Первичные сети.

Глобальные сети обычно разворачивают на цифровых телекоммуникационных каналах, выделенных из телефонной сети. Эти каналы предоставляют пользователям определенную пропускную способность, которая может достигать сотен Мбит/с. Такие каналы передачи данных называются выделенными линиями (leased lines). Они являются неотъемлемой частью любой глобальной сети.

Хотя выделенные линии считаются цифровыми линиями связи для сетей, на самом деле их создавали как каналы передачи оцифрованных голосовых сигналов. Преобразование голосовых сигналов в цифровой формат предоставило многочисленные преимущества, среди которых восстановление ослабленных сигналов и эффективная агрегация нескольких потоков данных в общей среде передачи (такое объединение называют мультиплексированием).

Со временем произошло радикальное изменение способа использования выделенных цифровых линий. Этому способствовало сочетание трех факторов, а именно:

• Возросшая доля цифрового оборудования передачи данных в телекоммуникационной инфраструктуре

• Разработка механизмов поддержки для цифровой телефонии

• Возникшая у пользователей необходимость в высокопроизводительных соединениях для передачи данных

С возникновением распределенных сетевых технологий выделенные линии стали использоваться в качестве каналов передачи данных. Переход от оцифрованных речевых сигналов к оцифрованным данным был совершенно естественным: двоичные цифры остаются двоичными цифрами независимо от того, что они обозначают.

Выделенные линии были изначально разработаны для объединения множества голосовых каналов в одном высокопроизводительном канале. Для выполнения этой функции был необходим механизм, который принимает несколько входящих потоков данных, регламентирует их передачу по общей линии связи и снова разделяет на отдельные компоненты для последующей передачи конкретному получателю.

Собственно процедура мультиплексирования может быть выполнена следующими методами:

• Путем разделения доступной полосы пропускания во времени — так называемое временное уплотнение каналов

• Путем разделения доступной полосы частот на поддиапазоны — так называемое частотное уплотнение каналов

Временное уплотнение каналов (Time Division Multiplexing — TDM) характеризуется разделением доступной полосы пропускания на элементарные интервалы времени. Устройство связи может монополизировать всю полосу частот на период элементарного интервала. Эти интервалы времени распределяются между устройствами согласно с заранее известным алгоритмом. Методика TDM является эффективной, поскольку передающим станциям разрешается использовать всю полосу частот. Если станция не собирается передавать данные, ее элементарный интервал времени отводится другой станции, которой необходимо передать данные. Таким образом, повышается эффективность использования доступной полосы частот канала передачи.

Однако методика TDM перегружает трафик сигналами синхронизации. В случае нарушения синхронизации передаваемые данные повреждаются. Существует два основных метода синхронизации передачи в линии с TDM:

• Введение битов синхронизации

• Введение каналов синхронизации

Оба метода используются в современных выделенных линиях. Европейский стандарт цифровых сообщений предпочитает метод добавления синхронизирующего канала, тогда как в Северной Америке используются дополнительные биты.

Аналогично другим стандартным сетевым технологиям выделенные линии характеризуются стандартизованными схемами передачи. Такие схемы определяют скорость передачи и тип среды, а также форматы кадровой синхронизации и методики мультиплексирования.

Существует множество схем, причем они отличаются в плане географии и технологии. Чаще всего встречаются следующие стандарты:

• Номенклатура каналов ANSI

• Номенклатура каналов ITU

• Система оптической связи SONET

• Система сигналов синхронной передачи SONET

Американский институт национальных стандартов (ANSI) занимался разработкой стандартов для передачи цифровых сигналов еще в начале восьмидесятых. Это семейство стандартов называется номенклатурой цифровых каналов (Digital Signal Hierarchy — DSH). В его состав входят пять спецификаций, пронумерованных от DS-0 до DS-4. В таблице приводятся эти спецификации, соответствующие им скорости передачи и число поддерживаемых голосовых каналов.

Первичные сети предназначены для создания коммутируемой телекоммуникационной инфраструктуры, с помощью которой можно достаточно быстро и гибко организовать постоянный канал с двухточечной топологией между двумя пользовательскими устройствами, подключенными к такой сети. На основе каналов, образованных первичными сетями, работают компьютерные и телефонные сети.

Существуют три поколения технологий цифровых первичных сетей:

технология плезиохронной («плезио» означает «почти», то есть почти синхронной) цифровой иерархии (Plesiochronic Digital Hierarchy, PDH),

технология синхронной цифровой иерархии (Synchronous Digital Hierarchy, SDH), в Америке технологии SDH соответствует стандарт SONET;

технология уплотненного волнового мультиплексирования (DWDM).

Особенности технологии PDH

При использовании цифровых методов временного мультиплексирования мультиплексор использует на первом уровне в качестве входных сигналы DS0 со скоростью передачи 64 кбит/с, формируя первичный цифровой поток данных со скоростью n х 64 кбит/с. Так, для американской системы (АС) мы имеем информационный поток 24 х 64 кбит/с = 1536 кбит/с, а для европейской системы (ЕС) – 30 х 64 кбит/c = 1920 кбит/с, к которым добавляются канал 8 кбит/с (АС) или два канала DS0 (ЕС), необходимых для осуществления синхронизации, сигнализации и контроля ошибок (CRC). В результате первичный поток состоит из повторяющихся групп, каждая из которых приобретает структуру фрейма (или цикла). В системе АС формируется фрейм Т1 (1544 кбит/с), а в системе (ЕС) – фрейм E1 (2048 кбит/с).

Если считать этот уровень мультиплексирования первичным в схеме последовательного, каскадного, мультиплексирования вторичного, третичного и т.д. уровней, использующих мультиплексоры типа m:1, l:1, k:1..., то можно сформировать различные иерархические наборы цифровых скоростей передачи, или цифровые иерархии. Они позволяют довести процесс мультиплексирования, или уплотнения каналов, до необходимого уровня, дающего требуемое число каналов DS0 на выходе путем выбора различных коэффициентов мультиплексирования m, l, k, ... для последовательных каскадов.

Схемы плезиохронной цифровой иерархии

Три такие иерархии были разработаны в начале 80-х годов.

В первой из них, принятой в США и Канаде, в качестве скорости сигнала первичного цифрового канала ПЦК (DS1), порожденного первым уровнем мультиплексирования, была принята скорость T1=1544 кбит/с (т.е. коэффициент первичного мультиплексирования n = 24, т.е. двадцать четыре DS0 по 64 кбит/с могли быть использованы для передачи голоса или данных).

Во второй, принятой в Японии, в качестве скорости ПЦК использовалась та же скорость 1544 кбит/с.

В третьей, принятой в Европе и Южной Америке, в качестве скорости ПЦК была принята скорость 2048 кбит/с (т.е. коэффициент первичного мультиплексирования n = 30 – тридцать DS0 по 64 кбит/с использовались для передачи голоса и данных). Два дополнительных тайм-слота (0 и 16), как указывалось выше, предназначались для синхронизации (0) и сигнализации (16) или управления. В ряде случаев для передачи голоса и данных допустимо использовать и 16 тайм-слот (в качестве 31 канала), в этом случае применяется другой (дополнительный) формат фрейма Е1, при котором для синхронизации и сигнализации используется только 1 канал (0 тайм-слот). Этот формат, позволяя увеличить информационную емкость канала в целом, может привести к нестыковке форматов фреймов (из-за использования различных методов сигнализации) на разных участках сети.

Первая иерархия (американская система иерархии - АС) давала последовательности каналов вида: DS1 – DS2 – DS3 – DS4 или скоростей с номинальными значениями в виде ряда: 1544 – 6312 – 44736 – 274176 кбит/с (или приближенно 1,5 – 6 – 45 – 274 Мбит/с), что, c учетом скорости DS0 (одинаковой для всех трех иерархий), соответствует ряду коэффициентов мультиплексирования n=24, m=4, l=7, k=6. Указанная иерархия позволяет передавать соответственно 24, 96, 672 и 4032 канала DS0.

DS0 – DS4 называются цифровыми каналами 0-го, 1-го, 2-го, 3-го и 4-го уровней иерархии. В терминологии, используемой в связи, это соответственно: основной цифровой канал (ОЦК), первичный цифровой канал (ПЦК), вторичный цифровой канал (ВЦК), третичный цифровой канал (ТЦК) и четверичный цифровой канал (ЧЦК).

Вторая иерархия давала последовательности вида: DS1 – DS2 – DSJ3 – DSJ4 – DSJ5 или скоростей 1544 – 6312 – 32064 – 97728 – 397200 кбит/с (или приближенно 1,5 – 6 – 32 – 98 – 397 Мбит/с), что, c учетом скорости DS0, соответствует ряду коэффициентов мультиплексирования: n=24, m=4, l=5, k=3, i=4. Указанная иерархия позволяет передавать соответственно: 24, 96, 480, 1440 и 5760 каналов DS0. Эту схему иерархии будем называть ниже японской системой иерархии (ЯС). Здесь DSJ3 – DSJ5 - цифровые каналы 3-го – 5-го уровней Японской иерархии PDH. Формально, по терминологии, используемой в связи эти каналы должны называться третичными, четверичными и пятеричным каналами ЯС.

Третья иерархия давала последовательности вида: E1 – E2 – E3 – E4 – E5 или скоростей 2048 – 8448 – 34368 – 139264 – 564992 – кбит/с (или приближенно 2 – 8 – 34 – 140 – 565 Мбит/с), что соответствует ряду коэффициентов: n=30, m=4, l=4, k=4, i=4. Указанная иерархия позволяет передавать соответственно 30, 120, 480, 1920 и 7680 каналов DS0, что отражается и в названии ИКМ систем: ИКМ-30, ИКМ-120, ИКМ-480 и т.д.. Эту схему иерархии называют европейской системой иерархии (ЕС).

Указанные иерархии, известные больше под общим названием плезиохронная цифровая иерархия PDH, сведены в табл

Три системы цифровых иерархий: американская (АС), японская (ЯС) и европейская (ЕС)

Параллельное развитие трех различных иерархий объективно мешало развитию глобальных телекоммуникаций в мире в целом, поэтому комитетом по стандартизации ITU-T были сделаны шаги по их унификации и возможному объединению. В результате был разработан стандарт, согласно которому:

во-первых, были стандартизованы три (не считая основного) первых уровня АС (DS1-DS2-DS3), четыре уровня ЯС (DS1-DS2-DSJ3-DSJ4) и четыре уровня ЕС (E1-E2-E3-E4) в качестве базовых и указаны схемы кросс-мультиплексирования иерархий (взаимного перехода из одной иерархии в другие), например, из ЕС иерархии в АС иерархию (с первого на второй уровень) и обратно (с третьего на четвертый уровень), а также из ЯС иерархии (с третьего уровня) в ЕС иерархию (на четвертый уровень), см. рис. (коэффициенты мультиплексирования проставлены на линиях связи блоков);

во-вторых, последние уровни 1-3 иерархий (274, 397 и 565 Мбит/с, соответственно) не были рекомендованы в качестве стандартных;

в-третьих, была сохранена ветвь 32064 – 97728 кбит/с (приближенно 32 – 98 Мбит/с) в ЯС, т.е. уровни DSJ3 и DSJ4, соответствующие уровням DS3 и DS4 в АС, и Е3 и E4 в ЕС. Уровень DSJ3 фактически соответствует уровню E3, что облегчает кросс-мультиплексирование с третьего уровня (DSJ3) на четвертый (E4).

Работы по стандартизации иерархий как в Европе, так и в Америке имели два важных последствия:

разработка схемы плезиохронной цифровой иерархии (PDH);

разработка схемы синхронной цифровой иерархии (SONET/SDH).

Схема мультиплексирования и кросс-мультиплексирования в 1 - американской (АС), 2 - японской (ЯС) и 3 - европейской (ЕС) цифровых иерархиях

Более подробно структура фреймов Е1 и Е2 определена в стандарте G.704, а фреймов Е3 и Е4 – в стандарте G.751.