Технологии физического уровня (L1)

Архитектура протоколов ядра транспортной сети:
Уровень ядра транспортной сети (CN)‏
Сетевой уровень
Канальный уровень
Подуровень обеспечения QoS/CONS
802.1 p/Q (VLAN), MPLS, PBT,…
Подуровень коммутации
Ethernet-MAC
Подуровень обеспечения надежности
RPR, DPT-SRP, GFP, POS, …
Физический уровень
Подуровень xWDM (D, C, H, …)
Подсистема
обеспечения
динамической
маршрутизации
RIP, OSPF, BGP,…
Подуровень продвижения пакетов
CLNS – IP v4, v6‏
TDM (PDH, SDH)‏
Асинхронные интерфейсы
(Ethernet)‏
ATM
ATM,
FR
Подсистема
Управления
ICMP, IGMP,…
Внешние
приложения

ПЛАН Темы 4
Синхронные технологии уровня L1
Технологии TDM
Плезиохронная иерархия – PDH
Синхронная иерархия
Технология АТМ
Синхронный Ethernet
Асинхронные технологии
Ethernet
Технологии FDM
Технологии WDM

Синхронные технологии уровня L1
Технологии TDM
Плезиохронная иерархия – PDH
Синхронная иерархия
Технология АТМ
Синхронный Ethernet

Технологии TDM.
Плезиохронная иерархия – PDH

Технологии TDM. Плезиохронная иерархия – PDH
Специфицирована ITU-T в рек. G.703, G.704.
Уровни иерархии, скорость передачи - V и количество ОЦК (64-х кбит/с каналов) – N:
В качестве физической среды может использоваться:
Симметричная витая пара (обычно КСПП-1*4)
Коаксиальный кабель
Радиосреда (РРЛС)
Оптический кабель

Технологии TDM. Плезиохронная иерархия – PDH
Электрические характеристики интерфейса Е1 (G.703).

Технологии TDM. Плезиохронная иерархия – PDH
Электрические характеристики интерфейсов PDH (G.703).
Джиттер (G.823)

Технологии TDM. Плезиохронная иерархия – PDH
Недостатки PDH:
Сложный и негибкий ввод/вывод цифровых потоков, что затрудняет ввод / вывод (Add/Drop) потоков на транзитных узлах
Отсутствие средств автоматического сетевого контроля и управления (TMN), что удорожает эксплуатацию PDH
Наличие трех различных иерархий (Европа, США, Япония)
Интерфейсы Е4 практически не используются из-за высоких требований к стабильности задающего генератора
Для ядра МСС у PDH недостаточна скорость передачи
PDH не поддерживает кольцевых топологий, что не позволяет использовать PDH в ядре сети (недостаточна надежность)

Технологии TDM.
Синхронная иерархия – SDH

Технологии TDM. Синхронная иерархия – SDH
Специфицирована ITU-T в рек. G.707…G.709.
Уровни иерархии, скорость передачи - V и количество Е1 (2048 кбит/с потоков) – NЕ1:
В качестве физической среды может использоваться:
Радиосреда (РРЛС)
Оптический кабель

Технологии TDM. Синхронная иерархия – SDH
Достоинства SDH
Высокие скорости передачи
Большая емкость информационных каналов (Payload)
Наличие многих служебных каналов
Поддержка современных интерфейсов – NG SDH (E1/E3, ATM, Ethernet,…)
Поддержка стандартов централизованного управления TMN, что снижает затраты на эксплуатацию
Синхронная передача и мультиплексирование (до 10-12)
Высокий уровень стандартизации
Применяемый в SDH принцип формирования цифровых потоков позволяет осуществлять их ввод/вывод в любом необходимом пункте без преобразований всего массива передаваемой полезной информации (гибкие мультиплексоры)
Надежная защита трафика (кольцевые топологии, 1:1, 1 + 1)
Современная компонентная база

Для систем с коммутацией пакетов обычно определяется так называемая аппаратная пропускная способность сетевых интерфейсов, которая может быть определена:
На уровне L1 – в Мбит/с. Стандартными интерфейсами физического уровня, используемыми в сетях с КП являются:
E1/Т1 – интерфейс (TDM) – 2048/1536 кбит/с
STM-N – интерфейс (TDM) – от 155 Мбит/с до 10 Гбит/с
100-BT (FE), GE (1Гбит/с), 10 GE – асинхронные интерфейсы
На уровне L2 – в количестве кадров, ячеек, или сигнальных единиц в секунду.
При этом аппаратная пропускная способность сетевых интерфейсов в сети с КП за счет использования статистического мультиплексирования может быть гибко распределена между различными приложениями, а пропускная способность для отдельного приложения может изменяться в течение сеанса.
Характеристики Протоколов/Интерфейсов уровня L1

Интерфейсы и протоколы L1
Низкая эффективность использования пропускной способности TDM интерфейсов системами с КК (Кэфф<=25%) заставила искать способы повышения этой эффективности.
Особенно остро низкий Кэфф стал проявляться для высокоскоростных интерфейсов SDH.
В качестве компромиссных решений стали предлагаться варианты совместного использования дорогой пропускной способности в синхронных системах SDH системами КК и КП.
Другими характеристиками протоколов и интерфейсов физического уровня являются:
BER (Р ош, бит)
Т зад (мс, мкс, …), Т распространения

Интерфейсы и протоколы L1
Первым решением (1999г.), направленным на использование качественных, но дорогих интерфейсов SDH в пакетных сетях был стандарт IETF RFC 2615 PPP over SONET/SDH (POS), но его применение было ограничено использованием соединений – точка-точка. Дальнейшим развитием стали стандарты ITU-T 2001г. X.85/Y.1321(IP over SDH using LAPS) и X.86/Y.1323 (Ethernet over LAPS).
Обобщением этих вариантов стал стандарт ITU-T G.7041/Y.1303 (2003г, последние версии – 2011г.) GFP (Generic framing procedure), допускающий использование IP/MPLS, Ethernet, PPP и др. поверх кольцевых топологий SDH-сетей.
Достоинством GFP является не только возможность использования большинства современных пакетных протоколов поверх SDH (см. биты PTI), но и наличие собственной системы управления сетью NG SDH (GFP), предполагающей использование служебных пакетов для обнаружения отказов в кольцевых топологиях, сбоев синхронизации, переключения на резервные пути.

Интерфейсы и протоколы NG SDH
Основное применение SDH с момента ее появления — построение транспортных первичных сетей для передачи потоков Е1 между коммутаторами ТфОП (АТС).
С развитием компьютерных сетей, Интернета, технологий передачи данных (FR, ATM и т.д.) инфраструктуру транспортных сетей на основе SDH все чаще применяют для организации цифровых каналов сетей передачи данных (т.е. строят наложенные вторичные сети ПД поверх SDH).

Интерфейсы и протоколы NG SDH
Недостатки использования «классического» SDH для передачи данных наиболее остро стали проявляться при необходимости предоставления широкополосных услуг связи (локальных сети, сети ТВ):
Во-первых, это необходимость в преобразовании интерфейсов LAN (Ethernet) к интерфейсам SDH (E1, E3, STM-1, STM-4 и т.д.), используя промежуточные устройства, такие, как FRAD, ATM IAD, IP маршрутизаторы и т.д.
Во-вторых, небольшой ряд возможных скоростей передачи данных (который к тому же слабо коррелируется с рядом скоростей LAN: 10, 100, 1000 Мбит/с), значительно ограничивает возможности эффективного предоставления услуг, либо требует применения в подключаемом оборудовании дополнительных схем (например, инверсное мультиплексирование).
Т.о. типичный результат при добавлении служб данных к традиционным SDH сетям — увеличение сложности оборудования и повышение стоимости.

Интерфейсы и протоколы NG SDH
Для преодоления этих ограничений, производители SDH оборудования пошли по пути создания систем SDH следующего поколения (Next Generation SDH, NG SDH).
Оборудование NG SDH имеет интегрированные интерфейсы передачи данных (в частности, Ethernet), а также использует новые технологии, которые позволяют более эффективно выделять требуемую полосу для служб данных и обеспечивать низкую стоимость внедрения этих технологий в уже существующие сети, так как поддержка дополнительной функциональности требуется только на граничных узлах сети.
Системы NG SDH – это многофункцональные мультисервисные платформы, предоставляющие множество услуг без дороговизны и сложности наложенных сетей.

Интерфейсы и протоколы NG SDH

Интерфейсы и протоколы NG SDH – GFP
Динамическое использование полосы пропускания систем передачи SDH, позволяет значительно повысить эффективность использования ресурсов NG SDH

Компоненты NG SDH
Принято считать, что система SDH относится к новому поколению NG, если она включает поддержку следующих компонент: NG SDH = GFP + VCAT + LCAS
GFP (General Framing Procedure) – Общая процедура разбиения на кадры, обеспечивает адаптацию асинхронного трафика данных на основе кадров переменной длины к байт ориентированному трафику SDH с минимальными задержками и избыточностью заголовков (ITU-T G.7041)
VCAT (Virtual Concatenation) – Виртуальная конкатенация, обеспечивает возможность объединения на логическом уровне нескольких контейнеров VC-12, VC-3 или VC-4 в один канал передачи данных (ITU-T G.707, G.783)
LCAS (Link Capacity Adjustment Scheme) - Схема регулировки емкости канала – позволяет реализовать любые изменения пропускной способности без прекращения передачи данных (ITU-T G.7042)
Рассмотрим их более подробно.

Архитектура протоколов NG-SDH
NG SDH = GFP + VCAT + LCAS + SDH

Компоненты NG SDH. GFP
GFP был создан для замены HDLC подобных методов инкапсуляции данных поверх SDH (PoS, LAPS, EoS,…) и одновременно уменьшения стоимости и сложности реализации метода в оборудовании.
Метод GFP поддерживает инкапсуляцию таких служб как 10/100/1000 Мбит/с Ethernet, IP, PPP, протоколы сетей хранения данных FiberChannel (FC), …, а в будущем предполагается поддержка цифровых широковещательных видеосигналов DVB.
GFP адаптирует поток данных на основе кадров переменой длины к байт-ориентированному потоку данных сети SDH, отображая различные службы в кадр общего назначения, который затем отображается в кадры SDH. Эта кадровая структура лучше определяет и исправляет ошибки и обеспечивает большую эффективность использования полосы, чем традиционные методы инкапсуляции.

Компоненты NG SDH. Формат кадра GFP
GFP кадр содержит следующие составляющие:
основной (корневой) заголовок (GFP Header),
заголовок полезной нагрузки (Payload Header),
область полезной нагрузки (Payload Area),
необязательное поле контроля ошибок полезной нагрузки FCS.
PLI – Payload Length identifier (длина кадра GFP)
cHEC – Core Header Error Check field

Компоненты NG SDH. Формат кадра GFP
Основной заголовок содержит поле длины GFP кадра (PLI) и поле cHEC (core Header Error Control) для определения и коррекции ошибок в заголовке.
cHEC используется также совместно с PLI для нахождения начала кадров (кадровая снхронизация).
Эта процедура использует те же принципы, что и в технологии ATM для синхронизации к потоку ячеек.
На данный момент применяются два типа адаптации клиентского сигнала к кадрам GFP_SDH:
GFP-Framed (GFP-F)
GFP-Transparent (GFP-T).

Компоненты NG SDH. Формат кадра GFP
Метод GFP-F ориентирован на инкапсуляцию в один кадр GFP одного кадра клиентского сигнала (PDU) и имеет следующие особенности:
PDU буферизуется перед инкапсуляцией (т.к. имеет переменную длину);
PDU могут отображаться к различным скоростям передачи (в т.ч. и переменным при использовании VCAT/LCAS);
Работает на уровне 2 (Layer 2), т.е. использует байтовую последовательность PDU, извлеченную из физического уровня;
Заголовок полезной нагрузки (Payload Header) содержит информацию об инкапсулируемом протоколе;
Хорошо подходит для трафика данных (Ethernet, IP), однако задержки могут быть неприемлемы для протоколов сетей хранения данных (SAN).

Компоненты NG SDH. Формат кадра GFP
Метод GFP-T ориентирован на сигналы, использующие кодирование 8B/10B (Gigabit Ethernet, протоколы SAN).
Схема кодирования 8B/10B отображает 256 возможных значений байт данных в 1024 возможных значений 10 битовых кодовых символов таким образом, что обеспечивается сбалансированность в линии последовательностей нулей и единиц, необходимая для корректной синхронизации и приема данных.
Код 8B/10B имеет 25% избыточность.
Основные особенности GFP-T:
Работает на уровне L1, т.е. использует кодовые символы линейного кода исходного сигнала;
Кадр GFP не содержит информации об инкапсулируемом протоколе;
Скорости передачи фиксированы и определены клиентским протоколом.

Компоненты NG SDH. Формат кадра GFP
Сравнение GFP-F и GFP-T

Компоненты NG SDH. Формат кадра GFP
Формат поля заголовка полезной нагрузки (Payload Header):
PTI – Payload type identifier tHEC – Type HEC
PFI – Payload FCS indicator
EXI – Extension header identifier
UPI – User payload identifier

Формат кадра GFP
Поле PTI - Идентификатор Типа нагрузки – старшие 3 бита поля Type
000 User data
100 Client management
101 Management communications
Others Reserved
Поле PFI - Идентификатор FCS – часть поля Type
0 – поля FCS нет
1 – поле FCS есть
Поле EXI - Идентификатор заголовка расширения
0000 Null extension header
0001 Linear frame
0010 Ring frame
Others Reserved

Формат кадра GFP
Поле UPI - младшие 8 бит поля Type (PTI=000 и 101)
0000 0001 Ethernet
0000 0010 PPP
0000 0011 Transparent fibre channel
0000 0100 Transparent FICON
0000 0101 Transparent ESCON
0000 0110 Transparent Gbit Ethernet (GE)
0000 0111 Reserved for future use
0000 1001 Transparent DVB
0000 1010 IEEE 802.17 resilient packet ring (RPR)
0000 1101 MPLS
0000 1111 OSI network layer protocols (IS-IS, ES-IS, CLNP)
0001 0000 IPv4
0001 0001 IPv6
0001 0010 DVB

Основные преимущества GFP
Стандартизация. Обеспечивает глобальную совместимость и приводит к низкой стоимости компонент.
Масштабируемость. GFP на сегодняшний день поддерживает службы данных на скоростях от 10 Мбит/с до 10 Гбит/с.
Широкая применимость. GFP может быть использован для передачи широкого спектра сигналов поверх SDH, получил одобрение рабочей группы IEEE 802.17 RPR и IETF, также подходит для применения в будущих сетях, основанных на OTN архитектуре
Простота. GFP имеет более простую технику инкапсуляции чем HDLC с механизмом разграничения кадров, проверенном на ATM и не требующем интенсивной обработки, что в результате делает программно-аппаратную реализацию GFP проще и дешевле.
QoS. Невысокий уровень задержек для GFP-F и минимальный для GFP-T позволяет поддерживать приложения, требовательные к качеству обслуживания.
Хотя GFP имеет множество присущих ему преимуществ, тем не менее для поддержки передачи служб данных по сети SDH из конца в конец нужны технологии которые выделяют в сети необходимую полосу и обеспечивают возможность ее динамической настройки.
Этим требованиям удовлетворяют VCAT и LCAS.

Компоненты NG SDH. VCAT
Традиционный метод конкатенции определен для VC-4 в стандарте ITU-T G.707 термином «смежная».
Это означает, что соседние контейнеры комбинируются и транспортируются через SDH сеть как один контейнер.
Ограничения смежной конкатенции включают:
необходимость того, чтобы все сетевые узлы через которые проходит тракт передачи были способны распознать и обработать связанные (объединенные) контейнеры;
недостаточная степень детализации (гранулированности) полосы, которое делает транспортировку многих типов данных неэффективной.

Компоненты NG SDH. VCAT
Виртуальная конкатенация (объединение) VCAT, определенная ITU-T, устраняет ограничения смежного метода.
Виртуальная конкатенация логически связывает индивидуальные контейнеры в одно соединение. Любое количество контейнеров любого типа (VC-12 , VC-3 или VC-4) может быть сгруппировано вместе, образуя логический канал.
Это обеспечивает лучшую степень детализации полосы, чем достигается использованием традиционной техники и дает возможность гибкого выделения полосы для трафика данных с высокой степенью гранулированности, позволяя эффективно использовать пропускную способность SDH.

Компоненты NG SDH. VCAT
В традиционной сети SDH степень детализации полосы определяется транспортной емкостью контейнеров VC-12, VC-3, VC-4 и смежных групп, например, VC-4-4c — четыре смежных VC-4.
Так, например, транспортировка 1 Gigabit Ethernet в традиционной сети требует выделения VC-4-16c (шестнадцать смежных VC-4), эффективность использования канала в этом случае составляет 42%.
С другой стороны группа логически объединенных контейнеров VCG (Virtual Concatenated Group) VC-4-7v, где VC-4 обозначает тип контейнера на основе которого создается группа, а 7v — количество членов в группе, обеспечивает приблизительно 85% эффективность (см. Таблицу).

Компоненты NG SDH. VCAT
Сравнение NG-SDH без VCAT и с VCAT

Компоненты NG SDH. LCAS
Один из последних разработанных стандартов для NG SDH- протокол LCAS (Link Capacity Adjustment Scheme - Схема регулировки емкости канала), который выполняется между двумя сетевыми элементами (NE), соединяющими пользовательские интерфейсы в сети SDH.
Каждый байт H4/K4 заголовка POH/STM передает управляющий пакет, состоящий из информации об виртуальной конкатенации и протоколе LCAS.
На основании данных управляющего пакета, протокол LCAS определяет какой из членов VCG активизирован и как они используются и позволяет исходящему оборудованию динамически изменять количество контейнеров в группе конкатенации в ответ на производимые в реальном времени запросы по изменению полосы.

Компоненты NG SDH. LCAS
Эти увеличения или уменьшения полосы выполняются без какого-либо негативного воздействия на услуги.
Например, компания, которая использует канал 50 Мбит/с между подразделениями в течение рабочего дня может нуждаться в большей полосе для выполнения операций резервного копирования во внерабочее время.
LCAS позволяет автоматически добавить необходимую полосу без прерывания связи.
Данный метод позволяет обеспечить альтернативную схему защиты в сети SDH: связанные VCAT контейнеры проходят разными сетевыми маршрутами и в случае отказа на одном из маршрутов механизмы LCAS оставляют в соединении незатронутые отказом виртуальные контейнеры, тем самым сохраняя работоспособность соединения, хотя и с меньшей пропускной способностью. После устранения отказа соединение восстанавливается к исходному состоянию.

NG SDH – Размещение Ethernet/GFP/ в STM-1

Выбор топологии физического уровня в ядре сети (CN)
Для сетей ОП важно обеспечить надежность на уровне:
Кгот>=99,999 (около 5 минут простоя в год)
Время восстановления после отказа =< 50мс
На данном этапе такую надежность обеспечивают кольцевые (Ring) и ячеистые (Mesh) топологии физического уровня или подуровня RPR/DPT/GFP
Для ядра корпоративных сетей подходят топологии физического уровня:
Кольцо
Звезда
Дерево (иерархическая топология)
Необходимо предпринимать меры, предотвращающие образование петель на физическом или логическом уровнях (TTL, STP,…)

*
Костюкович Анатолий
СПАСИБО за ВНИМАНИЕ
FIN

(1)Payload
(2)Payload Header
(3)Optional Payload FCS
(4)PLI value
(5)cHEC computation
Формат кадров GFP

Заголовок RPR