в случае возрастания нагрузки. В этом случае наращивается только перегруженный сегмент сети.
• ОМВВ принимает многоволновой сигнал на входе оптического кабеля, выбирает один или несколько сигналов на заранее согласованных длинах волн и добавляет один или несколько сигналов на заданных длинах волн в многоволновый сигнал, после чего передает его на выход в оптический кабель. Волны, на которых переносится транзитная нагрузка, "проходят насквозь" МВВ.
• Разделение по длинам волн и оптические мультиплексоры ввода/вывода в сети добавляют абстрактный логический уровень между оптическим кабелем и логической топологией, который может учитывать нагрузку, проходящую через сеть.
• Комбинация магистральной оптической передачи с оптическим коммутатором, который позволяет проключение "насквозь" транзитных сигналов, позволяет свести к минимуму преобразование "оптика-электроника" и обратно.

Задачи и упражнения

1. Рассмотрите группу из 16 узлов в иерархии, содержащей два уровня. Первый — двунаправленный, состоящий из 4 станций. Второй уровень — двунаправленное SDH-кольцо, соединяющее кольца первого уровня. Предположим, что каждый из них генерирует нагрузку STM-3.
   • Рассмотрите необходимую пропускную способность, если 80% нагрузки, генерируемой каждым узлом, предназначено для другой станции в кольце этого уровня.
   • Рассмотрите необходимую пропускную способность, если 80% нагрузки, генерируемой каждым узлом, предназначено для узла другого кольца.
2. Сравните эффективность однонаправленного кольца с переключением маршрута (Unidirectional Path Switched Ring — UPSR) и двунаправленного кольца с защитным переключением линейных сегментов (Bidirectional Line Switched Ring — BLSR) в двух случаях:
   • Вся нагрузка всех узлов в кольце предназначена для данного центрального узла.
   • Исходящая нагрузка каждого узла равномерно распределяется всем другим узлам.
3. Рассмотрите работу с двумя шлюзами двунаправленного кольца, показанного на рис. 4.8, при повреждении линейной секции 3-4.
4. Рассмотрите SDH-кольца с четырьмя станциями. Предположим, что каждая пара станций соединена логической топологией, как это показано на рис. 4.7. Найдите пропускную способность на каждом участке SDH-кольца в следующих трех случаях:
   • Нагрузка между каждой парой станций STM-1.
   • Каждая станция передает 3 (три) STM-1к следующей станции в кольце и не передает нагрузку к другим станциям.
   • Каждая станция передает три STM-1 самой дальней станции по кольцу и не передает другим.
5. Сравните работу терминального мультиплексора, мультиплексора ввода/вывода, коммутатора и цифрового кросса.