Backbone – краткий обзор технологий


Алексей Полунин

Hits: 21310

Не только для подавляющего большинства пользователей сетей связи, но и для многих специалистов по телекоммуникациям магистральные сети представляются как нечто туманное и аморфное. Мы часто воспринимаем эти сети как данность, особенно не задумываясь, что они из себя представляют.

Особенности и требования

Последние годы стали временем бурного расцвета новых телекоммуникационных технологий, которые в первую очередь обращены на предоставление услуг абонентам сетей связи. И здесь безусловным лидером является IP-протокол, обретший второе дыхание. Как из рога изобилия посыпались варианты его современного использования, приукрашенные звонкими маркетинговыми терминами. Вспомним хотя бы – NGN, FMC, IMS… Ничего предосудительного в них нет, идеи заложенные в эти концепции весьма и весьма перспективны, но при их подробном рассмотрении не оставляет чувство "де-жавю" – где-то это уже встречалось.
Другой чертой современного телекоммуникационного рынка является поиск "killed application", некого "убийственного" приложения, ради которого абоненты всех сетей связи выстроятся в очередь, чтобы принести свои деньги оператору и повысить его ARPU. Стремление найти такое приложение начинает напоминать маниакальную страсть изобретателей вечного двигателя.
Если абстрагироваться от маркетинговых заклинаний и иллюзорных ожиданий, то не сложно заметить, что современные телекоммуникационные технологии и услуги отличаются существенной ресурсоемкостью в отношении пропускной способностью. И в этих условиях при проектировании и строительстве сетей связи становится важным определение потенциальных "бутылочных горлышек". Очень часто потенциальными местами затора трафика становятся не граничные устройства сети, обеспечивающие подключение конечных абонентов, а точки концентрации трафика и магистральные участки сети.
Все эти обстоятельства заставляют с особой тщательностью подходить к решению задач, связанных с построением опорной сети (backbone). В конечном итоге требования к ней сводятся к следующему: магистральная сеть должна быть устойчивой к отказам, гибкой, управляемой и масштабируемой, обеспечивать гарантированную доставку информации, поддерживать как передачу голоса, так и предоставление различных видов дополнительных услуг. Все эти свойства определяются используемыми технологиями и сетевым оборудованием.

Оптический "орнамент" сети

В настоящее время на физическом уровне транспортных сетей безусловным лидером является волоконно-оптический кабель (ВОК). Оптика позволила многократно увеличить пропускную способность систем связи. В лабораторных условиях она уже достигла нескольких терабит в секунду, а в реальных системах оценивается в сотни гигабит. Оптика обеспечивает гораздо большую дальность связи, чем медные провода. Типичное затухание в оптоволокне составляет менее 0,5 дБ на каждый километр, поэтому в современных транспортных сетях среднее расстояние между регенераторами составляет 80—150 км.
Еще одно достоинство волоконно-оптических кабелей — малые размеры и вес, благодаря чему упрощается и ускоряется прокладка такого кабеля. Кроме того, оптика не подвержена влиянию электромагнитных и электрических полей, которые буквально пронизывают индустриальные и урбанизированные районы. Такая толерантность к помехам позволяет применять для прокладки ВОК действующие линии электропередач и опоры контактных сетей железных дорог.
Как уже отмечалось, оптоволокно характеризуется малым затуханием, причем с увеличением длины световой волны затухание снижается. Но эта зависимость является нелинейной: существуют три провала, называемых окнами прозрачности, которые находятся в областях длин волн 850, 1300 и 1550 нм.
В последнее время широкое применение находят системы уплотнения длин волн, обеспечивающие одновременную организацию в окне прозрачности десятков каналов. Некоторые коммерческие системы поддерживают до 80 таких каналов, в каждом из которых достигается скорость до 40 Гбит/с. Подобные системы называют WDM или DWDM (Dence Wavelength Division Multiplexing), причем последнее имя в большей степени отражает их особенности.
По сути дела, DWDM — это оптический аналог хорошо известных систем частотного уплотнения. Ничего принципиально нового для DWDM придумано не было, однако уплотнение столь большого числа длин волн на столь высоких частотах потребовало прецизионной техники нового поколения. Разумеется, такие высокопроизводительные системы оказались весьма подходящими для создания магистральных сетей.

Принцип DWDM

 

1 – Оптический мультиплексор/демультиплексор

2 – Пара оптических волокон

3 – Устройство преобразования длины волны

4 – SDH

5 – Маршрутизатор

Конструкция кабеля во многом зависит от предполагаемых условий эксплуатации. Если, например, его планируется подвешивать на опорах контактной сети железных дорог, то он не должен иметь металлических элементов. И наоборот, кабели, предназначенные для закапывания в землю, защищают стальной бронированной оплеткой. В любом случае необходимо, чтобы конструкция кабеля обеспечивала надежную защиту оптоволокна и «воспринимала» все усилия по растяжению, скручиванию, сдавливанию и т. п.
В транспортных сетях операторов связи ВОК отводится значительная роль, так как создание ядра сети, передающего огромные объемы информации, невозможно без использования оптики. В принципе, допустимо применение медных кабелей, включая коаксиальные на магистральных участках, но сейчас эти решения себя уже не оправдывают.

Медь и радиорелейная связь

Широкое распространение систем связи на основе ВОК не исключает применения медных кабелей. Не везде можно проложить новые линии связи. Иногда (скажем, при подключении одной точки доступа) протяжка волоконно-оптических линий связи экономически нецелесообразна.
В таких случаях весьма кстати оказываются решения, позволяющие организовывать на базе существующей кабельной проводки каналы связи с высокой пропускной способностью. Для этого идеально подходят решения xDSL, особенно те, которые носят симметричный характер.
В первую очередь стоит отметить хорошо отработанные и широко распространенные решения HDSL (High bitrate Digital Subscriber Line). Оборудование HDSL позволяет по двум парам стандартного телефонного кабеля, применяемого для прокладки абонентских линий, передавать поток со скоростью 2 Мбит/с на расстояние до 6 км.
Однако использование двух пар для организации линии не всегда удобно, поэтому была разработана технология SDSL (Symmetric или Single Digital Subscriber Line), обеспечивающая по одной медной паре скорость до 2 Мбит/с в обе стороны. Существует и ряд разновидностей этой технологии, обеспечивающих адаптацию скорости в линии связи.
Другие члены семейства xDSL поддерживают разные скорости для каналов приема и передачи. Они разрабатывались с учетом требований доступа в Internet, присущих абонентскому участку, поэтому вряд ли стоит применять их в магистральных сетях операторов связи, где нет выраженной асимметрии трафика.
Другой технологией, разработанной очень давно, но до сих пор широко применяемой, в том числе в транспортных сетях, является радиорелейная связь. Она позволяет быстро развертывать линии связи и незаменима для организации резервных маршрутов, подключения базовых станций в районах со слабой телекоммуникационной инфраструктурой или при временном (скажем, сезонном) размещении узлов доступа. Радиорелейные линии связи целесообразно использовать в пригородных и сельских районах: там гораздо меньше плотность абонентов и прокладка кабелей невыгодна.

Марширующие контейнеры

Сама по себе кабельная инфраструктура не способна передавать информацию, для этого существуют системы передачи. В последние десять лет на уровне транспортных сетей безраздельно властвует технология SDH (Synchronous Digital Hierarchy) — синхронной цифровой иерархии. Несколько лет назад о ней достаточно много писали, но сейчас, когда блестящие перспективы открываются перед протоколом IP и системами связи на его основе, интерес к SDH несколько упал. На мой взгляд, совершенно напрасно, так как, несмотря на попытки создания транспортных систем на основе IP, практически весь объем IP-трафика в мире передается поверх SDH. Впрочем, это справедливо и для трафика АТМ.
Технология SDH смогла стать основой для современных цифровых сетей во многом благодаря хорошей проработке стандартов. Данная технология описывается в многочисленных рекомендациях ITU-T серии G, европейского (ETSI) и американского (ANSI) институтов стандартизации. Очень важно, что все эти спецификации совместимы друг с другом.
Структура сигналов SDH представляет собой синхронный транспортный модуль STM-N, где число N характеризует уровень SDH. В настоящее время широко используются системы STM-1, STM-4, STM-16 и начали внедряться системы STM-64. Нетрудно заметить, что они построены с кратностью 4. Таким образом, сформировалась определенная иерархия скоростей передачи, которая представлена в таблице.

Синхронная цифровая иерархия

Уровень модуля

Скорость, кбит/с

STM-1

155 520

STM-4

622 080

STM-16

2 488 320

STM-64

9 953 280

В качестве полезной нагрузки сети, построенной на основе SDH, могут передаваться сигналы PDH, ячейки АТМ и любые другие, в том числе неструктурированные цифровые потоки, имеющие скорость от 1,5 до 140 Мбит/с. Такая универсальность обеспечивается применением контейнеров, переносящих по SDH-сети сигналы нагрузки.
Сеть SDH любой сложности строится из довольно ограниченного набора функциональных узлов. С их помощью выполняются все операции передачи информации и управления сетью.
Основным функциональным узлом SDH является мультиплексор, предназначенный для организации ввода/вывода цифровых потоков с полезной нагрузкой. Различают два типа мультиплексоров: терминальные и ввода/вывода. Основное различие между ними заключается в их расположении в сети.
Ряд функциональных узлов (таких как регенераторы, оборудование линейных трактов и радиорелейных линий) обеспечивают функционирование собственно линий передачи сети SDH. Кросс-коннекторы применяются при объединении транспортных сетей или при наличии сложной топологии сети. Функции локальной коммутации может выполнять не только специализированное оборудование, но и обычный мультиплексор.
Обязательный функциональный узел любой серьезной сети SDH — система управления, которая обеспечивает мониторинг и управление всеми элементами сети и информационными трактами.
Используются две типовые схемы построения сетей SDH: «кольцо» и «цепь». Их основой является применение мультиплексоров. В «кольце» задействуются только мультиплексоры ввода/вывода (ADM — Add/Drop Multiplexer), а в «цепи» — мультиплексоры терминальные (TM — terminal multiplexer) и ввода/вывода. Как видно из рисунка, каждый мультиплексор имеет по две пары магистральных выходов, одна из которых называется «восток», а другая — «запад». С их помощью обеспечивается реализация различных схем резервирования или защиты.

Типовые схемы построения сетей SDH

 

1 – ADM

2 – TM

3 – Кросс-коннектор

Схемы защиты типа «1:1» и «1+1» подразумевают организацию двух встречных потоков. В первом случае на приеме анализируются сигналы с каждого направления, и лучший из них выбирается для дальнейшей обработки. При использовании второй схемы стоят два кольца — основное и резервное. При сбоях в основном кольце происходит переключение на резервное, а в случае разрыва кольца или выхода из строя мультиплексора образуется новое кольцо за счет организации заворотов на границах поврежденного участка. Применяя рассмотренные типовые схемы или их разновидности, можно создать сеть SDH любой архитектуры и сложности.
В транспортных сетях операторов связи технология SDH наиболее оптимальна на магистральных участках внутри города и при объединении территориально разнесенных фрагментов сети.

Маршрутизируемые пакеты

До недавнего времени в сетях операторов циркулировала в основном речь, а для нее наиболее органичной является коммутация каналов. Именно поэтому столь широкое распространение получили сети SDH, которые, несмотря на пакетно-контейнерную упаковку информации, ориентированы на канальный принцип передачи.
Однако сейчас в сетях связи передача данных и доступ в Internet становятся основным видом сервиса. Для передачи трафика данных по магистральным линиям связи раньше чаще всего применялись сети Х.25, frame relay или АТМ. Эти хорошо известные протоколы уже достаточно давно используются. Первыми появились сети Х.25, которые (благодаря поддерживаемому ими контролю за ошибками на канальном и сетевом уровнях) обеспечивали надежную передачу по некачественным линиям связи. Однако они работали довольно медленно, так как на каждом из участков сети проводилась проверка приема и запрашивалась повторная передача искаженных пакетов.
По мере роста надежности каналов связи на смену решениям Х.25 пришли сети frame relay. Их особенность — обеспечение высокой пропускной способности при малых временах задержки. Контроль осуществляется лишь в конечных точках маршрута. Образуется виртуальный канал, для которого можно задавать гарантированную пропускную способность.
Особое место в сетях передачи данных заняла технология АТМ. В ней суммированы лучшие черты коммутации каналов и коммутации пакетов. Эта технология позволяет легко масштабировать скорости передачи, гарантировать пропускную способность для сигналов, чувствительных к задержкам. Ее можно использовать в сетях с различной реализацией физического и канального уровней. За счет пакетов малой длины легко обеспечивается предсказуемость задержки, что свойственно сетям с коммутацией каналов, а благодаря наличию заголовка пакета поддерживается сетевая маршрутизация.
К сожалению, технология АТМ не сумела занять достойного места на телекоммуникационном рынке. Хотя первые разговоры о ней начались еще в начале 70-х годов, процесс стандартизации чрезвычайно затянулся. В настоящее время область применения АТМ сходит на нет.
Пока пытались стандартизировать АТМ, на телекоммуникационном небосклоне, взошло семейство протоколов TCP/IP. Не будем обсуждать их достоинства и недостатки, поскольку важно другое: эти протоколы стали доминирующими в современных сетях передачи данных. Сейчас они "обратили свое внимание" на сети, ориентированные на передачу изохронного трафика, проще говоря — речевых и видеосигналов.
То обстоятельство, что в современных сетях подавляющая часть информации передается с помощью протокола IP, заставляет иначе взглянуть на его роль в транспортных сетях. Передавая IP-пакеты непосредственно по оптическому волокну, мы можем значительно повысить эффективность систем связи, ведь до сих пор для этого использовался сервис SDH или АТМ.
Одно из решение этой проблемы было найдено компанией Cisco Systems, которая предложила новую технологию передачи IP-пакетов по магистральным сетям — DPT (Dynamic Packet Transport). Нелишним будет вспомнить главные достоинства DPT.
Во-первых, сети DPT имеют кольцевую топологию и состоят из двух колец, по которым информация передается навстречу друг другу. При повреждении кольца происходит «замыкание» поврежденного участка и вновь образуется кольцо. Весьма похоже на работу двойного кольца FDDI.
Во-вторых, в технологии DPT используется формат цикла STM-1, характерный для сетей SDH, что позволяет применять для транспортировки сигналов DPT оборудование SDH старших уровней иерархии. Обеспечиваются не только плавная миграция от SDH к DPT, но и «мультисервисность» самих сетей SDH.
В-третьих, DPT имеет уникальный механизм регулирования пропускной способности без маршрутизации. С позиций протокола IP сеть DPT любого масштаба является одной подсетью, что обеспечивает максимально возможную скорость передачи информации.
В настоящее время технология DPT способна поддерживать сети, состоящие из 128 узлов и работающие на скоростях STM-64.

Как видно из нашего небольшого обзора, в транспортных сетях операторов связи можно применять достаточно много технологий, решая с их помощью любую задачу, связанную с обеспечением качественного и безотказного обслуживания абонентов. А в связи с предстоящим переходом к услугам третьего поколения или NGN/IMS роль транспортных сетей будет неизбежно возрастать.


Комментарии (0):

Добавить комментарий

 
Ваше имя:
Ваш комментарий:
Решите задачку (ответ напишите цифрами):
Два + Семь =

 
 
 
Наверх