Здравствуйте, коллеги.
В новом выпуске обсуждаем
1) SDH/PDH (Synchronous Digital Hierarchy/Plesiochronous Digital Hierarchy)
2) Системы спектрального уплотнения каналов в оптических сетях
3) Технологии резервирования в сети Ethernet. Альтернативы STP — ERPS, RRPP.
Невошедшие в подкаст темы, которые нам показались интересными, мы вынесли в Овертайм.
SDH/PDH
Я уверен, что каждый инженер телекоммуникаций знает или хотя бы слышал такое название как поток Е1. А самые продвинутые даже слышали о теореме Котельникова, частоте дискретизации и ИКМ. История развития сетей PDH ( Plesiochronous Digital Hierarchy) началось с того, что к середине 70-х стало понятно, что дальнейшее частотное уплотнение невозможно в одном физическом канале связи, оно ограничивается ПП кабеля, увеличением затухания, сложностью фильтров и усилителей, поэтому и начался переход к ЦСС.
В начале 80-х годов было разработано 3 таких системы (в Европе, Северной Америке и Японии). Несмотря на одинаковые принципы, в системах использовались различные коэффициенты мультиплексирования на разных уровнях иерархий. Описание стыков этих интерфейсов и уровней мультиплексирования дано в рекомендации G.703.
Суть технологии довольно проста – поток Е1 состоит из 32 ОЦК, каждый из которых имеет скорость 64 кбит/с, 2 из них – служебные, в которых передаются сигнализация, синхронизация. Объединение происходит за счет мультиплексора PDH (типичный мультиплексор НАТЕКС, Raisecom и прочие). Не вдаваясь в подробности, выглядит это так — приходящие биты в потоках сжимаются в число раз, кратное уровню потока на выходе и вставляются на определенные позиции, затем добавляется служебная информация более высокого потока.
При мультиплексировании нескольких пользовательских потоков в мультиплексорах PDH применяется техника, называемая бит-стаффингом. К этой технике прибегают, когда скорость пользовательского потока оказывается несколько меньше, чем скорость объединенного потока — подобные проблемы могут возникать в сети, состоящей из большого количества мультиплексоров, несмотря на все усилия по централизованной синхронизации узлов сети (в природе нет ничего идеального, в том числе идеально синхронных узлов сети). В результате мультиплексор PDH периодически сталкивается с ситуацией, когда ему «не хватает» бита для представления в объединенном потоке того или иного пользовательского потока. В этом случае мультиплексор просто вставляет в объединенный поток бит-вставку и отмечает этот факт в служебных битах объединенного кадра. При демультиплексировании объединенного потока бит-вставка удаляется из пользовательского потока, который возвращается в исходное состояние. Техника бит-стаффинга применяется как в международной, так и в американской версиях PDH.
Физический уровень технологии PDH поддерживает различные виды кабелей: витую пару, коаксиальный кабель, волоконно-оптический кабель. Основным вариантом абонентского доступа к каналам Т-1/Е-1 является кабель из двух витых пар с разъемами RJ-48.
Две пары требуются для организации дуплексного режима передачи данных со скоростью 1,544/2,048 Мбит/с. Для представления сигналов используются:
в каналах Т-1 — биполярный потенциальный код B8ZS;
в каналах Е-1 — биполярный потенциальный код HDB3.
Такая технология имеет ряд существенных недостатков:
Одним из основных недостатков является сложность операций мультиплексирования и демультиплексирования пользовательских данных.Сам термин «плезиохронный», используемый для этой технологии, говорит о причине такого явления — отсутствии полной синхронности потоков данных при объединении низкоскоростных каналов в более высокоскоростные. Изначально асинхронный подход к передаче кадров породил вставку бита или нескольких бит синхронизации между кадрами. В результате для извлечения пользовательских данных из объединенного канала необходимо полностью демультиплексировать кадры этого объединенного канала. Например, если требуется получить данные одного абонентского канала 64 Кбит/с из кадров канала ТЗ, необходимо произвести демультиплексирование этих кадров до уровня кадров Т2, затем — до уровня кадров Т1, а затем демультиплексировать и сами кадры Т1.
Другим существенным недостатком технологии PDH является отсутствие развитых встроенных процедур контроля и управления сетью. Служебные биты дают мало информации о состоянии канала, не позволяют его конфигурировать и т. п.
Третий недостаток состоит в слишком низких по современным понятиям скоростях иерархии PDH. Волоконно-оптические кабели позволяют передавать данные со скоростями в несколько гигабит в секунду по одному волокну, что обеспечивает консолидацию в одном кабеле десятков тысяч пользовательских каналов, но это свойство технология PDH не реализует — ее иерархия скоростей заканчивается уровнем 139 Мбит/с.
Поэтому следующим этапом развития стали сети SDH – полностью синхронные сети.
Система SDH (Synchronous Digital Hierarchy) обеспечивает стандартные уровни информационных структур, то есть набор стандартных скоростей. Базовый уровень скорости — STM-1 155,52 Mбит/с. Цифровые скорости более высоких уровней определяются умножением скорости потока STM-1, соответственно, на 4, 16, 64 и т. д.: 622 Мбит/с (STM-4), 2,5 Гбит/с (STM-16), 10 Гбит/с (STM-64) и 40 Гбит/с (STM-256).
Вся информация в системе SDH передается в контейнерах. Контейнер представляет собой структурированные данные, передаваемые в системе. Если система PDH генерирует трафик, который нужно передать по системе SDH, то данные PDH сначала структурируются в контейнеры, а затем к контейнеру добавляется заголовок и указатели, в результате образуется синхронный транспортный модуль STM-1. По сети контейнеры STM-1 передаются в системе SDH разных уровней (STM-n), но во всех случаях раз сформированный STM-1 может только складываться с другим транспортным модулем, т.е. имеет место мультиплексирование транспортных модулей.
Еще одно важное понятие, непосредственно связанное с общим пониманием технологии SDH — это понятие виртуального контейнера VC.В результате добавления к контейнеру трактового(маршрутного) заголовка получается виртуальный контейнер. Виртуальные контейнеры находятся в идеологической и технологической связи с контейнерами, так что контейнеру C-12 соответствует виртуальный контейнер VC-12 (передача потока E1), C-3 — VC-3 (передача потока E3), C-4 — контейнер VC-4 (передача потока STM-1).
Поскольку низкоскоростные сигналы PDH мультиплексируются в структуру фрейма высокоскоростных сигналов SDH посредством метода побайтового мультиплексирования, их расположение во фрейме высокоскоростного сигнала фиксировано и определено или, скажем, предсказуемо. Поэтому низкоскоростной сигнал SDH, например 155 Мбит/с (STM-1) может быть напрямую добавлен или выделен из высокоскоростного сигнала, например 2.5 Гбит/с (STM-16). Это упрощает процесс мультиплексирования и демультиплексирования сигнала и делает SDH иерархию особенно подходящей для высокоскоростных волоконно-оптических систем передачи, обладающих большой производительностью.
Поскольку принят метод синхронного мультиплексирования и гибкого отображения структуры, низкоскоростные сигналы PDH (например, 2Мбит/с) также могут быть мультиплексированы в сигнал SDH (STM-N). Их расположение во фрейме STM-N также предсказуемо. Поэтому низкоскоростной трибутарный сигнал (вплоть до сигнала DS-0, то есть одного тайм-слота PDH, 64 kbps) может быть напрямую добавлен или извлечен из сигнала STM-N. Заметьте, что это не одно и то же с вышеописанным процессом добавления/выделения низкоскоростного сигнала SDH в/из высокоскоростного сигнала SDH. Здесь это относится к прямому добавлению/выделению низкоскоростного трибутарного сигнала такого как 2Мбит/с, 34Мбит/с и 140Мбит/с в/из сигнала SDH. Это устраняет необходимость использования большого количества оборудования мультиплексирования / демультиплексирования (взаимосвязанного), повышает надежность и уменьшает вероятность ухудшения качества сигнала, снижает стоимость, потребление мощности и сложность оборудования. Добавление/выделение услуг в дальнейшем упрощается.
Оптические сети и системы спектрального уплотнения каналов
Спектральное уплотнение каналов (англ. Wavelength-division multiplexing, WDM, буквально мультиплексирование с разделением по длине волны) — технология, позволяющая одновременно передавать несколько информационных каналов по одному оптическому волокну на разных несущих частотах.
Технология WDM позволяет существенно увеличить пропускную способность канала (к 2003 году достигнута скорость 10,72 Тбит/с, а к 2012 — 20 Тбит/с), причем она позволяет использовать уже проложенные волоконно-оптические линии. Благодаря WDM удается организовать двустороннюю многоканальную передачу трафика по одному волокну. Преимуществом DWDM-систем является возможность передачи высокоскоростного сигнала на сверхдальние расстояния без использования промежуточных пунктов (без регенерации сигнала и промежуточных усилителей)
В простейшем случае каждый лазерный передатчик генерирует сигнал на определенной частоте из частотного плана. Все эти сигналы перед тем, как вводятся в оптическое волокно, объединяются мультиплексором (MUX). На приемном конце сигналы аналогично разделяются демультиплексором (DEMUX). Здесь, так же как и в SDH сетях, мультиплексор является ключевым элементом. Сигналы приходят на длинах волн оборудования клиента, а передача происходит на длинах соответствующих частотному плану ITU DWDM.
Исторически первыми возникли двухволновые WDM-системы, работающие на центральных длинах волн из второго и третьего окон прозрачности кварцевого волокна (1310 и 1550 нм). Главным достоинством таких систем является то, что из-за большого спектрального разноса полностью отсутствует влияние каналов друг на друга. Этот способ позволяет либо удвоить скорость передачи по одному оптическому волокну, либо организовать дуплексную связь.
Современные WDM-системы на основе стандартного частотного плана (ITU-T Rec. G.692) можно подразделить на три группы:
Грубые WDM (Coarse WDM — CWDM) — системы с частотным разносом каналов не менее 200 ГГц, позволяющие мультиплексировать не более 18 каналов.
(Используемые в настоящее время CWDM работают в полосе от 1270нм до 1610нм, промежуток между каналами 20нм (200Ghz), можно мультиплексировать 16 спектральных каналов)
плотные WDM (Dense WDM — DWDM) — системы с разносом каналов не менее 100 ГГц, позволяющие мультиплексировать не более 40 каналов.
высокоплотные WDM (High Dense WDM — HDWDM) — системы с разносом каналов 50 ГГц и менее, позволяющие мультиплексировать не менее 64 каналов.
Частотный план для CWDM-систем определяется стандартом ITU G.694.2. Область применения технологии CWDM — городские сети с расстоянием до 50 км. Достоинством этого вида WDM систем является низкая (по сравнению с остальными типами) стоимость оборудования вследствие меньших требований к компонентам.
Частотный план для DWDM-систем определяется стандартом ITU G.694.1. Область применения — магистральные сети. Этот вид WDM-систем предъявляет более высокие требования к компонентам, чем CWDM (ширина спектра источника излучения, температурная стабилизация источника и т. д.). Толчок к бурному развитию DWDM сетей дало появление недорогих и эффективных волоконных эрбиевых усилителей (EDFA), работающих в промежутке от 1525 до 1565 нм (третье окно прозрачности кварцевого волокна).
Технологии резревирования в сетях Ethernet
Мы уже выяснили, что SDH изначально спроектирован под использоваие в кольцевых топологиях и уже в себе несёт защиту от петель — APS. А вот в Ethernet эта проблема и вопрос широковещательнго шторма стоят во весь рост.
Борьба началась в 1985 с изобретением STP. Потом RSTP, в начале 2000-х увидел свет MSTP. У всех у них одни и те же проблемы.
Во-первых, время сходимости, даже у модификаций — это может быть несколько секунд. Для голоса и потокового видео этого уже достаточно ощутимо.
Во-вторых, безопасность. STP не имеет аутентификации и подвержен атакам. И кроме того, один Topology Сhange пакет может положить всю сеть.
В-третьих путь между двумя рядом стоящими коммутаторам, может лежать через корневой, то есть будет неоптимальным.
Потом он практически не подходит для крупных сетей.
На смену STP приходит новый стандарт 802.1aq. По-человечески это SPB — Shortest Path Bridging.
Он быстрее сходится, позволяет утилизировать все линки, в отличии от STP. Работает в связке с протоколами MMRP (Multi Mac Registration Protocol) и ISIS. В 2012 году этот стандарт официально утвердила IEEE.
Он полностью совместим с семейством STP.
Ещё одна альтернатива — TRILL — Transparent Interconnection of Lots of Links. Использует понятие маршрутизирующих Мостов. Что-то вроде Link-State протокола маршрутизации, но только для коммутации.
Хотя, это для Layer 2 сетей очень крупного масштаба, для ЦОДов.
Следующее, что приходит на ум — MLAG или MC-LAG Multi-Chassis Link Aggregation Group. То есть это модификация обычной аггрегации портов, когда у вас линки начинаются на одном устройстве, а заканчиваются на разных. То есть не только резервирование линка, как в обычном LAG, но и резервирование устройства. Проблема с ним в том, что нет универсальных стандартов и тут кто на что горазд. Скрестить двух вендоров — не получится.
Но все эти реально интересные темы я предлагаю обсудить в следующих выпусках. А сегодня давайте сконцентрируемся на другой теме — кольцевые топологии в сетях Ethernet.
SDH изначально разработан на работу в кольце и резервирование. Ну как не появиться желанию реализовать такое и в обычном Ethernet? И появилось и сделали — ERPS — Ethernet Ring Protection Switching.
Работает это только на кольцах. Никаких фул-меш или парт-меш не поддерживается.
Насколько мне известно его реализация есть и у циски и у Джунипер и у других вендоров. Но, поскольку я работаю в Huawei, то могу подробно рассказать про наш проприетарный протокол RRPP, который суть то же самое. Расшифровывается это как Rapid Ring Protection Protocol.
Два основных его преимущества в том, что время сходимости меньше 50 мс. Почти на 2 порядка меньше, чем у STP, а потом он поддерживает большие L2-сети. То есть если у STP в кольце может быть что-то около 14 устройств, то RRPP и вместе с ним ERPS этим не ограничены.
Принцип работы.
Возьмём в пример сеть масштабов города. В нём раскиданы по внутреннему периметру 25 коммутаторов агрегации. Идеальной была бы схема звезда с точки зрения стабильности, но, это очень не рационально, логичнее — кольцо. Тем самым мы получаем защиту от падения линка и выхода из строя одного устройства.
Из этих 25 свичей выбирается один главный — мастер. Этот коммутатор становится ответственным за целостность кольца и отсутствие петли.
У каждого коммутатора есть два порта, один восточный, другой западный, соответственно порты разных коммутаторов должны смотреть друг на друга восточным на западный.
У Мастера точно также и один из них он выбирает активным, а второй блокирует. Получается просто такая цепочка из 25 коммутаторов. И фрейм с 25-го, чтобы попасть наверх, должен будет пройти через 24, 23, 22 и тд, то есть через всю цепочку.
Регулярно мастером отсылаются Hello-сообщения. Если заблокированным портом не получен такой пакет в течение Fail_таймера или получена информация о падении линка, RRPP разблокирует его.
У одного такого большого кольца, могут быть лепестки — подчинённые кольца. То есть, если, например, два коммутатора обслуживают какой-то район, то лепесток начинается на одном из них и заканчивается на другом. Внутри него действуют те же самые законы резервирования. Вот и получается такая ромашка.
И при этом, с реальными применения ERPS я не сталкивался. В то же время RRPP вполне используется в сетях операторов на тех участках, где всё оборудование Huawei.
* Приносим извинения за опечатку в слайдшоу
Автор: eucariot
