Transcript pdh, sonet/sdh, pon

Цифровая передача данных
Литература по данной лекции:
 http://opticovolokno.narod.ru/list/opt.html ("Оптоволоконная
цифровая передача")
 http://donwolf88.narod.ru/CSK/CSK_menu.htm ("Цифровые сети
связи")
 Г.Хелд. Технологии передачи данных.
 International Engineering Consortium (IEC). Synchronous Digital
Hierarchy.
 Семенов Ю.А. Телекоммуникационные технологии.
http://book.itep.ru/4/41/pon.htm
Rev. 2.00 / 25.03.2013
Petrozavodsk State University, Alex Moschevikin, 2004
NETS and OSs
Передача звука в цифр. форме
От АТС к абоненту и обратно звуковой сигнал передается в аналоговом виде. А
по соединительным линиям между АТС, городским, зоновым и магистральным
линиям сообщения – в цифровой форме. Для этого аналоговый телефонный
сигнал подвергается преобразованию в цифровой поток методом импульснокодовой модуляции (ИКМ).
В результате сигнал превращается в поток информации в виде двоичных
символов со скоростью передачи 64 кбит/с (канал называется "Основной
цифровой канал" (ОЦК) или DS0 по международной классификации).
125 мкс, 8 кГц
Petrozavodsk State University, Alex Moschevikin, 2004
Теорема Котельникова
T<1/(2F)
Частота дискретизации должна
быть как минимум вдвое больше
частоты сигнала.
NETS and OSs
Передача звука в цифр. форме
Согласно требованиям ГОСТ и нормам международного комитета ITU-T
исходный аналоговый телефонный канал занимает полосу передаваемых частот
от 300 до 3400 Гц.
G.711 – 8 бит * 8 кГц = 64 kbps
G.722, G.722.1, G.722.2 – 16 бит * 8 кГц + сжатие = 8-24 kbps
Petrozavodsk State University, Alex Moschevikin, 2004
NETS and OSs
TDM
TDM (Time Division Multiplexing) - временное
мультиплексирование с разделением каналов.
При формировании групповых каналов для
нескольких цифровых потоков выделяются
кванты времени, в течение которых в среду
передачи отсылается их информация.
1
MX 1 2 3 1
MX
2
3
В групповом канале скорость передачи выше и определяется количеством
мультиплексируемых каналов (например, DS0).
Plesiochronous Digital Hierarchy (Цифровые линии Европы):
Канал E1 (2048 кбит/с, 30 информационных каналов DS0 + 2 канала
синхронизации и управления)
Канал E2 (8448 кбит/с, 120 информационных каналов DS0 +…)
Канал E3 (34368 кбит/с, 480 информационных каналов DS0 +…)
Канал E4 (139264 кбит/с, 1920 информационных каналов DS0 +…)
Для США и Канады стандарты на групповые каналы T1, … подразумевают
мультиплексирование 24 (а не 30) каналов DS0 с результирующей
скоростью 1.544 Мбит/с .
Petrozavodsk State University, Alex Moschevikin, 2004
NETS and OSs
Синхронизация устройств
Для иерархии PDH тактовые частоты устройств одного уровня, тем более
удаленных систем, не обязательно должны быть синхронизованы (так
называемая плезиохронная передача, "плезио" - "почти"). Кроме того, могут
немного не совпадать тактовые частоты мультиплексируемых каналов.
Для выравнивания количества передаваемых символов в групповом потоке
возможны либо вставки бит, либо их изъятие.
Использование таких методов при передаче звука приводит к появлению
щелчков в динамиках, для передачи трафика ЛВС такие методы мало
пригодны.
входной сигнал с ЗГ 1
входной сигнал с ЗГ 2
отсчеты времени
Petrozavodsk State University, Alex Moschevikin, 2004
NETS and OSs
Применение систем PDH
Системы, построенные по технологии плезиохронной передачи,
нашли свое применение, в основном, в телефонии для связи двух и
более АТС городского и более высоких уровней. Среда
распространения в этом случае была либо медный кабель
(коаксиальный), либо радиорелейные линии.
Соответствующая аппаратура для линий E1 и Е2 вследствие
затухания и малой полосы пропускания допускала отрезки не более 5
км., а для Е4 - не более 1.5 км. Это обстоятельство, а также порча
сигнала (вставка/изъятие битов) и невозможность выделения
определенного канала (например, DS0) из потока Е2 без полного
последовательного демультиплексирования не способствовали
процветанию систем PDH.
Тем не менее, благодаря применению оптоволокна, увеличению
длины безрегенераторных участков до десятков километров и
уменьшению количества регенераторов, общая стоимость аппаратуры
PDH снизилась и системы на ВОЛС получили широкое
распространение.
Petrozavodsk State University, Alex Moschevikin, 2004
NETS and OSs
Синхронные сети SDH
Невозможность создания глобальных линий связи на технологии PDH
способствовала появлению нового стандарта Синхронной Цифровой
Иерархии (Synchronous Digital Hierarchy), решение о работах над которым
было принято в ITU в 1988 году. В США и Канаде такие сети называются
Synchronous Optical Networks (SONET).
Разработчики SDH постарались сделать ее совместимой с PDH, создав канал
минимальной скорости 155.52 Мбит/с, добавив избыточность к каналу E4 (в
PDH 140 Мбит/с). Минимальная скорость по стандарту SONET имеет
название Optical Carrier-1 (OC-1) и имеет скорость передачи 51.84 Мбит/с.
Основной транспортной единицей в сетях SONET/SDH принят канал STM-1
(Synchronous Transfer Module).
STM-1
155.520 Мбит/с
STM-4
622 Мбит/с
STM-16
2488 Мбит/с
STM-64
9.95 Гбит/с
STM-256
39.8 Гбит
Petrozavodsk State University, Alex Moschevikin, 2004
NETS and OSs
Синхронизация сети SDH
В отличие от плезиохронных, в сетях SDH используется центральный
опорный генератор синхрочастоты, вследствие чего средняя частота всех
местных задающих генераторов достаточно синхронна.
Именно жесткая синхронизация дает возможность выделения (или ввода)
цифровых потоков любого уровня из (в) потоков более высоких уровней, даже,
например, поток Е1 (2 Мбит/с) из потока STM-1 (155 Мбит/с).
ЗГ 1 уровня, атомный генератор с
нестабильность 10-13 - 10-14
ЗГ 2,
10-9
ЗГ 3,
10-6
Горизонтальные
связи
обеспечивают
надежность сети
SDH
ЗГ 2,
10-9
ЗГ 3,
10-6
ЗГ 3,
10-6
Petrozavodsk State University, Alex Moschevikin, 2004
ЗГ 3,
10-6
NETS and OSs
Структура потоков PDH и SDH
PDH
Для системы PDH, применяемой в США и Канаде, кадр T1 включает в себя
24 байта из каналов DS0, начинающихся с стартового служебного
(синхронизующего) бита: 1B1B2B3…B24 (такой кадр формируется каждые
125 мкс для канада DS1).
Кадр ESF (Extended SuperFrame) состоит из 24 кадров T1: Т1Т2Т3…Т24
Разделяющие каждые 24 байта биты (их всего 24 по числу кадров Т1 в
суперкадре ESF) используются для синхронизации (6 бит), передачи CRC (6),
формирования соединения (12).
SONET/SDH:
Кадр SONET (скорость передачи 51.84 Мбит/с) состоит из 9 строк по 90 байт.
Первые три байта в каждой строке содержат информацию (в виде
указателей), позволяющую выделить потоки низких скоростей (напр., DS0), а
также данные, используемые для управления сетью, о контроле ошибок и
информации о производительности.
Топология SONET/SDH
Чаще всего сети SONET/SDH используют топологию точка-точка, либо
кольцо (поддерживаются алгоритмы сворачивая колец для обеспечения
отказоустойчивости).
Petrozavodsk State University, Alex Moschevikin, 2004
NETS and OSs
Схема использования SDH
ISDN
ISDN
АТС
Optical
MX
T1
T1
MX
Центральный офис
STM-1
T1
АТС
Интранет
T1
маршрутизатор
ЛВС
Частная сеть
Petrozavodsk State University, Alex Moschevikin, 2004
Общественная сеть
NETS and OSs
Характеристики SONET/SDH
Технология SONET/SDH используется в качестве физического уровня для
других технологий локальных и глобальных вычислительных сетей (Ethernet,
ISDN, Frame Relay, Resilient Packet Ring, АТМ).
Преимущества
• Обеспечивается канал заданной пропускной способности;
• Высокая отказоустойчивость сети;
Недостатки
• Относительно высокая стоимость трафика (по сравнению с трафиком
ЛВС);
• Поддержка только заранее определенных скоростей передачи (например,
для использование SDH в локальных сетях в качестве транзитной влечет за
собой большую неиспользованную полосу пропускания в 55 Мбит/с при
транслировании Fast Ethernet трафика).
FE
FE
100 Мбит/с
155 Мбит/с
Petrozavodsk State University, Alex Moschevikin, 2004
NETS and OSs
Passive Optical Networks
Активные оптические сети, такие
как SONET/SDH, требуют
преобразование оптического
сигнала в электрический и
наоборот в каждом из узлов.
PON не содержит в себе активных
устройств с оптико-электрическим
преобразованием сигналов.
Вместо этого, системы PON
используют для передачи данных
пассивные оптоволоконные
смесители или разветвители.
OLT – Optical Line Terminal (оборудование провайдера)
ONU – Optical Network Unit (оборудование абонента)
http://en.wikipedia.org/wiki/Passive_optical_network
Petrozavodsk State University, Alex Moschevikin, 2004
NETS and OSs
Характеристики PON
 Решение для организации "последней мили" (англ. Ethernet in the
first mile).
 Волоконно-оптический кабель как среда передачи. Длина
оптоволоконных линий – до 20 км.
 Древовидная архитектура (точка-многоточие), возможна кольцевая
структура .
 Пассивные разветвители в узлах.
 Дуплекс по одному кабелю с использованием частотного
разделения. Трафик в Upstream и Downstream каналах разнесен на
разные длины волн (1.3 мкм и 1.5 мкм соответственно).
 Использование известных протоколов для организации канального
уровня (ATM, Ethernet, SDH).
 Простая реализация сервисов массового вещания до конечных
абонентов (все абоненты получают трафик от центрального узла).
Petrozavodsk State University, Alex Moschevikin, 2004
NETS and OSs
Трафик PON
http://www.infocellar.com/networks/new-tech/EPON/EPON.htm
1310 нм – upstream
1490 нм – downstream
1550 нм – аналоговое видео
Petrozavodsk State University, Alex Moschevikin, 2004
NETS and OSs
Стандарты PON
APON - ATM PON. Транспортный протокол – ATM. Использование
полосы пропускания 71%. Стандарт устарел.
BPON - Broadband PON: развитие стандарта APON.
EPON - Ethernet PON. Транспортный протокол – Ethernet.
GEPON - Gigabit Ethernet PON, развитие стандарта EPON.
GPON - Gigabit PON. Использует 93% полосы пропускания.
Использует кадры SDH, но с возможностью динамического
распределения ресурсов (GFP – Generic Framing Protocol).
Три вида трафика:
• ATM UNI
• IP traffic over Fast Ethernet, Gigabit Ethernet, or 10 Gigabit Ethernet;
• Standard TDM interfaces such as SDH/SONET
Petrozavodsk State University, Alex Moschevikin, 2004
NETS and OSs
Стандарты PON
Технология
APON/
BPON
EPON
GEPON
GPON /
10G-PON
Стандарт
ITU-T
G.981.x
1998
IEEE
802.3ah
2004
IEEE 802.1ah
(MAC-in-MAC)
2004
ITU-T
G.984.x
2003-2008
Скорость передачи
(вниз/вверх), Мбит/с
…
622/622
1000/1000
1250 / 1250
2488/622
10G/2.5G
ATM
Ethernet
Ethernet
SDH
Макс. число ONU на 1
волокно
32
16 (до 215)
64 (до 215)
128
Коррекция ошибок FEC
+
-
+
+
Базовый протокол
FEC добавляет к бюджету линии +2-3dB, а каждый сплиттер на 2
уменьшает мощность на как минимум 3 dB.
Petrozavodsk State University, Alex Moschevikin, 2004
NETS and OSs
Ethernet PON (EPON)
Начиная со стандарта Fast Ethernet (100BASE-FX/TX) были введены
Idle- и JK-символы. Прием сигнала на физическом уровне стал
синхронным (в отличие от Ethernet 10 Мбит/с), устаревшими стали
межкадровый интервал (12 байтов) и большая преамбула кадра (8
байтов).
Кадр IEEE 802.3
Pre(7)+SFD(1)
DA
SA
T|L
LLC data
(Pad)
FCS
LLC data
(Pad)
FCS
Кадр IEEE 802.3ah
SOP
Резерв.
LLID
CRC
DA
SA
T|L
SOP – Start of Packet (1 байт).
LLID – Logical Link Identificator (2 байта); первый бит поля указывает
режим передачи кадра (unicast или multicast), остальные 15 бит
содержат индивидуальный адрес узла ЕPON.
CRC – Cyclic Redundancy Check (1 байт).
Petrozavodsk State University, Alex Moschevikin, 2004
NETS and OSs
Архитектура PON (downstream)
http://www.infocellar.com/networks/new-tech/EPON/EPON.htm
TDM – Time Division Multiplexing
Трафик от провайдера к абоненту – широковещательный. Сеть
построена на оптических разветвителях (сплиттерах) без усилителей.
Petrozavodsk State University, Alex Moschevikin, 2004
NETS and OSs
Архитектура PON (upstream)
http://www.infocellar.com/networks/new-tech/EPON/EPON.htm
TDMA – Time Division Multiple Access
Трафик от абонента к провайдеру идет в режиме TDMA. Порядок
работы узлов задается узлом OLT. Только узел OLT может распознать
коллизии и подстроить расписание работы оконечных узлов.
Petrozavodsk State University, Alex Moschevikin, 2004
NETS and OSs
Dynamic Bandwidth Allocation
OLT управляет полосой пропускания до каждого ONU. Он периодически
посылает запросы до конечных устройств и замеряет время отклика. Таким
образом все устройства в сети синхронизованы.
OLT формирует расписание работы в сети. ONU начинают передачу
накопленных данных только в разрешенное время (OLT отсылает расписание в
пакете GATE).
Различают два вида управления трафиком: на основе отчетов ONU (Status
Reporting) и автоматический (Non-Status Reporting).
NSR
OLT выделяет каждому ONU небольшую полосу (пакеты GATE). Если ONU
нечего передавать, то он отсылает Idle-кадры в выделенное для него время.
Если OLT обнаруживает, что ONU не отсылает Idle-кадры, значит, ему
требуется дополнительная полоса и OLT ее выделяет (по возможности).
SR
OLT периодически опрашивает размер очередей ONU и выделяет полосу в
соответствии с ответом ONU (пакет REPORT) и уровнем сервиса,
установленным администратором.
Petrozavodsk State University, Alex Moschevikin, 2004
NETS and OSs
Широковещание в EPON
ONU отправляет широковещательный (или мультикаст) кадр upstream.
OLT понимает, что кадр широковещательный и возвращает кадр в
канал downstream с выставленным LLID=0xFFFF.
Petrozavodsk State University, Alex Moschevikin, 2004
NETS and OSs
Абонентское оборудование
Абонентский терминал ONT GPON с 4 портами 10/100/1000-Base-T,
2 портами POTS, 1 RF-выходом
100 USD (2013 год)
Petrozavodsk State University, Alex Moschevikin, 2004
NETS and OSs