Вектор, Киев. Страница поддержки - Технологии и решения.SONET -- основа дальних оптических коммуникаций

SONET -- основа дальних оптических коммуникаций

Леонид Бараш

В последнее время в компьютерной прессе при обсуждении проблем будущей архитектуры сетей масштаба города (MAN) все чаще встречается слово SONET. Подобная "популярность" вызвана не столько достоинствами этих сетей, сколько возможностями современных Ethernet-технологий, которые прочат в качестве преемника SONET в городских оптических сетях. Но в глобальных телекоммуникационных сетях позиция SONET, по крайней мере в ближайшем будущем, останется непоколебимой.

    Напомним, что аббревиатура SONET обозначает Synchronous Optical NETworks, что переводится как синхронные оптические сети. Стандарт разработан ANSI в середине 80-х годов и призван решить целый ворох проблем, связанных с несовместимостью первой генерации оптических телекоммуникационных систем как в Северной Америке, так и в Европе. Такие системы, как правило, строились на базе оригинальных фирменных разработок, привязывая операторов связи к одному производителю. Появление SONET обеспечило единую транспортную инфраструктуру в индустрии глобальных телекоммуникаций.
    Прежде чем переходить к рассмотрению основных концепций и некоторых деталей стандарта, важно прояснить значение таких понятий, как "синхронный", "асинхронный" и "плезиохронный" (или "почти синхронный"), в контексте систем передачи данных.

Синхронизация цифровых сигналов
    Итак, напомним, что в синхронных системах передача данных осуществляется блоками, состоящими из байтов или битов, с фиксированной скоростью. Допускаются некоторые фазовые сдвиги при передаче двух последовательных сигналов, однако в очень небольшом диапазоне. Эти сдвиги обычно обусловлены различным временем распространения сигналов или неустойчивостью синхронизации в сети. Перед передачей каждого блока выполняется синхронизация работы источника и приемника путем генерирования определенной последовательности синхроимпульсов, за которой следует полезная информация. Синхронизация часов всех узлов системы производится едиными системными часами (Primary Reference Clock -- PRC). Они, в свою очередь, выверяются с помощью атомных часов.
    При асинхронной передаче фиксированная скорость не требуется, а отрезок времени между посылками блоков может быть произвольным. Для отделения блоков синхроимпульсы не используются, взамен этого каждая посылка содержит сигналы, служащие признаком их начала (старт-бит) и конца (стоп-бит). Часы в таких системах работают независимо друг от друга.
    В плезиохронных системах допускается вариация скорости передачи, но в незначительных пределах, а синхронизация часов, к примеру, в двух сетях может осуществляться от двух разных PRC. Хотя и в этом случае часы будут идти очень точно, тем не менее некоторое расхождение все же иногда встречается.
    Рассмотрим теперь вкратце преимущества синхронной системы передачи перед асинхронной. Традиционные телекоммуникационные системы были асинхронными, т. е. каждый терминал в сети тактировался собственным генератором. При передаче данных в цифровой форме существенной становится роль тактового генератора: с его помощью фиксируется скорость передачи, а также локализуются биты со значениями "нуль" и "единица" в потоке данных. При мультиплексировании двух асинхронных потоков применяется механизм включения добавочных битов (экстрабитов), компенсирующих вариации в скоростях передачи. Все это требует сложной аппаратуры для мультиплексирования/демультиплексирования. Синхронные сети передачи данных лишены подобных недостатков, что значительно упрощает их реализацию и эксплуатацию. "Временные взаимоотношения" между узлами строятся по схеме "главный--подчиненный", таким образом терминалы более высокого уровня иерархии управляют часами подчиненных терминалов.

Архитектура SONET и структура стека протоколов

Рис. 1

   Весьма полное представление об архитектуре сети дает пример типичного сквозного соединения (рис. 1). Оно содержит три структурных компонента: путь, или тракт (Path), канал (Line) и секцию (Section). Соответственно имеются три типа оконечного (терминального) оборудования.
   Оконечное оборудование пути (Path Terminating Equipment -- PTE). Поскольку SONET -- магистральная сеть, она на своих границах соединяет сети с разными скоростями передачи и форматами данных. Главными функциями PTE являются сборка входящих потоков, преобразование и формирование стандартных блоков данных, называемых Synchronous Payload Envelope (SPE), на которых мы более подробно остановимся ниже, для транспортировки по сети SONET, разборка и преобразование в пользовательские форматы выходных потоков. Кроме этого, PTE анализирует, генерирует или модифицирует управляющую информацию пути.
   Оконечное оборудование канала (Line Terminating Equipment -- LTE). Эти устройства обеспечивают связь между соседними элементами сети, оконечным оборудованием, например мультиплексорами, выполняют большую часть функций, связанных с управлением сетью, а также функции синхронизации и мультиплексирования. Как и PTE, LTE могут анализировать, генерировать или модифицировать управляющую информацию канала.
   Оконечное оборудование секции (Section Terminating Equipment -- STE). Секцию образуют два смежных элемента сети. Оборудование STE управляет передачей фреймов между соседними устройствами, которыми могут быть терминалы или повторители. STE также анализирует, генерирует или модифицирует управляющую информацию секции.
    Синхронный метод передачи данных позволяет разработать стек протоколов. С их помощью удается решить многие проблемы управления и функционирования, часто возникающие в асинхронных сетях. Стек протоколов SONET содержит четыре уровня. Приведем их краткое описание в порядке возрастания.
   Уровень фотоники (photonic layer) -- соответствует физическому уровню модели OSI. Он непосредственно отвечает за передачу битов по оптоволокну, т. е. генерирует и формирует световой импульс.
   Уровень секции (section layer) -- по своим функциям близок к канальному уровню модели OSI. Он обеспечивает передачу фреймов между соседними устройствами и отвечает за обрамление кадров, шифрование (scrambling), отслеживание ошибок.
   Уровень канала (line layer) -- обеспечивает надежный транспорт фреймов по каналу, выполняет синхронизацию, мультиплексирование, отслеживает ошибки, управляет каналом, а также осуществляет переключение потока на запасной канал в случае выхода из строя основного.
   Уровень пути (path layer) -- высший уровень стека протоколов SONET. Он отвечает за транспорт сервисов между оконечным оборудованием пути (PTE). Его основной функцией является предоставление канальному уровню сигналов в необходимом формате. Он также осуществляет мониторинг передачи полезной нагрузки, определяет статус и выполняет трассировку пути.

Рис. 2

    Как это принято в многоуровневой модели протоколов, нижние уровни предоставляют свои сервисы вышележащим. При передаче данных каждый уровень на одном конце пути взаимодействует с одноименным уровнем на другом конце (рис. 2). Скажем, уровень пути источника собирает 28 сигналов канала DS-1 (24 канала сигналов DS-0), образуя кадр SPE, и направляет его канальному уровню. В свою очередь канальный уровень, к примеру, мультиплексирует три кадра SPE и направляет данные уровню секции. Тот обрабатывает их в соответствии с протоколом и передает на уровень фотоники, который и преобразует электрические сигналы в оптические.

Базовый сигнал SONET
    Забегая вперед, отметим, что высокие скорости передачи (уровни иерархии) в сетях SONET достигаются посредством мультиплексирования сигналов низких уровней. Самый низкий, или базовый, сигнал в иерархии SONET называется Synchronous Transport Signal level 1 (STS-1). На электрической стороне интерфейса он передается со скоростью 51,84 Mbps и преобразуется на оптической стороне в поток "оптических" битов, передаваемых с той же скоростью. Этот уровень называется Optical Carrier level 1 (OC-1). Поток оптических битов создается с помощью последовательности световых импульсов лазера.
    Структуру фрейма STS-1 принято описывать с помощью двухмерного массива, элементами которого являются байты. Он содержит 9 строк и 90 колонок. В первых трех колонках размещаются 27 байтов транспортной информации. Из них девять описывают уровень секции и 18 -- канальный уровень. Оставшиеся 87 колонок называются Synchronous Payload Envelopment (SPE). Первая колонка SPE содержит служебную информацию уровня пути. Байты фрейма передаются построчно.

Рис. 3

Более высокие, чем базовая, скорости передачи, или уровни иерархии, достигаются посредством процедуры мультиплексирования нескольких базовых сигналов. Используемая схема мультиплексирования известна как чередование байтов. Рис. 3 иллюстрирует процесс получения сигнала STS-3 из трех базовых сигналов STS-1. Результирующая скорость передачи в данном случае составляет 155,52 Mbps. Всего же можно уплотнить 192 базовых сигнала (STS-192) и достичь скорости около 10 Gbps.

Топология SONET

Рис. 4

SONET предоставляет достаточно широкие возможности по выбору конфигурации сети. В целом, геометрию сетей SONET можно разделить на два класса: линейную и кольцевую. Линейная геометрия допускает соединения типа точка--точка, точка--группа и ветвящуюся сеть (hub network). Топология точка--группа (рис. 4) реализуется с помощью мультиплексоров добавления/ответвления каналов (Add/Drop Multiplexer -- ADM), которые являются одними из основных элементов, обеспечивающих гибкость и расширяемость сетей SONET. Ветвящаяся сеть (рис. 5) образуется с помощью систем кроссовой коммутации (Digital Cross-connect System -- DCS). Однако следует сказать, что основной целью разработчиков стандарта было достижение высокой живучести сети. И это свойство SONET обеспечивается кольцевой топологией. При этом существуют два типа колец и соответствующих им технологий: кольцо с переключением индивидуальных путей (path switched) и кольцо с переключением всего оптического канала (line switched). Ключевым отличием здесь является количество оптических волокон. В первом случае используется только два оптоволокна, тогда как во втором -- два или четыре.

Рис. 5

При переключении путей для обеспечения избыточности трафик направляется по двум оптоволокнам. Аппаратура получателя осуществляет мониторинг обоих сигналов и выбирает лучший. Следствием такого механизма реализации избыточности является пониженная производительность кольца. В технологии переключения всего оптического канала при использовании четырех двунаправленных оптоволоконных кабелей в штатном режиме данные посылаются только в требуемом направлении. Каждое направление имеет рабочий и запасной кабель (рис. 6). В случае повреждения оптоволокна трафик коммутируется в противоположном направле- нии. Такие системы могут восстанавливать работоспособность менее чем за 50 мс в кольце протяженностью 1200 км.

Рис. 6

    В заключение приведем некоторые характеристики интерфейсов канала. Спецификация SONET предусматривает использование одномодового оптоволокна и определяет три диапазона.
   Short Reach (SR) -- применяется для секций длиной до двух километров при затухании сигнала не более чем на 7 дБ. Для передачи используются светодиоды (LED) или лазеры с длиной излучения 1310 нм.
   Intermediate Reach (IR) -- допускает длину секции до 15 км с затуханием сигнала, не превышающим 12 дБ. В качестве источника света выступают маломощные лазеры (50 мВт) с длиной волны 1310 или 1550 нм.
   Long Reach (LR) -- при этом интерфейсе длина секции может достигать 40 км при потерях от 10 до 28 дБ. Источниками излучения служат мощные лазеры (500 мВт) с длиной волны 1310 или 1550 нм.
    Конечно, неизвестно, каким будет "ландшафт" сетей масштаба города, но сегодня не существует технологии, способной пошатнуть положение сетей SONET в качестве магистралей для дальней связи.

Компьютерное Обозрение #26, 4 - 10 июля 2001