За пределами иерархии T-1

Процесс замены старой инфраструктуры NADH на появившуюся примерно десять лет назад скоростную сеть Synchronous Optical Network (SONET) наконец-то пошел.

Споры знатоков о будущем сетей масштаба предприятия пока не утихли, однако кое-какие детали тут уже совершенно ясны. Во-первых, волоконно-оптические системы передачи данных прочно заняли свое место как в локальных, так и в глобальных сетях. Этому способствует и то обстоятельство, что различия в протоколах для локальных и глобальных сетей продолжают сглаживаться. Во-вторых, по мере снижения стоимости пропускной способности сетей, перед пользователями так же, как и перед телекоммуникационными компаниями, встают новые проблемы, связанные с управлением сетями. Для решения этих проблем приходится вырабатывать новые подходы к управлению сетями, созданию услуг, а также к вопросам совместимости и надежности сетевых служб.

Главная проблема - пропускная способность. Колоссальное увеличение трафика в сетях, на магистралях предприятий и в Internet привело к практически полному исчерпанию имеющихся ресурсов. Количество скоростных магистралей в локальных сетях, использующих оптоволокно, резко возросло, а их пропускная способность достигает 155 Мбит/с. Уже появились системы на базе ATM с пропускной способностью 622 Мбит/с, планируется разработка гигабитного Ethernet и прочих видов сверхвысокоскоростных технологий. В общем, сети растут, проблемы множатся.

Появление сверхвысокоскоростных средств обмена информацией обусловило невиданное повышение пропускной способности на глобальном уровне. Скорости передачи информации могут достигать 10 Гбит/с; применение уплотнения по длинам волн (wavelength-division multiplexing, WDM) позволит повысить пропускную способность аж до 80 Гбит/с, и это далеко не предел. Тем не менее внимания инфраструктуре физического уровня, обеспечивающей такой прорыв, пока уделяется недостаточно. Проблемы, связанные с взаимодействием различных сетей, также заслуживают более внимательного отношения.

ПРОБЛЕМА ФИЗИЧЕСКОГО УРОВНЯ

До самого последнего времени физический уровень представлял собой хорошо известную иерархию асинхронных линий T-1, называемую еще Северо-Американской цифровой иерархией (North American Digital Hierarchy, NADH). Линии NADH вполне справлялись со своими обязанностями, однако эта система имела недостатки, обусловленные как конструктивными ограничениями, так и способами использования линий телекоммуникационными компаниями. Короче говоря, после распада Bell System никто за стандартами не следил. В результате, с одной стороны, техника прогрессировала, а с другой, возникала путаница, порожденная разнобоем в конкретных способах реализации.

Скорости передачи информации росли с каждым годом. Однако какой же неразберихой сопровождался этот рост! Все меньшее число устройств оказывалось способным обмениваться информацией - стандарт на канал DS-3 при их изготовлении трактовался по-разному. Хотя формально эффективная пропускная способность по полезной нагрузке всегда соответствовала уровням T-1, схемы распределения накладных расходов во всех устройствах оставались разными. В результате оборудование фактически не было стандартным, и каждый производитель мог выпускать свое, уникальное оборудование, накрепко привязывая покупателя к своей продукции. Эта ситуация сохранилась и по сей день.

Например, система, выпускаемая компанией A, объединяет 12 каналов DS-3 в одну линию с пропускной способностью 560 Мбит/с. В то же время аналогичное оборудование поставщика Б должно работать на скорости 565 Мбит/с для передачи полезной информации такого же объема. Большой разнобой связан и с использованием бита четности. Таким образом, NADH не имеет стандарта на формирование канала DS-3 из линий меньшей пропускной способности, скажем, T-1. Например, метод под названием M23 предписывает вначале уплотнить четыре асинхронных канала T-1 в один DS-2, а затем семь каналов DS-2 в один DS-3; в результате получается T-3 из 28 каналов DS-1. При работе по такой схеме каналы DS-1 получаются асинхронными относительно друг друга и могут "плавать" вследствие применения эластичных буферов, где в поток данных вставляются биты для компенсации различий синхронизации. Та же цель может быть достигнута, например, путем применения C-бита четности или при помощи Syntran. Дополнительные биты во всех трех случаях используются по-разному. Так и получалось, что пользователи оказывались привязанными к сетям какой-то одной телекоммуникационной компании, а объединение различных систем представляло собой весьма сложную задачу.

Подобное положение дел не могло считаться нормальным. Нужен был какой-то стандарт, который позволил бы преодолеть все существующие недостатки и при этом без замены уже имеющейся инфраструктуры.

Такой стандарт есть, и вы его знаете: это SONET, или Synchronous Optical Network.

ПОЭТИКА SONET

SONET - это стандарт ANSI на высокоскоростные системы передачи информации на основе оптоволокна как в общедоступных, так и в частных сетях. Стандарт описывает скорости передачи, протоколы и контрольные параметры для оптоволоконных линий с пропускной способностью от 51,84 Мбит/с до 10 Гбит/с и выше. SONET был задуман примерно между 1984 и 1985 годом, и вскоре после этого началась разработка стандартов. Предполагается, что со временем SONET постепенно вытеснит линии NADH T-1 и T-3. (Обзор архитектуры SONET приведен во врезке "Уровень за уровнем".) Параллельно с SONET в Европе ведутся работы над стандартом Synchronous Digital Hierarchy (SDH), призванном прийти на смену иерархии европейских асинхронных линий E-1/E-3. Логика SDH весьма сходна с логикой SONET. На нижних уровнях эти стандарты кое в чем различаются, однако сходство их весьма велико, и потому в дальнейшем мы для краткости будем рассматривать только SONET. (Прим. редактора. В ближайших номерах журнала мы планируем вернуться к этой теме и подробнее рассмотреть сети SDH.)

Разработчики SONET решили преобразовать NADH путем последовательной реализации изменений в несколько этапов, при этом новый стандарт будет совместим со старым. Изменения, в частности, касались широкого применения вставки дополнительных байтов, использования служебных байтов (overhead) для распределения полезной нагрузки (payload mapping) и контроля производительности линий, а также различных способов синхронизации, способствующих внедрению единого интерфейса.

После повсеместного распространения SONET новый стандарт позволит иметь более связную иерархию битовых потоков, упростить извлечение низкоскоростных каналов (tributary), создавать самовосстанавливающиеся топологии, обеспечить недостижимые ранее возможности для контроля за производительностью сети и взаимодействия между продуктами от разных изготовителей.

Там, где SONET уже реализован, ликвидировано множество недостатков, присущих T-1, в особенности в том, что касается размеров максимальной полезной нагрузки, а также прямого и обратного распределения полезной нагрузки (payload mapping and demapping). Помимо этого, SONET позволяет осуществить бесшовную стыковку высокоскоростных линий связи и выполнять сложный мониторинг.

SONET хорошо взаимодействует и с ATM, идея которого возникла примерно в то же самое время. Он допускает "сцепление" оптических носителей (optical carrier, OC) и сигналы синхронной передачи (synchronous transport signals, STS) выше 44,736 Мбит/с, благодаря чему протоколы высокоскоростной передачи данных, например ATM или FDDI, могут быть перенесены на новую аппаратную базу без существенных изменений. Поэтому полукустарные конверторы и демультиплексоры становятся просто не нужны. Объединение SONET и ATM с концепцией интеллектуальных сетей (Intelligent Network, IN) формирует идеологию широкополосного ISDN (broadband ISDN, B-ISDN), одной из наиболее передовых сетевых технологий.

НАБЕРИТЕ ЛЮБОЙ НОМЕР

SONET можно рассматривать как прямого наследника NADH, а иерархию SONET удобно описывать в терминах основного элемента NADH, канала T-1. Канал T-1, в свою очередь, состоит из 24 модулей под названием DS-0 - именно они и используются для передачи основной части трафика. Пропускная способность одного модуля (его название происходит от digital signal at zero level, т.е. цифровой сигнал на нулевом уровне) составляет 64 Кбит/с; данный канал представляет собой самый маленький "кирпичик" для создания более крупных систем, емкость которых часто измеряется числом содержащихся в них DS-0 (см. Таблицу 1).

Что же такое DS-0? Его можно рассматривать как единичный цифровой канал для передачи голоса. На ранних стадиях развития цифровых систем передачи информации было решено, что при оцифровке речи или другой голосовой информации частотой до 4000 Гц уровень сигнала должен измеряться 8000 раз в секунду - один раз за каждые полпериода. Кодировка результатов каждого измерения требует использования восьми бит. Объединение 24 каналов DS-0 путем мультиплексирования по времени дает канал DS-1. В состав каждого кадра канала DS-1 входит один бит обрамления, используемый для отсчета времени и синхронизации (см. врезку "Вопрос времени"), так что суммарная скорость передачи данных по линии получается равной 1,544 Мбит/с [(24 канала * 64000 бит/с) + 8000 бит обрамления = 1,544 Мбит/с].

К сожалению, DS-0 был также избран в качестве строительного элемента для ISDN и других цифровых сетей. В результате процесс формирования более емких каналов оказался неинтуитивным: два канала T-1 - это T-1C, четыре канала T-1 - это T-2, а семь каналов T-2 (или 28 каналов T-1) - это T-3.

При переходе к оптоволоконным линиям канал T-3 был избран в качестве отправной точки - пропускная способность наиболее медленного канала на оптическом носителе, OC-1, была приравнена к пропускной способности T-3. Кадр STS-1 представляет собой электрический эквивалент OC-1; он служит базовым строительным элементом SONET. Каждый кадр состоит из 9 строк и 90 столбцов, что дает 810 восьмибитных байтов. Кадры передаются с частотой 8 КГц, отсюда пропускная способность линии STS-1 составляет 51,84 Мбит/с (8000 Гц * 810 байт на кадр * 8 бит = 51,84 Мбит/с).

Не следует, впрочем, забывать, что в вышеупомянутое число входят как полезные данные (synchronous payload envelope, SPE), так и служебные байты уровней Line и Section. Последние отнимают 1,73 Мбит/с, поэтому эффективная пропускная способность канала (емкость SPE) составляет лишь 50,112 Мбит/с. Все более высокие уровни SONET получаются умножением полной пропускной способности STS-1 (51,84 Мбит/с) на целое число (см. Таблицу 2). Таким образом, пропускная способность OC-3 составляет 155,52 Мбит/с, а пропускная способность OC-12 - 622,08 Мбит/с и так далее.

ЕЩЕ ЧУТЬ-ЧУТЬ МАТЕМАТИКИ

Мультиплексирование с разделением по длинам волн (WDM, то есть передача разных битовых потоков на разных частотах) дает возможность увеличивать число оптических несущих каналов без изменения сетевой инфраструктуры. Например, оптоволоконный кабель, ранее служивший носителем для одного канала OC-48, может теперь вместить несколько таких каналов. В настоящее время данная методика позволяет увеличивать емкость существующих систем (без прокладки нового кабеля) не более чем в 32 раза. Владельцу линий связи, таким образом, приходится искать разумный компромисс между необходимостью управлять большим числом раздельных систем и применением одной большой системы с высокой пропускной способностью.

Например, мультиплексирование по длине волны позволяет объединить в одной линии с эффективной пропускной способностью OC-192 две системы OC-96. Какой именно вариант будет избран - два цифровых потока, уплотненных с помощью WDM, или один цифровой поток, - целиком зависит от владельца линий связи.

SPE подразделяется на виртуальные каналы меньшей пропускной способности, именуемые Virtual Tributaries (VT). Емкости VT подобраны соответственно с емкостью каналов T-x. Пропускная способность VT всегда чуть выше, чем пропускная способность соответствующего T-x; это сделано для того, чтобы компенсировать расхождения в тактировании сигналов. По отношению к STS-1, VT могут быть либо плавающими (асинхронными), либо сцепленными (синхронными). Канал T-1 пропускной способностью 1,544 Мбит/с соответствует виртуальному каналу VT-1.5 (1,728 Мбит/с), а европейский стандарт E-1 (2,048 Мбит/с) - виртуальному каналу VT-2 (2,304 Мбит/с). Уровни режима синхронной передачи SDH (synchronous transport mode, STM) совпадают с емкостью каналов, кратной OC-3: OC-3 отвечает STM-1, а OC-12 - STM-4.

Одной из первоначальных целей разработчиков SONET было создание бесшовного оптического интерфейса между сетями разных провайдеров с учетом различий между сетями, используемыми в разных странах (вспомним, например, что прямое соединение между T-1 и E-1 невозможно). Таким образом, до появления SONET необходимость в преобразователях, стыкующих каналы одной иерархии с каналами другой и сети одного производителя с сетями другого производителя, ощущалась очень остро.

Принципиальные различия между двумя иерархиями проистекали из различия между их базовыми компонентами: T-1 работает на 1,544 Мбит/с, а E-1 - на 2,048 Мбит/с. Нужно было найти общее кратное этих скоростей; оказалось, что в качестве такового может выступать скорость 155,52 Мбит/с, именуемая SONET OC-3, или SDH STM-1 (Synchronous Transport Mode, Уровень 1).

ТОПОЛОГИЧЕСКИЕ ПРАВИЛА

Элементарных конфигураций сетей SONET насчитывается четыре: радиус или точка-точка (linear spur), линейная цепь (add-drop), простое кольцо и сцепленное кольцо (interlocking ring). Линейные каналы SONET используются в ситуациях, когда либо стоимость системы, либо отсутствие необходимой инфраструктуры не позволяют иметь разветвленную сеть, или когда необходимо короткое ответвление от основного кольца сети. Наиболее популярная топология - самовосстанавливающееся кольцо. Простое самовосстанавливающееся кольцо состоит из нескольких узлов, связанных между собой последовательными двусторонними линиями связи, образующими замкнутую петлю и обеспечивающими полнодуплексную передачу сообщений как по, так и против часовой стрелки.

Имеется целый ряд различных подходов к конструированию самовосстанавливающегося кольца: кольцо может состоять из двужильных или четырехжильных кабелей, оно может быть однонаправленным или двунаправленным, линейным или коммутируемым. Защитные свойства сетей SONET и их способность к самовосстановлению достигаются за счет разветвленных средств контроля производительности и состояния служебных битов уровней Line и Path. При разрыве в кольце служебные биты путей всех пострадавших линий STS-1 сигнализируют о невозможности прохождения трафика; в ответ ближайшие узлы запускают восстановительный процесс переключения каналов путем выставления соответствующих битов. В итоге две результирующие петли образуют удлиненное кольцо, причем за какие-то доли секунды. Формирование такого кольца сопровождается увеличением встречного трафика, поэтому при проектировании кольца следует предусмотреть резерв пропускной способности - на некоторых участках сети трафик может даже удвоиться. Альтернативой такому решению может быть приостановка трафика с низким приоритетом.

Надежность SONET и его способность к самовосстановлению вошли уже в легенду. Тем не менее и тут существуют определенные правила, которые надлежит соблюдать в обязательном порядке. В частности, ни в зданиях, ни на линиях связи ни в коем случае не должно быть таких мест, где единичное повреждение приведет к отказу всей сети. Одна очень крупная организация на Восточном побережье США убедилась в справедливости этого правила на собственном горьком опыте. В прошлом году организация установила кольцо OC-48 (2,4 Гбит/с), и вскоре после этого случилась серьезная неприятность: при ремонте тротуара была повреждена магистраль связи между штатами. Для восстановления работоспособности сети понадобились целые сутки напряженной работы строителей и специалистов по ремонту оптических линий. Внимательный анализ ситуации показал, что место повреждения магистрали - единственная точка, где входной и выходной кабели оказались уложенными в один и тот же короб. Естественно, это было всего лишь временное решение - пока не сделают кабельный ввод на противоположной стороне здания... Вот ведь какая судьба!

УПРАВЛЕНИЕ СЕТЬЮ

Процедуры измерения производительности сетей SONET и стандарты на управление сетями по-прежнему находятся в стадии развития, поскольку значительную часть работы в этой области была сознательно отложена на более поздние стадии разработки. Отсутствие жестких стандартов привело к тому, что на ранних этапах развития SONET каждый производитель изобретал свои собственные средства для управления сетью. Знакомо, не правда ли? Выбор вариантов часто был просто делом вкуса владельца сети связи или результатом борьбы групп специалистов, придерживавшихся разных взглядов на одну и ту же проблему.

В настоящее время основные усилия в области развития средств управления сетью предпринимаются тремя организациями: ANSI, Bellcore и SIF (SONET Interoperability Forum). Главное, чем заняты специалисты этих организаций, - развитие методов работы, управления и поддержки сетей, а также выработка стандартов, которые были бы куда более совершенны, чем стандарты NADH. В основном (с некоторыми различиями в разных организациях), работа ведется в рамках модели OSI Common Management Information Services Element/Common Management Information Protocol (CMISE/CMIP). Бесспорно, здесь существуют некоторые противоречия с тем, к чему привыкло большинство конечных пользователей, однако телекоммуникационные компании и производители оборудования убеждены, что для нормальной работы сетей нужен более высокий уровень надежности и специализации, чем тот, который может дать SNMP. По всей видимости, они считают, что модель OSI может привести к успеху. Что ж, время покажет.

Как мы уже видели, SONET имеет весьма значительные преимущества над NADH. Разумеется, многие пользователи и провайдеры пока занимают выжидательную позицию и не спешат переходить на новую базу. Однако, вот увидете, будущее за OC-3, а не за T-1.

ОБЗОР АРХИТЕКТУРЫ SONET

Уровень за уровнем

В мире сетей нет ничего, что не использовало бы понятие уровня. Стандарт Synchronous Optical Network (SONET) - отнюдь не исключение. С точки зрения архитектуры, можно сказать, что в SONET имеется четыре слоя, или уровня, - Photonic, Section, Line и Path.

Уровень Photonic (Фотоника) соответствует нижней части Уровня 1 стека протоколов ISO. Этот уровень определяет формирование импульсов, оптические и электро-оптические взаимодействия и преобразования. При передаче данных оптические технологии используются только на уровне волоконной оптики, а все высокоуровневые функции выполняются оконечным оборудованием при помощи электрических сигналов.

Уровень Section (Секция) управляет передачей кадров STS-x через среду передачи, соединяющую соседние терминалы или повторители. Он определяет способы обрамления и выравнивания кадров, отслеживание ошибок. Секции ограничены либо терминалом и повторителем, либо двумя повторителями.

Уровень Line (Линия) обеспечивает функции синхронизации и мультиплексирования; он отвечает за поддержку связи между соседними элементами сети, или оконечным оборудованием, например мультиплексорами, цифровыми системами перекрестного соединения и мультиплексорами линейной цепи. Помимо этого, уровень Line поддерживает большую часть функций SONET, связанных с управлением сетью.

Уровень Path дает описания реальных услуг (например T-1 или T-3), предоставляемых конкретному пользователю на всем участке от одного оконечного оборудования до другого.

ВАЖНОСТЬ ВРЕМЕННОЙ СИНХРОНИЗАЦИИ

Вопрос времени

Синхронизация узлов Synchronous Optical Network (SONET) может осуществляться несколькими способами, в зависимости от используемых элементов сети и имеющихся у них средств. Наилучшим вариантом представляется использование, где только возможно, интегрированной системы в масштабах здания в качестве внешнего источника посредством дублирования потока DS-1, прослеживаемого до первичного источника синхронизирующего сигнала (stratum-1), и его передачи каждому элементу сети вверх по дереву синхронизации. Синхронизирующие сигналы можно извлечь и с помощью мультиплексоров линейной цепи из входящей линии OC-x.

В небольших организациях используется также и петлевая синхронизация (loop timing). Повторители применяют схему "сквозной" синхронизации, при которой входной сигнал используется для тактирования выходного. Все большую популярность приобретают способы тактирования Loran C и спутниковое тактирование (global positioning satellite timing).

Проблему тактирования ни в коем случае нельзя недооценивать! По мере распространения SONET, чему в значительной степени должно способствовать развитие конкуренции между производителями, проблема тактирования будет становиться все более и более серьезной, особенно если учесть необходимость глобальной синхронизации узлов. Уже сейчас в распределенной информационной среде, содержащей различные источники тактовых импульсов и прочие источники сбоев синхронизации, стабильное единое время поддерживать все труднее.

ТАБЛИЦА 1 - СКОРОСТИ ПЕРЕДАЧИ ДАННЫХ ПО ОБЫЧНЫМ ЦИФРОВЫМ КАНАЛАМ

ТАБЛИЦА 2 - СКОРОСТИ ПЕРЕДАЧИ ДАННЫХ ПО НАИБОЛЕЕ РАСПРОСТРАНЕННЫМ ОПТИЧЕСКИМ КАНАЛАМ