Telekomunikační sítě Transportní sítě

Transkript

1 Fakulta elektrotechniky a informatiky, VŠB-TU Ostrava Telekomunikační sítě Transportní sítě Datum: Autor: Ing. Petr Machník, Ph.D. Kontakt: petr.machnik@vsb.cz Předmět: Telekomunikační sítě ts_120228_kapitola5

2 Transportní sítě Ing. Petr Machník, Ph.D.

3 Základní vlastnosti Transportní sítě vytvářejí infrastrukturu k rychlé a flexibilní tvorbě kanálů typu bod bod mezi dvěma síťovými koncovými zařízeními. Transportní sítě používají techniku přepínání kanálů. Počítačové a telefonní sítě používají okruhy transportních sítí na fyzické vrstvě. Transportní sítě se vyznačují vysokými přenosovými rychlostmi obvykle se pohybují od 2 Mbit/s až po 10 Gbit/s. Existují tři generace transportních sítí: 1) Plesiochronous Digital Hierarchy (PDH), 2) Synchronous Digital Hierarchy (SDH) (a SONET v USA), 3) Dense Wavelength Division Multiplexing (DWDM). 2

4 PDH a SDH používají časové multiplexování (Time Division Multiplexing TDM) ke sdílení přenosové rychlosti linky a k přenosu dat v digitální podobě. Všechny tyto technologie používají hierarchii přenosových rychlostí, takže si uživatel může vybrat požadovanou rychlost pro kanály překryvné sítě. SDH poskytuje vyšší přenosové rychlosti než PDH, proto při tvorbě rozsáhlé přenosové sítě se používá SDH technologie jako páteřní síť a PDH technologie jako přístupová síť. DWDM sítě představují nejnovější pokrok v tvorbě rychlých komunikačních kanálů. K přenosu většího množství dat za jednotku času používají multiplexování optických vlnových délek. 3

5 PDH (Plesiochronous Digital Hierarchy) PDH technologie byla vyvinuta koncem 60. let společností AT&T pro propojení telefonních ústředen rozsáhlých telefonních sítí. Technologie FDM (Frequency Division Multiplexing), která byla k tomuto účelu používána předtím, již nedostačovala při tvorbě vysokorychlostních vícekanálových komunikačních spojení pomocí jednoho kabelu. Prvním krokem ve vývoji PDH technologie bylo vyvinutí T- 1 multiplexoru, který uměl multiplexovat, přepínat a přenášet hlasový provoz v digitální podobě pro 24 účastníků. Protože účastnické telefony přenášely hlas v analogové podobě, musely multiplexory navzorkovat hlas frekvencí 8000 Hz a zakódovat hlasové vzorky pulzně 4

6 kódovou modulací. Výsledkem je přenosová rychlost 64 kbit/s pro jeden hovor a rychlost 1,544 Mbit/s celé T-1 linky. T-1 linky ale brzy nebyly dostatečně výkonné a flexibilní pro propojení velkých automatických ústředen. Proto byla implementována idea komunikačních linek s hierarchickou strukturou přenosových rychlostí. Čtyři T-1 linky spojené dohromady vytvoří další stupeň v digitální hierarchii T-2 linku s přenosovou rychlostí 6,312 Mbit/s. T-3 linka vznikne spojením sedmi T-2 linek a má přenosovou rychlost 44,736 Mbit/s. T-4 linka s rychlostí 274,176 Mbit/s spojuje šest T-3 linek. Tato technologie se označuje T systém. Je možné pomocí něj přenášet nejen hlas, ale i počítačová data. 5

7 T systém byl standardizován organizacemi ANSI a CCITT (dnes ITU-T) jako PDH technologie. V důsledku změn provedených organizací CCITT nejsou americká a mezinárodní verze PDH standardu kompatibilní. V mezinárodní verzi standardu tvoří analogii T systému linky E-1 (2,048 Mbit/s), E-2 (8,488 Mbit/s), E-3 (34,368 Mbit/s) a E-4 (139,264 Mbit/s). Tento mezinárodní standard se používá i v Evropě. I přes rozdíly mezi oběma verzemi se používá stejný zápis k označení hierarchie přenosových rychlostí digitální signál stupně n(ds-n)(např. DS-1 reprezentuje T-1 i E-1). V praxi se nejčastěji používají linky E-1/T-1 a E-3/T-3. 6

8 Hierarchie přenosových rychlostí technologie PDH 7

9 PDH má řadu nedostatků: - Nízká efektivita multiplexování a demultiplexování PDH není plně synchronní (plesiochronní znamená skoro synchronní ) při multiplexování pomalejších kanálů do rychlejších. Plesiochronní způsob přenosu rámců má za následek nutnost vkládání synchronizačních bitů mezi rámce. Důsledkem je, že při vybírání určitých uživatelských dat z multiplexovaného kanálu, je nejprve nutné úplné demultiplexování rámců. - PDH síť neposkytuje nástroje pro řízení sítě a není odolná vůči poruchám. -Přenosové rychlosti PDH jsou v současnosti nedostačující pro páteřní sítě. 8

10 SDH (Synchronous Digital Hierarchy) Všechny nedostatky PDH technologie byly vzaty v úvahu a následně odstraněny tvůrci (organizace ANSI) technologie SONET (Synchronous Optical Network). První verze tohoto standardu vznikla v roce Později vznikl mezinárodní standard s názvem SDH (Synchronous Digital Hierarchy). Cílem bylo vytvořit technologii schopnou přenášet provoz všech existujících variant PDH (E-1 až E-4 a T-1 až T-4) přes vysokorychlostní páteř využívající optické kabely. Také měla být navržena hierarchie přenosových rychlostí, která by navázala na rychlosti hierarchie PDH technologie a která by dosahovala až gigabitových rychlostí. Technologie SDH, která se používá v Evropě, a technologie SONET, která se používá v USA, jsou kompatibilní, ale ne identické. 9

11 SDH SONET Bit rate [Mbit/s] STS-1, OC-1 51,84 STM-1 STS-3, OC-3 155,52 STM-3 OC-9 466,56 STM-4 OC ,08 STM-6 OC ,12 STM-8 OC STM-12 OC STM-16 OC STM-64 OC STM-256 OC Hierarchie přenosových rychlostí technologie SDH 10

12 V SDH mají všechny stupně přenosových rychlostí (a podle toho i formáty rámců na těchto stupních) společné označení: synchronous transport module level N (STM-N). U technologie SONET existují dvě označení pro jednotlivé stupně: synchronous transport signal level N (STS-N) pro přenos pomocí elektrických signálů a optical carrier level N (OC-N) pro přenos pomocí optických signálů. STM-N rámce mají složitou strukturu, která umožňuje slučování datových toků SDH a PDH různých přenosových rychlostí do jednoho společného toku a díky které je možné vybírat nebo vkládat jednotlivé dílčí datové toky bez nutnosti úplného demultiplexování páteřního datového toku. 11

13 Pro potřeby multiplexování se používají tzv. virtuální kontejnery, v kterých mohou být přenášena data PDH technologie SDH sítí. Kromě dat PDH jsou do virtuálních kontejnerů vkládány řídící informace včetně záhlaví cesty (path overhead). Toto záhlaví obsahuje statistické informace týkající se přenosu kontejneru po cestě od zdroje k cíli (chybová hlášení) a také řídící data jako například indikátor vytvoření spojení mezi koncovými uzly. V důsledku toho je velikost virtuálního kontejneru větší než odpovídající přenášené datové pole PDH. V každém multiplexoru je tabulka spojení, která například udává, že VC-12 na portu P1 se má přepojit na VC-12 na portu P5. Tyto tabulky spojení jsou nakonfigurovány administrátorem sítě. 12

14 Aby bylo možné kombinovat synchronní přenos STM-N rámců s plesiochronním způsobem přenosu PDH rámců, používá SDH technologie tzv. ukazatele (pointers). Ukazatel určuje současnou pozici virtuálního kontejneru ve struktuře vyšší úrovně příspěvkové jednotce (tributary unit) a administrativní jednotce (administrative unit). Hlavní odlišnost těchto jednotek oproti virtuálním kontejnerům je přítomnost pole ukazatele. Díky použití ukazatelů může virtuální kontejner v určitých mezích plavat uvnitř příspěvkové a administrativní jednotky, které naopak mají pevnou pozici uvnitř STM-N rámce. Díky systému ukazatelů může multiplexor najít pozici uživatelských dat v synchronním datovém toku STM-N rámce a vyjmout je. Příspěvkové jednotky jsou spojovány do skupin, které jsou následně spojovány do administrativních jednotek. Skupina N administrativních jednotek společně vytváří datové pole STM-N rámce. 13

15 V každém stupni transformace uživatelských dat jsou přidány řídící informace. Tyto pomocné informace pomáhají rozeznat strukturu datového bloku nebo skupiny datových bloků a pak pomocí ukazatelů určí začátek uživatelských dat. Způsob multiplexování dat v SDH 14

16 Formát STM-1 rámce 15

17 Druhy zařízení Hlavním zařízením SDH sítě je multiplexor. Obvykle je vybaven určitým počtem PDH a SDH portů. Porty SDH multiplexorů se dělí na agregovací (nebo též linkové) a příspěvkové (nebo též add/drop). SDH multiplexory se dělí na dva typy: 1) Terminálový multiplexor multiplexuje mnoho příspěvkových kanálu do jednoho agregovaného kanálu. 2) Add/drop multiplexor je umístěn uvnitř SDH sítě. Má dva agregovací porty pro přenos agregovaných datových toků. Pomocí několika příspěvkových portů multiplexor přidává nebo odebírá data příspěvkových kanálů do nebo z agregovaného toku. Někdy se používá digitální cross-connector pro přepínání virtuálních kontejnerů. U takového multiplexoru není rozdíl mezi agregovacími a příspěvkovými porty, protože se tento multiplexor používá v síti s mesh topologií, kde není možné odlišit agregovací porty. 16

18 Vedle multiplexorů může obsahovat SDH síť i regenerátory, které slouží k regeneraci optických signálů při přenosu na velkou vzdálenost. Architektura SDH sítě 17

19 Protokolový model SDH Protokolový model SDH se skládá ze čtyř vrstev, ale celá SDH technologie přísluší fyzické vrstvě OSI modelu: 1) Fotonická vrstva (Photonic layer) 2) Vrstva úseku (Section layer) 3) Vrstva trasy (Line layer) 4) Vrstva cesty (Path layer) 18

20 Topologie SDH sítí Kruh add/drop multiplexorů. Řada add/drop multiplexorů s terminálovými multiplexory na koncích sítě. Mesh síť s digitálními cross-connectory. 19

21 DWDM (Dense Wavelength Division Multiplexing) Technologie DWDM se používá při vytváření páteřních sítí nové generace s přenosovou rychlostí v řádech od desítek Gbit/s až po jednotky Tbit/s. Na rozdíl od SDH, kde se používá časové multiplexování dat, se v DWDM používá multiplexování různých optických vlnových délek (λ) v rámci jednoho optického vlákna. Technologie DWDM funguje na principu přepínání kanálů, kde každá vlnová délka představuje oddělený přenosový kanál nesoucí vlastní data. DWDM zařízení se nezabývají samotným přenosem dat na jednotlivých vlnových délkách, tj. nestarají se o způsob kódování dat a definování přenosového protokolu. 20

22 Jejich hlavním úkolem je multiplexování a demultiplexování optických signálů s různými vlnovými délkami. Nejpokročilejší DWDM zařízení dokáží přepínat a měnit vlnové délky optických signálů. První aplikací technologie DWDM byly páteřní sítě pro propojení dvou SDH sítí na velkou vzdálenost. V tomto případě jde o jednoduché spojení typu bod bod bez nutnosti přepínat vlnové délky. Časem však začaly být DWDM sítě složitější a vznikla potřeba náročnějších manipulací s vlnovými délkami jednotlivých signálů. Multiplexování a přepínání vlnových délek se děje přímo s optickými signály, bez nutnosti jejich přeměny na elektrické signály jako je tomu u SDH a optického Ethernetu. 21

23 Princip činnosti Technologie DWDM umožňuje přenášet data optickým vláknem pomocí mnoha různých vlnových délek v oblasti kolem 1550 nm. Každá vlnová délka představuje přenosový kanál o rychlosti až 10 Gbit/s. Probíhají experimenty se zvýšením této rychlosti na 40 Gbit/s až 100 Gbit/s. Předchůdcem DWDM byla technologie wavelength division multiplexing (WDM), která používá 4 vlnové délky v oblasti kolem 1310 nm a 1550 nm s odstupem mezi 400 GHz až 800 GHz. DWDM se označuje jako hustá (dense) WDM technologie, protože odstupy mezi sousedními vlnovými délkami jsou podstatně menší než u WDM: 22

24 - Frekvenční mřížka (tj. sada frekvencí navzájem oddělených o určitou hodnotu) s odstupem frekvencí mezi sousedními kanály 100 GHz ( λ = 0,8 nm) umožňuje používat 41 vlnových délek v rozsahu od 1 528,77 nm (196,1 THz) až 1 560,61 nm (192,1 THz). - Frekvenční mřížka s odstupem frekvencí mezi sousedními kanály 50 GHz ( λ = 0,4 nm) umožňuje používat 81 vlnových délek. Pozn.: c = λ f, kde c je rychlost světla ve vakuu. Někteří výrobci vyrábějí zařízení určené pro tzv. velmi husté WDM (high-dense WDM). To umožňuje odstup frekvencí jen 25 GHz, díky čemuž lze využít 161 vlnových délek. 23

25 Optické vlnové délky používané v DWDM 24

26 Protokolový model DWDM Srovnání protokolových modelů SDH a DWDM 25

27 Druhy zařízení Vláknový (optický) zesilovač (Fiber (optical) amplifier) Optický terminálový multiplexor (Optical terminal multiplexer - OTM) Optický add/drop multiplexor (Optical add/drop multiplexer - OADM) Optický cross-connector (Optical cross-connector - OXC) Druhy zařízení v DWDM síti 26

28 Vláknové zesilovače Vláknové zesilovače zesilují přímo optické signály, čímž eliminují nutnost přeměny optických signálů na elektrické a zpět, jako je tomu u regenerátorů v SDH sítích. Délka úseku mezi dvěma vláknovými zesilovači může být 150 km nebo i více, což zajišťuje efektivitu DWDM sítí, v nichž je na jeden multiplexní úsek o délce km potřeba 1 7 vláknových zesilovačů. Omezením pro délku multiplexního úseku je fakt, že vláknové zesilovače sice obnoví úroveň optického signálu, ale neodstraní efekt chromatické disperze. Z tohoto důvodu je nutné u velmi dlouhých tras použít po určité vzdálenosti multiplexor, který obnoví optický signál jeho přeměnou na elektrický a zpět na optický. 27

29 Optický terminálový multiplexor (OTM) 28

30 Optický add/drop multiplexor (OADM) 29

31 Optický cross-connector (OXC) Tři hlavní funkce OXC 30

32 Topologie DWDM sítí Řetězec spojení typu bod bod používají se zde optické terminálové multiplexory a optické add/drop multiplexory. Kruh spolehlivé řešení díky záložní cestě, používají se zde optické add/drop multiplexory. Mesh používají se zde optické cross-connectory. 31

33 Použitá literatura: OLIFER, Natalia, OLIFER, Victor. Computer Networks: Principles, Technologies and Protocols for Network Design. Chichester : John Wiley & Sons, s. ISBN BLUNÁR, Karol, DIVIŠ, Zdeněk. Telekomunikační sítě, 1.díl. Ostrava: VŠB-TU Ostrava, ISBN