Приниципы и устройства оптоволоконных сетей

FDDI-кадры  используют заголовки, определяемые  стандартом IEEE 802.2 (LLC - logical link control), который  не имеет поля тип, присутствующий  в Ethernet-заголовке. FDDI и ethernet имеют  разный порядок передачи битов,  поэтому мосты и маршрутизаторы  между FDDI и Ethernet должны уметь  выполнять соответствующие преобразования. В силу особенностей маршрутизаторов  не все протоколы могут быть  реализованы на стыке FDDI и Ethernet (например, DEC LAT работать не будет). Для решения проблемы созданы  гибридные приборы (brouter), которые  для одних протоколов работают  как маршрутизаторы, являясь мостами  для других. Эти приборы для  одних пакетов прозрачны, другие  же пересылаются с использованием  инкапсуляции. Учитывая то, что FDDI может пересылать до 400000 пакетов  в секунду, схемы распознавания  адресов моста должна иметь  соответствующее быстродействие.

Нетрадиционным  для других сетей является концентратор, используемый в FDDI. Он позволяет подключить несколько приборов SAS-типа к стандартному FDDI-кольцу, создавая структуры типа дерева. Но такие структуры несут  в себе определенные ограничения  на длины сетевых элементов, так  при использовании повторителя  удаление не должно превышать 1,5 км, а  в случае моста 2,5 км (одномодовый  вариант). Несмотря на эти ограничения  и то, что базовой топологией сетей FDDI является кольцо, звездообразные варианты также имеют право на жизнь, допустимы  и комбинации этих топологий. В пределах одного здания подключение целесообразно  делать через концентратор, отдельные  же здания объединяются по схеме кольцо. К кольцу FDDI могут также легко  подключаться и субсети Token Ring (через  мост или маршрутизатор).

1. Типы концентраторов

Концентраторы бывают двух типов: DAS и SAS. Такие приборы  повышают надежность сети, так как  не вынуждают сеть при отключении отдельного прибора переходить в  аварийный режим обхода. Применение концентраторов снижает и стоимость  подключения к FDDI. Концентраторы  могут помочь при создании небольших  групповых субсетей, предназначенных  для решения специфических задач (например, CAD, CAM или обработка изображений).

Новым устройством, используемым в FDDI-узлах, являются межузловые процессоры (internetwork nodal processor - INP), которые  являются развитием идей front end processor (FEP). INP, благодаря модульности, может  помочь пользователю адаптироваться к  изменениям, постоянно происходящим в сетях, где он работает. INP может  выполнять функции многопротокольного моста или маршрутизатора. Управление FDDI-оборудованием производится с  помощью протокола SNMP и базы данных MIB. Предусмотрены некоторые дополнительные диагностические средства, которые  выявляют не только аппаратные сбои, но и некоторые программные ошибки. Применение мостов для объединения FDDI-сетей позволяет обеспечить высокую  степень сетевой безопасности и  решить многие топологические проблемы, снять ограничения с предельного  числа DAS-подключений (<500). Выбор между  мостом и маршрутизатором определяется тем, что важнее, стоимость, гибкость системы илу высокая пропускная способность.

На рис. показан  пример использования сети FDDI для  доступа нескольких субсетей к общему серверу без взаимного влияния  потоков данных. Сегменты 1 и 2 представляют собой субсети Ethernet (10 Мбит/с). Учитывая то, что FDDI имеет пропускную способность 100 Мбит/с, даже при подключении 10 субсетей взаимовлияние их будет практически  отсутствовать. Два кольца FDDI, показанные на рис., могут быть объединены друг с другом через мост или маршрутизатор. Сетям FDDI благодаря маркерному доступу  не знакомы столкновения в том  виде, в каком они существуют в Ethernet и это дает им определенное преимущество перед сетями равного  быстродействия, например перед быстрым Ethernet (также 100 МГц). Существует версия FDDI приспособленная для передачи мультимедийной информации. Возможна реализация FDDI на скрученных парах  проводов.

 

Рис. Схема  использования кольца FDDI для расширения пропускной способности локальной сети

При обрывах  оптоволокна возможно частичное (при  двух обрывах) или полное (при одном  обрыве) восстановление связности сети.

 

Рис. Варианты связей в случае обрывов волокон

 

5. Сети SDH/SONET

Мультиплексирование потоков информации при формировании мощных региональных и межрегиональных  каналов имеет два решения. Одно базируется на синхронном мультиплексировании  и носит название синхронная цифровая иерархия (SDH, cм. Н.Н.Слепов, Синхронные цифровые сети SDH. ЭКО-ТРЕНДЗ, Москва, 1998), другое использует простой асинхронный пакетный обмен и носит название асинхронный режим передачи (ATM, см. предыдущую главу).

Стандарт  SDH (Synchronous Digital Hierarchy) разработан в Европе, (предназначен для замены иерархии асинхронных линий E-1/E-3) используется в настоящее время многими сетями и представляет собой модификацию американского стандарта на передачу данных по оптическим каналам связи SONET (Synchronous Optical NETwork). Несмотря на свое название SONET не ограничивается исключительно оптическими каналами. Спецификация определяет требования для оптического одно- и мультимодового волокна, а также для 75-омного коаксиального кабеля CATV 75. Пропускная способность SONET начинается с 51,84 Мбит/с STS-1 (Synchronous Transport Signal-1). Более высокие скорости передачи информации в SONET кратны этому значению. Стандартизованы следующие скорости передачи, которые кратны скорости 64 Кбит/с.

 

 

 

STS-1	51,840
STS-3	155,520
STS-9	466,560
STS-12	622,080

 

Соответствие  каналов SONET и SDH приведено ниже [W. Simpson RFC-1619 “PPP over SONET/SDH”] (и тот и другой могут использоваться для организации  связей по схеме PPP):

sonet	sdh
STS-3c	STM-1
STS-12c	STM-4
STS-48c	STM-16

 

 

 

 

1. Сравнение PDH и SDH

SONET (стандарт ANSI, предназначенный для замены NADH - north american digital hierarchy) использует улучшенную PDH - (Plesiochronous Digital Hierarchy - plesios - близкий  (греч.)) схему мультиплексирования  каналов. В плезиохронной (почти  синхронной) иерархии используется  мультиплексирование с чередованием  бит, а не байт. Мультиплексор  формирует из N входных потоков  один выходной (сети, где разные  часы сфазированы с разными  стандартами, но все они привязаны  к одной базовой частоте называются  плезиохронными). Так как скорости  разных каналов могут не совпадать  и нет структур, которые могли  бы определить позиции битов  для каждого из каналов, используется  побитовая синхронизация. Здесь  мультиплексор сам выравнивает  скорости входных потоков путем  введения (или изъятия) соответствующего  числа бит. Информация о введенных  и изъятых битах передается  по служебным каналам. Помимо  синхронизации на уровне мультиплексора  происходит и формирование кадров  и мультикадров. Так для канала  Т2 (6312кбит/с) длина кадра равна  789 бит при частоте кадров 8 кГц.  Мультикадр содержит 12 кадров. Помимо  европейской и американской иерархии  каналов существует также японская. Каждая из этих иерархий имеет  несколько уровней. Сравнение  этих иерархий представлено в  таблице.

Уровень иерархии	Скорости передачи для иерархий
	Американская 1544 Кбит/c	Европейская 2048 Кбит/c	Японская 1544 Кбит/c
0	64 (DS0)	64	64
1	1544 (DS1)	2048 (Е1)	1544 (DS1)
2	6312 (DS2)	8448 (Е2)	6312 (DS2)
3	44736 (DS3)	34368 (Е3)	32064 (DSJ3)
4	274176 (Не входит в рекомендации МСЭ-Т)	139264 (Е4)	97728 (DSJ4)

 

Но добавление выравнивающих бит в PDH делает затруднительным  идентификацию и вывод потоков 64 Кбит/с или 2 Мбит/с, замешанных в  потоке 140 Мбит/с, без полного демультиплексирования  и удаления выравнивающих бит. Если для цифровой телефонии PDH достаточно эффективна, то для передачи данных она оказалась недостаточно гибкой. Именно это обстоятельство определило преимущество систем SONET/SDH. Эти виды иерархических систем позволяют  оперировать потоками без необходимости  сборки/разборки. Структура кадров позволяет выполнять не только маршрутизацию, но и осуществлять управление сетями любой топологии. Здесь использован  чисто синхронный принцип передачи и побайтовое, а не побитовое чередование  при мультиплексировании. Первичной  скоростью SONET выбрана 50,688 Мбит/с (ОС1). Число уровней иерархии значительно  расширено (до 48). Кратность уровней  иерархии равна номеру уровня.

CCITT выработал  следующие рекомендации на эту  тему: G.707, G.708 и G.709. CCITT разработал  рекомендации для высокоскоростных  каналов H:

H0		384 Кбит/с=4*64 Кбит/с. 3*h0=1,544 Мбит/с
H1	H11	1536 Кбит/с
	H12	1920 Кбит/с
h4		~135 Мбит/с
H21		~34 Мбит/с
H22		~55 Мбит/с.

 

 

2. Сопоставление SDH и SONET

На нижних уровнях SDH и SONET в некоторых деталях  различаются. Внедрение стандарта SONET ликвидировало многие недостатки каналов T-1 (ограничения на размер максимальной полезной нагрузки, простота стыковки скоростных каналов связи). SONET хорошо согласуется с ATM и FDDI, что создает  фундаментальный базис для широкополосных сетей ISDN (B-ISDN). Следует учитывать, что SONET сохраняет совместимость с  уже существующими каналами, убирая лишь некоторые присущие им недостатки. Одним из базовых каналов сегодня  является T-1 (1544 Кбит/с для США). Он содержит в себе 24 субканалов DS-0 (Digital Signal at zero level, 64 Кбит/с, США). Мультиплексирование 24 каналов DS-0 по времени формирует  канал DS-1 (24 канала*64 Кбит/с)+8 Кбит/с=1544 Кбит/с, последнее слагаемое связано  с заголовками информационных блоков). Этой величине соответствует в Европе 2048 Кбит/с (канал E-1 = 30*ds0). Два канала T-1 образуют канал T-1c, четыре канала T-1 формируют канал T-2, а семь T-2 (28 T-1) образуют T-3. Для оптических систем связи в качестве базового принят канал OC-1, равный по пропускной способности T-3. А кадр STS-1 выбран в качестве основного  в системе SONET. Кадр STS-1 имеет 9 строк  и 90 столбцов (810 байт). Кадры передаются с частотой 8 кГц, что дает для  канала STS-1 51840 Кбит/с = 8000Гц*810байт*8бит. Эта цифра характеризует физическую скорость обмена, включающую в себя передачу служебной информации (заголовков), эффективная информационная пропускная способность равна 50112 Кбит/с. Быстродействие каналов более высокого уровня SONET получается умножением пропускной способности STS-1 (51,84 Мбит/с) на целое число. Так  пропускная способность OC-3 будет равна 155,52 Мбит/с, а OC-24 - 1244,16 Мбит/с и т.д. Целью создателей SONET было прямая стыковка оптических каналов различных сервис-провайдеров (вспомним, что непосредственное соединение каналов T-1 и E-1 не возможно). SDH допускает  сцепление нескольких контейнеров (в том числе и разных размеров), если в один контейнер данные не помещаются. Допускается объединение  нескольких контейнеров равного  размера в один большой. Хотя относительный  размер заголовка виртуального контейнера невелик (~3,33%), его объем достаточен для передачи достаточно больших  объемов служебной информации (до 5,184 Мбит/c).

В SONET предусмотрено  четыре варианта соединений: точка-точка, линейная цепочка (add-drop), простое кольцо и сцепленное кольцо (interlocking ring). Линейные варианты используются для ответвлений  от основного кольца сети. Наиболее распространенная топология - самовосстанавливающееся  кольцо (см. также FDDI). Такое кольцо состоит  из ряда узлов, которые связаны между  собой двухсторонними линиями связи, образующими кольцо и обеспечивающими  передачу сообщений по и против часовой  стрелки. Способность сетей SONET к  самовосстановлению определяется не только топологией, но и средствами управления и контроля состояния. При повреждении  трафик перенаправляется в обход, локально это приводит к возрастанию информационного  потока, по этой причине для самовосстановления сеть должна иметь резерв пропускной способности (как минимум двойной). Но, проектируя сеть, нужно избегать схем, при которых основной и резервный  маршрут проходят через одну и  ту же точку, так как они могут  быть, если не повезет, повреждены одновременно. Резервные пути могут использоваться для низкоприоритетных обменов, которые могут быть заблокированы  при самовосстановлении.

Сети SONET (и SDH) имеют 4 архитектурных уровня:

фотонный (photonic) - нижний уровень иерархии. Этот уровень  определяет стандарты на форму и  преобразование оптических сигналов, на электронно-оптические связи.

секционный (section) - предназначен для управление передачей STS-кадров (sonet) между терминалами  и повторителями. В его функции  входит контроль ошибок.

линейный (line) - служит для синхронизации и мультиплексирования, осуществляет связь между отдельными узлами сети и терминальным оборудованием, например линейными мультиплексорами, выполняет некоторые функции  управления сетью.

маршрутный (path) - описывает реальные сетевые  услуги (T-1 или T-3), предоставляемые пользователю на участке от одного терминального  оборудования до другого.

Существующие PDH-сети мультиплексируют каналы, используя  каскадную схему, показанную на рис.

Рис. PDH-мультиплесирование

SDH-иерархия  распространяется до 2500 Мбит/с и  может быть расширена вплоть  до 13 Гбит/с (ограничение оптического  кабеля). SDH предоставляет существенно  улучшенную схему мультиплексирования  каналов для быстродействующих  интерфейсов с полосой 150 Мбит/с  и выше:

обеспечивается  единый стандарт для мультиплексирования  и межсетевого соединения;

прямой доступ к низкоскоростным каналам без  необходимости полного демультиплексирования  сигнала;