Синхронные цифровые иерархии

Лекция № 3

Тема: Технологии высокоскоростных сетей

Групповые тракты высокого порядка. Плезиохронная цифровая иерархия

Рассмотренная в предыдущих разделах система образования цифровых каналов ИКМ-30 породила целую иерархию цифровых систем с большим числом каналов: 120 (ИКМ-120), 480 (ИКМ-480), 1920 (ИКМ-1920) и 7680 (ИКМ-7680). Им соответствуют обозначения El, E2,

ЕЗ, Е4, Е5.

Эта система скоростей характерна для Европы и Южной Америки. Для США и Канады принята другая иерархия, обозначаемая DS1, DS2, DS3, DS4. В Японии используют еще одну, третью иерархию.

Таблица 1.1. Иерархия скоростей для многоканальных систем

Уровень цифровой иерархии	Скорость передачи в соответствии с различными системами цифровой иерархии
АС 15454 кбит/c		ЯС 1544 кбит/с		ЕС 2048 кбит/с
Скорость	Коэффи­циент мультиплек­сирования	Число каналов	Скорость	Коэффи­циент мультиплек­сирования	Число каналов	Скорость	Коэффи­циент мультиплек­сирования	Число каналов
Примечания: АС —(уровни иерархии DJ0-DJ4); ЕС -	американская система (уровни иерархии DS0-DC4); ЯС — японская система — европейская система (уровни иерархии Е0-Е5).

В терминологии, принятой в технике телекоммуникаций:

0-й уровень — основной цифровой канал (ОЦК);

1-й уровень — первичный цифровой канал (ПЦК);

2-й уровень — вторичный цифровой канал (ВЦК);

3-й уровень — третичный цифровой канал (ТЦК);

4-й уровень — четвертичный цифровой канал (ЧЦК).

В международных системах появилась необходимость согласовывать информацию, пе­редаваемую в различных системах. Это обеспечивается с помощью добавления/изъятия вы­равнивающих битов. Если процедура согласования осуществляется от системы с относи­тельно меньшей скоростью к системе с большей скоростью, то в информацию добавляются по определенному закону выравнивающие биты. Они могут использоваться для передачи служебных сигналов. Обратный переход более сложен и приводит к уменьшению числа ис­пользуемых каналов в системе с большей скоростью.

После того, как цифровые системы начали интенсивно развиваться на магистральных направлениях, они стали применяться и на межстанционных линиях для отдельных при­кладных целей в станциях учреждений, а также для передачи данных. В процессе использо­вания выявился их основной недостаток. Он заключается в том, что для организации, пред­ставляющей в пользование цифровые каналы, наиболее выгодны системы с большим чис­лом каналов. Для потребителей, арендующих эти каналы, как правило, требуется лишь сравнительно небольшое их число.

К примеру, в крайнем случае, из системы уровня 4 (139264 кбит/с, для краткости далее все значения скоростей округляются) необходимо предоставить канал первого уровня. Для этого надо пройти 3 ступени демультиплексирования. Для обратной передачи информации необходимо также пройти три ступени мультиплексирования.

Рис. 1 Ввод/вывод потока пользователя 2 Мбит/с в поток 140 Мбит/с в PDH

На рис. 1. показано, как информация, содержащаяся в потоке 140 Мбит/с, доводится до потребителя, использующего тракт из 30 каналов (скорость 2 Мбит/с). Каждая из ступе­ней требует установки мультиплексоров/демультиплексоров, что делает такую систему эко­номически невыгодной. При каждом преобразовании требуется удаление/установка вырав­нивающих битов.

Синхронные цифровые иерархии

Для устранения указанного недостатка была предложена система, состоящая из отдельных транспортных модулей, которая подробно рассмотрена в [76]. Основной особенностью этой системы является регулярная иерархия. При передаче информация размещается в виде бло­ков данных определенной структуры (информационных единиц). При этом единицы верх­него уровня строятся из единиц нижнего уровня. Они упаковываются таким образом, чтобы информацию можно было легко ввести и вывести. Эту структуру представляют как вирту­альный контейнер, который имеет стандартные размеры и сопровождающий заголовок. В за­головок вносятся данные о полезной нагрузке, а также данные по управлению и маршрутиза­ции полезной нагрузки. Это сведения о контейнерах нижнего уровня, которые, в свою очередь, также имеют заголовок и строятся по принципу предыдущего уровня. Такой принцип по­строения называется принципом последовательных вложений — инкапсуляции.

В основу построения системы синхронной цифровой иерархии (СЦИ, английская аббре­виатура SDH — Synchronous Digital Hierarchy) положены базовые сигнальные единицы, на ко­торых строятся системы Американской и Европейской иерархий: 1,5; 2; 6; 8; 34; 45; 140 Мбит/с. Эти единицы получили название трибов [76]. Например, триб Е1 = 2 Мбит/с содержит кадр из 32 каналов, рассмотренный в предыдущих разделах.

В соответствии с уровнями иерархии имеются 4 уровня контейнеров. Каждый контей­нер содержит ярлык, содержащий управляющую информацию. Виртуальные контейнеры объединяются в группы верхнего уровня, где сопровождаются указателем, который отме­чает начало контейнера. Это дает возможность уменьшить влияние случайных временных сдвигов, которые могут смещать начало и приводить к искажениям.

Если емкость контейнера мала для передаваемой информации, система позволяет со­единить контейнеры, т.е. предоставляет возможность сцепления (конкатенации). Состав­ной контейнер отличается от основного индексом и рассматривается как другой контей­нер большей емкости.

Для передачи управляющей информации отводится отдельное поле заголовков величи­ной 81 байт. Структура синхронного транспортного модуля (СТМ или STM) приведена на рис. 2

Рис. 2 Структура синхронного транспортного контейнера STM-1

Синхронный транспортный контейнер (Synchronous Transport Module — STM) первого уровня изображается в виде матрицы, содержащей 270 октетов в строке и 9 строк. Следова­тельно, он содержит 9x270x8 = 19440 битов.

Принятая скорость передачи — 8000 контейнеров в секунду. Соответствующая каналь­ная скорость должна быть равна 19440x8000 = 155,52 Мбит/с.

В состав модуля входят служебные поля (блок 9x9 = 81 байт) и часть, несущая полез­ную нагрузку (261x9 = 2349 байтов). Поле служебной нагрузки или заголовок (ОН — OverHead) содержит информацию, касающуюся функций контроля, эксплуатации и тех­нического обслуживания и называется секционной нагрузкой или секционным заголовком (SOH — Section ОН). При этом служебная информация разделяется на две части: это 3 строки по 9 байтов для передачи информации внутри регенераторных секций (RSOH — транзитные участки) и 5 строк по 9 байтов для передачи информации мультиплексорами (MSOH — оконечное оборудование), где формируются и расформировываются синхрон­ные транспортные пакеты. В приведенном выше контейнере должна размещаться перено­симая информация, для чего составлена иерархия модулей нижнего уровня, которые мо­гут размещаться в контейнере.

Первичные потоки плезиохронной цифровой иерархии PDH упаковываются в первич­ные контейнеры С-п (С— Container). Имеются следующие типы контейнеров:

С-1 имеет два подтипа. Это контейнер С-11, который переносит поток системы Т1 со скоростью 1,54 Мбит/с, и контейнер С-12 для переноса потока Е1 со скоростью 2,048 Мбит/с. При первом потоке за период 125 мкс поступит 24 байта, а во втором случае — 32 байта. Для обеспечения переноса единиц информации других иерархий применяются контейнеры другого объема;

С-2, имеющий модификации С-21 для переноса информационных единиц потока Т2-=6,312 Мбит/с и С-22 для переноса сигнальной информации для потока 8,448 Мбит/с;

С-3, имеющий модификации С-31 для переноса информации со скоростью 34,368 Мбит/с и С-32 для переноса информации со скоростью 44,736 Мбит/с.

С-4 — для переноса информации со скоростью 139,264 Мбит/с.

Порядок формирования из этих контейнеров модуля показан на рис. 1.71, где кроме уже рассмотренных приведены следующие блоки:

TUG-n (Tributary Unit Group) — группа трибных блоков, формируемых путем мульти­плексирования трибных блоков нижнего уровня (п = 2, 3);

AU-4 (Administrative Unit) — административный блок 4-го уровня;

AUG (Administrative Unit Group) — группа административных блоков.

Рис. 3. Схема мультиплексирования PDH трибов в технологии SDH (редакция ETSI 1992 г.)

Существует, как видно из рис. 3, только один путь формирования модуля STM-1 из информационной единицы потока Е1. Это путь Е1 -С-12- VC-12-TU-12-TUG-2-- TUG-3 - VC-4 - AU-4 - AUG - STM-N.

Кроме показанной схемы формирования модуля, существуют рекомендации американ­ской схемы мультиплексирования, которые в данной работе рассматриваться не будут.

Для переноса первичные контейнеры снабжаются служебными заголовками. Они содер­жат информацию, необходимую для маршрутизации контейнера, а также текущую инфор­мацию, собираемую по мере прохождения контейнера через сеть. Таким образом, формиру­ются виртуальные контейнеры — VC. Они также имеют модификации: VC-1 - V-11, V-12; VC-2 - V-21, V-22; VC-3 - V-31, V-32.

Виртуальный контейнер 4-го уровня (VC-4) представляет собой поле формата 9x261. Его полезная нагрузка формируется либо из контейнера С-4, либо из нескольких контейне­ров низших уровней. На рис. 1.72 представлена схема, иллюстрирующая варианты мультип­лексирования (упаковки) PDH-трибов в терминальный контейнер первого уровня (STM-1).

Первичный поток Е1 сначала формируется в контейнер С-12 (32 байта за период 125 мкс). Добавление заголовка из двух служебных байтов превращает виртуальный кон­тейнер в сигнальную единицу следующего уровня TU-12 (Tributary Unit) объемом 34 байта. Эти 2 байта — маршрутный заголовок (РОН) и указатель триба (PTR — Pointer), который дает возможность определить местоположение контейнера при его транспортировке. Под­робное описание организации указателя приведено в [76].

Далее возможна группировка информации, содержащейся в трибах второго уровня, в кон­тейнеры третьего уровня (группы трибных блоков). Если до этого этапа проводились дейст­вия, связанные с добавлением служебной информации или выравниванием потока под разме­ры контейнера, то теперь проводится мультиплексирование — действие по группировке не­скольких потоков в одном контейнере высшего уровня. В результате мультиплексирования формируется блок TUG-2, содержащий три триба TU-12. Таким образом, в контейнере уже могут переноситься три первичных потока Е1. На следующем шаге производится мультип­лексирование трибов TUG-2, что связано с формированием триба третьего уровня TUG-3. И далее последовательность вновь мультиплексируется в 3 раза для упаковки в виртуальный контейнер последнего, четвертого уровня (VC-4). При этом должно быть заполнено все ин­формационное поле объемом 261 байт.

На последней стадии добавляются административные данные регенераторной секции и заголовок мультиплексной секции. Полученный модуль информации является транспорт­ным модулем первого уровня (STM-1). Действия, рассмотренные выше, показаны в виде диаграммы на рис. 3 и снабжены численными характеристиками, взятыми из примера, приведенного в [76].

Рис. 4. Пример логического формирования модуля STM-1 из информационной единицы (триба) Е1

РОН Path Overhead Маршрутный заголовок

PTR Pointer Указатель

NPI Null Pointer Поле индикации нулевого указателя

FS Fixed Stuff Фиксированный заполнитель

RSOH Regenerator Section Overhead Заголовок регенераторной секции

MSOH Multiplex Section Overhead Заголовок мультиплексной секции

Классификация служб

Отличие класса В от класса А состоит в том, что источниками его нагрузки являются службы с изменяющейся скоростью. Например, передача движущегося изображения, где ско­рость передачи зависит от частоты смены кадров или регулируется специальной программой.

В классе С содержатся службы, ориентированные на соединение, но для которых некри­тичны временные задержки. Примером может служить передача данных с установлением соединения.

Класс D отличается от класса С тем, что включает службы, не ориентированные на со­единение (например, электронную почту).

В соответствии с этим разделением разработаны различные типы протоколов уровня адаптации. Рассмотрим кратко задачи каждого из них.

Уровень адаптации ATM первого типа. Этот уровень предназначен:

для переноса блоков с постоянной битовой скоростью источника и доставку их с той же скоростью;

для синхронизации оконечных устройств источника и получателя;

для индикации искажений информации, если эти искажения не восстанавливаются са­мим уровнем адаптации.

Он рассчитан на транспортировку;

сигналов речевого диапазона (например, сигналов со скоростью 64 кбит/с, кодирован­ных по закону А или закону ц);

асинхронных каналов, т.е. сигналов от источников с постоянной двоичной скоростью, не синхронизированных с частотой сети связи (например, сигналы со скоростями 1,544; 2,048; 6,132; 8,448; 32,064; 34,368 и 44,735Мбит/с).

синхронных каналов, т.е. сигналов от источников с постоянной двоичной скоростью, синхронизированных с частотой сети связи (например, сигналы со скоростями 64; 384; 1536 и 1920 кбит/с).

Уровень адаптации ATM второго типа. Этот уровень обеспечивает службы, передаю­щие информацию с изменяющейся скоростью, и обеспечивает синхронизацию между ис­точником и получателем.

Уровень адаптации ATM третьего-четвертого типа. Этот уровень предназначен для передачи данных службами как с установлением, так и без установления соединений при высоких требованиях к достоверности передаваемой информации. Протоколы данного уровня могут обслуживать сообщения произвольной длины, либо поток сообщений. В обоих режимах имеется возможность гарантированного обслуживания, при котором производится повторная передача утраченных или принятых с ошибками протокольных блоков данных.

Уровень адаптации ATM пятого типа. Является развитием протоколов уровня адапта­ции третьего-четвертого типа и предоставляет услуги высокоскоростной передачи данных с меньшим объемом служебных сигналов и информации.