## Модели транспортных сетей

Каждая модель достаточно подробно представлена в соответствующих рекомендациях ITU-T.
В структурах моделей определены функциональные уровни: физический, трактов и каналов.
Физический уровень. Данный уровень образован средой передачи сигналов (волоконно-оптической линией, медной линией, радиолинией) и секциями – участками, где происходит регенерация (ретрансляция) сигналов и мультиплексирование (объединение и разделение) различных сигналов. Благодаря наличию секции регенерации (ретрансляции) удается «очистить» сигнал от искажений и помех. Организация секций мультиплексирования позволяет эффективно использовать физическую среду за счет временного разделения передачи каналов. При этом можно реализовать резервирование любой секции мультиплексирования, если предусмотреть дополнительную физическую цепь, оборудование для передачи сигналов по ней и оборудование автоматического переключения.

Модель транспортной сети SDH (G.707,G.783,G.803,G.805,G.957,G.958,G.703)
Уровень каналов | Цифровые каналы E1, E3, E4
Уровень трактов | Тракты виртуальных контейнеров VC-12
Тракты виртуальных контейнеров VC-3, VC-4
Физический уровень | Секции мультиплексирования и регенерации
Физическая среда

Модель транспортной сети ATM (I.326,I.327,I.361,I.731,I.432,G.804,I.311)
Уровни АТМ | Виртуальные каналы |
Виртуальные тракты
Физический уровень | Цифровая секция (тракт)
Секции мультиплексирования и регенерации
Физическая среда

Модель транспортной оптической сети OTN(G.681,G.691,G.692,G.871,G.872,G.959.1)
Уровень каналов
Уровни трактов | Другие электрические тракты | Тракты SDH
Оптические транспортные системы
Уровни оптической сети | Секции оптического мультиплексирования
Оптическая ретрансляция
Оптоволоконная линия

Рисунок 1. Модели транспортных сетей.

Физический уровень оптической транспортной сети имеет свою особенность, которая состоит в том, что все преобразования сигналов (усиление, ретрансляция, объединение и разделение, ввод/вывод) производятся исключительно оптическими средствами. Таким способом достигаются наивысшие скорости передачи информационных данных – от десятков Гбит/с до десятков Тбит/с. В физической среде, представляемой одномодовым стекловолокном, объединяются (мультиплексируются) множество оптических несущих частот (от 2 до 132 и более), каждая из которых модулирована информационным сигналом.
Уровень трактов. Тракты каждой транспортной сети создаются, чтобы обеспечить сквозное прохождение информационных сигналов. Через физические цепи могут передаваться строго циклические цифровые потоки в виде двоичных импульсных последовательностей, сформированных из различных сигналов. Каждому сигналу отведены в циклах временные позиции. Эти позиции могут быть закреплены за соединениями – маршрутами в сети. В сети SDH маршруты прописываются в заголовках циклически передаваемых данных под названием виртуальные контейнеры (VC-12, VC-3, VC-4). При этом виртуальные контейнеры VC-12 могут быть объединены в блоки данных и помещены в VC-3, VC-4, имеющие большую емкость, но отправляемые также циклически , как VC-12.
Тракты в сети ATM отличаются от трактов сети SDH тем, что они образуются только при наличии информационного сообщения, а в его отсутствии физические ресурсы транспортной сети отдаются для передачи других сигналов. По этой причине путь следования данных в сети ATM называют виртуальным. Он прописывается в специальных таблицах коммутатором ATM и ячейках, переносящих информационные сообщения. По данным таблиц считываются заголовки ячеек ATM для каждого участка сети, и происходит маршрутизация групповых информационных потоков.
Маршруты в оптической транспортной сети определяются номиналами несущих частот оптического диапазона. При этом частота может быть одной и той же или изменяться на разных участках сети, однако маршрут следования информационных данных сохраняется.
Уровень каналов. Для любой из рассмотренных моделей транспортных сетей этот уровень выполняет функции интерфейса со вторичными сетями (коммутаторами телефонных, широкополосных, компьютерных сетей и т.д.). Как правило, на уровне каналов создаются типовые электрические и оптические интерфейсы. Примеры этих каналов: Е1 для скорости передачи 2,048 Мбит/с; Е2 для скорости передачи 8,448 Мбит/с; Е3 для скорости передачи 34,368 Мбит/с; Е4 для скорости передачи 139,264 Мбит/с; STM-1 для скорости передачи 155,520 Мбит/с.
Транспортные сети, построенные в соответствии с различными моделями, совместимы между собой на уровнях каналов или трактов.

Модель транспортной сети SDH

Модель транспортной сети SDH определена рекомендацией G.803 «Архитектура транспортных сетей, основанных на синхронной цифровой иерархии» (06/1997) и базируется на основных положениях рекомендаций G.707 «Интерфейсы сетевых узлов для SDH» (06/1996), G.783 «Характеристики функциональных блоков оборудования SDH» (06/1997) и G.841 «Типы и характеристики архитектур защиты сетей SDH» (07/1995).
Моделью определяются возможности каждого уровня сети.
По определению ITU-T, SDH – это иерархия цифровых транспортныхструктур, стандартизированных для транспортировки соответственно адаптированной полезной нагрузки к физическим сетям передачи.
Иерархия SDH представлена в таблице 3 синхронными транспортными модулями STM-N (Synchronous Transport Modul, N=0, 1,4,16,64,256).

Таблица 3. Иерархия синхронных транспортных модулей.
Уровень PDH | Номинальная скорость передачи, кбит/с | Длительность цикла, мкс
STM-0 | 5184 | 125
STM-1 | 155520 | 125
STM-4 | 622080 | 125
STM-16 | 2488320 | 125
STM-64 | 9953280 | 125
STM-256 | 39813120 | 125

Базовым уровнем принято считать (по определению ITU-T) STM-1, т.к. скоростные режимы передачи последующих STM-N получены простым умножением на 4, 16, 64, 256. Уровень STM-0, принятый ANSI за базовый для северной Америки, составляет третью часть STM-1.
SDH позволяет при любой текущей скорости передачи данных, прежде всего плезиохронных (исключая 8,448 Мбит/с), преобразовывать их в данные виртуальных контейнеров, которые в свою очередь, можно объединять в стандартные форматы (структуры), чтобы формировать STM-N.
C-n, n=11,12,2,3,4 – контейнер, блок данных, предназначенный для транспортировки через сеть в составе STM-N сигналов со скоростями от 1,5 Мбит/с до 140 Мбит/с. Число n указывает на исходную нагрузку. В европейских стандартах принято переносить данные 2 Мбит/с, 34 Мбит/с, 140 Мбит/с. Чаще всего применяется контейнер C-12, в который асинхронно распределяются данные по скорости 2048 кбит/с. При этом выполняются операции согласования скоростей контейнера и поступающих данных.
VC-n, n=11, 12, 2, 3, 4 – виртуальный контейнер, это контейнер с определенным маршрутом передачи через сеть. VC-n – это контейнер плюс заголовок маршрута POH (Path Over Head).
Виртуальные контейнеры нижнего порядка (VC-n, n=1,2) составляются из базовых контейнеров C-n, n=1, 2.
Виртуальные контейнеры высокого порядка VC-n, (n=3,4) составляются либо из базовых контейнеров (C-n, n=3,4), либо из набора групп блоков, образованных из транспортных блоков TUG (Tributary Unit Groups) вместе с POH. POH верхнего порядка включает информацию о составе VC-n нижнего порядка.
TU-n, n=1,2,3 – транспортный блок, включает виртуальный контейнер и указатель. Он предназначен для адаптации между уровнями маршрута нижнего и верхнего порядка. Значение указателя указывает фазу выравнивания виртуального контейнера по отношению к указателю TU-n.
TUG-n, n=2 или 3 – группа транспортных блоков, формируемая группой идентичных блоков с виртуальными контейнерами, позволяет конструировать нагрузки со смешанной пропускной способностью.
AU-n, n=3 или 4 – административный блок, состоит из виртуального контейнера VC-n (n=3,4) плюс указатель административного блока и обеспечивает адаптацию между маршрутами высокого порядка и уровнем секции мультиплексирования. Значение указателя отмечает фазу выравнивания виртуального контейнера VC-n по отношению к циклу STM-1 (STM-N). Значение указателя фиксируется внутри STM-1.
AU-4 помещается прямо в AUG, который вместе с секционным заголовком SOH (Section Over Head) формирует STM-1 и STM-N.

Рисунок 2. Общая схема мультиплексирования SDH.

Схема мультиплексирования SDH полностью отражает модель транспортной сети SDH. В качестве основной среды передачи по битам STM-N признана среда с одномодовым оптическим кабелем. Вид линейного сигнала это скремблированный без возвращения к нулю на тактовом интервале (скремблированный – NRZ, non return to zero) – первый всемирный стандарт на передачу сигналов в оптических линиях. Альтернативной средой передачи STM-1 (только) может служить радиорелейная линия или линия с медным коаксиальным кабелем. На короткие расстояния возможна передача атмосферными оптическими сигналами (менее 1 км). На физическом уровне транспортной сети SDH возможна организация защиты секции мультиплексирования. Для этого в составе MSOH предусмотрены байты управления K1, K2. Для организации защиты требуется другая альтернативная секция мультиплексирования, которая строится параллельно основной рабочей, но с некоторым географическим разнесением.
Сеть SDH, получая информационные данные в виде известных скоростных режимов, формирует из них блоки данных, т.е. преобразует последовательную битовую передачу в транспортные блоки. Эти транспортные блоки в виде циклов STM-N также побитно передаются с высокими скоростями в физической среде, однако при этом имеют эффективную защиту от ошибок передачи.

Модель транспортной сети ATM

Модель транспортной сети ATM определена рекомендацией I.326 «Функциональная архитектура транспортных сетей, основанных на ATM» (11/1995) и базируется на основных положениях ряда других рекомендаций: G.805 «Общая функциональная архитектура транспортных сетей» (1995), I.311 «Общие сетевые аспекты B-ISDN» (1993) и других. Моделью определяются возможности более эффективно использования ресурсов цифровых транспортных сетей, в частности сетей SDH. Это достижимо благодаря переходу к передаче информационных пакетов (ячеек), формируемых из данных реального трафика при его поступлении. Таким образом, в физической транспортной сети не происходит распределение ресурсов (емкостей) передачи на фиксированной основе за пользователями, как это имеет место в SDH сети. Физический ресурс (емкость) транспортной сети ATM остается общим и предоставляется только на время передачи информации любого вида (речи, видео, данных), т.е. несинхронно (асинхронно) к переносящей среде. Кроме того, эффективность повышается за счет процедур предварительной обработки данных (процедур исключения избыточности в сигнале), например, сжатия.
Физический уровень модели транспортной сети ATM чаще всего ассоциируется с сетью SDH, поэтому рассмотрим сущность выше расположенных уровней (виртуального канала и виртуального тракта).
ATM – это пакетная технология коммутации, мультиплексирования и передачи, использующая пакеты малой и фиксированной длины, которые называют ячейками ATM. Формат ячейки приведен на рисунке 3. В ячейке постоянной длины 53 байта (октета), информация пользователя помещается в 48 байт, а заголовок ячейки, 5 байт, содержит информацию для передачи, мультиплексирования и коммутации в сети. Ячейки, передаваемые очень большими скоростями, например, 155 Мбит/с или 622 Мбит/с, обеспечивают сети гибкость и эффективность использования ресурсов.

Рисунок 3. Структура ячейки ATM.

Технология ATM определена ITU-T как технология с ориентацией на соединение, т.е. до передачи ячеек с данными между двумя оконечными узлами должно быть установление соединения. Для этого пользователь информирует сеть с помощью сигнальной системы о требованиях в отношении качества услуг (пиковое или среднее значение скорости передачи или ширины полосы частот). Сеть с помощью сигнальной системы образует соединение через все промежуточные узлы. Соединение должно соответствовать требованиям пользователя. Если выделенная скорость передачи соответствует пиковой, то ATM не дает никаких преимуществ по сравнению с STM, которая работает с пиковыми значениями. Если выделенная скорость передачи меньше пиковой, то возрастает вероятность возникновения перегрузки сети. Для устранения перегрузок необходимо применение механизмов контроля перегрузок и управления трафиком.
Сеть ATM не только ориентирована на соединения, она может поддерживать передачу данных без установления соединения, т.е. дейтаграммный режим. В случае если в сеть ATM не поступает нагрузки, по ней передается непрерывный поток пустых ячеек, которые могут заполнять пространство и между информационными ячейками.
Последовательность принимаемых ячеек в точке назначения одинакова последовательности ячеек, посылаемых от источника. В других пакетных сетях это условие необязательно.
Технология ATM обеспечивает приспосабливание скорости передачи к скорости генерации ячеек, что позволяет рационально использовать емкость сети. Таким образом, при снижении скорости передачи одним источником может быть организована или увеличена скорость передачи другими источниками, т.е. мультиплексирование имеет статистический характер. Такое мультиплексирование ячеек обеспечивает простую интеграцию разной исходной информации по одному каналу (тракту), что является одним из основных достоинств ATM.
Но существуют и недостатки ATM. При передаче ячеек наблюдается неравномерность отклонения времени передачи ячеек CDV (Cell Delay Variation). При сборке и разборке ячеек наблюдается отклонение во времени CAD (Cell Assembly/Reassembly Delay).
CDV возникает в очередях ожидания в коммутации и мультиплексорах, в результате чего изменяется интервал между двумя соседними ячейками. CAD появляется потому, что информационные данные записываются временно в память до их упаковки в ячейку. Время ожидания в памяти зависит от скорости генерирования данных.
Однако главный недостаток ATM состоит в том, что должна обеспечиваться значительная избыточность при установлении соединения, даже в случае передачи нескольких ячеек, что эффективнее реализуется в дейтаграммных сетях.
ATM не зависит от реализации физического уровня, т.е. ячейки можно передавать внутри STM-N, цикла PDH и другими способами.
Важнейшая функция ATM – коммутация. Она осуществляет:

- контроль запросов на соединение;
- контроль перегрузки сети;
- распределение ресурсов сети между пользователями;
- контроль трафика сети (пиковой или средней скорости) и другие.
  Функции ATM выстроены относительно ячеек ATM.
  Вид ячейки зависит от информации в поле данных (48 байт), получаемой от адаптационного устройства. Различают следующие виды ячеек:
- пустая (свободная) ячейка, выравнивает общий поток ячеек;
- присвоенная (определенная) ячейка, обеспечивает определенные услуги электросвязи по переносу трафика;
- исправная ячейка, имеет заголовок без ошибок в физическом уровне;
- неисправная ячейка, заголовок которой содержит ошибки, которые на физическом уровне не устранены;
- неприсвоенная ячейка, ячейка уровня ATM, которая не присвоена трафику, но имеет значения VPI и VCI;
- ячейка сигнализации, переносит информацию сигнального назначения между уровнями сигнализации;
- ячейка управления, может функционировать отдельно на виртуальный канал и виртуальный путь.
  Центром внимания в транспортной сети ATM выступают виртуальный путь и виртуальный канал.
  Виртуальный канал – основное понятие, описывающее однонаправленную передачу ячеек ATM.
  Заголовок каждой ячейки содержит обозначение в идентификаторах VPI и VCI, которые точно определяют, какому виртуальному каналу и виртуальному пути принадлежит ячейка.
  Идентификаторы VCI и VPI используются при коммутации. Именно они обеспечивают уникальный, т.е. единственный адрес ячейки в сети транспортировки. Каждый участок сети между коммутаторами содержит в памяти таблиц маршрутизации идентификаторы определенных соединений. Ячейки, проходя через коммутаторы, меняют маршруты и, естественно, заголовки. Для каждого соединения виртуального канала маршрутная таблица формируется в среде установления вызова с помощью сигнальной системы или оператором сети.
  Виртуальный путь – общее понятие, описывающее путь каналов (виртуальных каналов) с теми же самыми оконечными пунктами. В отличие от коммутации виртуальных каналов, в узлах, в которых производится коммутация виртуальных путей, значения VCI проходят через узел прозрачно. Виртуальные каналы внутри одного виртуального пути имеют одни и те же VPI.
  Транспортные сети ATM, построенные на основе виртуальных путей и каналов, могут поддерживать различные конфигурации сетей с различным требуемым числом каналов заданной пропускной способности. Разделение транспортных функций на функции каналов и путей – важная особенность ATM. При установлении соединения из конца в конец, пользователю нужен виртуальный канал. Виртуальные каналы одного пользователя или многих группируются в виртуальные пути. Через сеть соединение коммутируется в нескольких узлах ATM. Некоторые узлы коммутируют виртуальные пути, другие коммутируют пути и каналы.
  При коммутации каналов и виртуальные пути, и виртуальные каналы заканчиваются в узле, т.е. изменяются оба значения VCI и VPI. Если производится коммутация виртуального пути, то в узле заменяются только VPI.
  Виртуальные пути и каналы являются предметом управления. Для этого в каждом канале и пути организуется передача служебных ячеек функций управления (наблюдения за качеством передачи).
  При организации управления важнейшими функциями считаются:
- определение перегрузки коммутаторов и образование очередей на коммутацию;
- управление потоком трафика в пути и в канале;
- оценка качества передачи информации (по задержкам передачи, по вариациям задержки передачи, по потерянным ячейкам и т.д.).
  Модель оптической транспортной сети OTN (Optical Transport Network)

  Возможности построения оптических транспортных сетей рассмотрены в фундаментальных рекомендациях ITU-T G.872 «Архитектура оптических транспортных сетей». Основной целью создания оптических транспортных сетей (OTN) признано резкое увеличение эффективности использования существующих и перспективных волоконно-оптических линий связи (ВОЛС). При реальной пропускной способности существующих ВОЛС в десятки Тбит/с фактические скорости передачи не превышают 2,5-10 Гбит/с, что обусловлено физическими ограничениями передачи оптических импульсов. Эти ограничения определяются хроматической и поляризационной дисперсией в одномодовом кабеле. Реальными путями преодоления этого ограничения признаны методы мультиплексирования оптических сигналов с разделением по длине волны, известные как WDM (Wavelength Division Multiplexing), и передачей оптических солитонов, т.е. специальной формы оптических импульсов, которые за счет большой энергии способны преодолевать уширение, вызываемое дисперсией.
  Принятые рекомендации ITU-T и стандарты ANSI, ETSI отражают точку зрения на построение сетей оптической транспортировки на основе WDM. Все необходимые компоненты для создания сетей WDM в настоящее время разработаны. Эти компоненты образуют уровень среды WDM в модели транспортной оптической среды.
  Основными компонентами среды WDM принято считать:

- стекловолоконный световод, используемый в одномодовом режиме в окнах прозрачности стандартных волокон (согласно G.652, G.653, G.654, G.655) 1280-1360 нм и 1430-1580 нм и волокно типа All Wave, которого сглажены выбросы затухания и определены диапазоны использования;
- указанные стекловолокна соответствуют рекомендациям по величине дисперсии в указанных диапазонах (от 3 до 20 пс/нм*км);
- оптические усилители (полупроводниковые, эрбиевые, нелинейные);
- оптические мультиплексоры и демультиплексоры;
- оптические переключатели и кроссовые коммутаторы;
- оптические регенераторы;
- компенсаторы дисперсионных искажений;
- оптические выравниватели частотных характеристик передачи;
- оптические фильтры, циркуляторы и многие другие компоненты. В оптической транспортной сети могут быть образованы оптические тракты, которые используются для загрузки информационными сигналами различного происхождения (PDH: E1, E2, E3, E4; SDH: STM-N, VC-4/VC-3, ячейки ATM, пакеты IP и т.д.). При этом каждый оптический тракт самостоятелен в организации, кроссовых переключениях, обслуживании.
  Для каждого тракта выделяется отдельная оптическая несущая волна. Распределение волн приведено в рекомендации МСЭ-Т G.692.Частотный интервал между волнами может составлять 1000 ГГц, 600 ГГц, 400 ГГц, 200 ГГц, 100 ГГц, 50 ГГц, 25 ГГц. Оптическая секция мультиплексирования обеспечивает объединение/разделение этих волн. На каждой волне образуется система передачи. В оптической секции образуется модуль с несущими частотами (n-несущих), который сопровождается сервисным оптическим сигналом. Для обслуживания каждого оптического тракта (системы передачи) может быть применен пилот-тон.
  При организации волновых трактов оптической сети возможны две разновидности трактов: волновой физический тракт и волновой виртуальный тракт.
  Для преобразования длин волн в узлах оптической сети могут применяться оптические волновые конверторы, в которых нет преобразований оптических сигналов в электрические, и транспондеры, которые преобразуют входящие оптические сигналы в электрические и снова в оптические с заданной длиной волны на выходе.
  Узлы кроссовой коммутации могут быть выполнены как на основе быстродействующих оптических коммутаторов, так и с использованием электромеханических, медленных переключателей – маршрутизаторов. Основой последнего является управляемая электрооптическая ячейка, которая может изменить маршрут световой волны при приложении электрического напряжения к металлическим контактам, расположенным вблизи волноводных каналов. Каждый кроссовый коммутатор оснащается таблицей маршрутизации волновых трактов.
  Оптические транспортные сети позволяют прейти от многоуровневых протокольных решений по транспортировке к двухуровневой схеме «нагрузка-транспортировка», которая может иметь более простое управление, чем многоуровневая многопротокольная архитектура IP/ATM, SDH, OTN.