Оптимизация SDH для IP/Ethernet.

Провайдеры сетевых услуг, несмотря на неблагоприятную конъюнктуру последних лет, отмечают повышенный спрос на пропускную способность, обусловленный постоянным ростом локальных и виртуальных частных сетей, а также распространением таких приложений, как видео по требованию. При этом доминирующим транспортным протоколом является Ethernet: он широко распространен, сравнительно недорог, прост во внедрении и обслуживании. В результате для удовлетворения изменившихся требований сетевым операторам для удовлетворения изменившихся требований приходится оптимизировать сети SDH при помощи новых методов.

Операторы строили свои магистрали в расчете на передачу сигналов с постоянной скоростью, к примеру, голоса. Именно поэтому голосовые коммутаторы соединялись друг с другом посредством мультиплексной передачи с разделением по времени (Time-Division Multiplexing, TDM), а планировщики проектировали сети главным образом в расчете на голосовые каналы со скоростью 64 Кбит/с. Сеть TDM включает в себя цифровые кросс-коммутаторы и сети SDH с высокоскоростными службами передачи. При этом кольца SDH предоставляют приложениям с коммутацией каналов синхронизированный на уровне битов транспорт.

Для реализации сетей передачи данных оператор сети связи сдает в аренду свои каналы TDM (E-1, E-3, STM-1 и т. д.). После чего по ним пропускается трафик Ethernet/IP с его сильно варьирующимися требованиями к пропускной способности. Вот почему передача сигналов с переменной длиной, как в случае Ethernet, столь неэффективна по инфраструктуре SDH. В целях оптимального использования составных сетей для Ethernet операторы обращаются к только что появившимся стандартам ITU: общей процедуры разбиения на кадры (Generic Framing Procedure, GFP, стандарт G.7041), виртуальной конкатенации (Virtual Concatenation, G.707) и схемы регулировки емкости канала (Link Capacity Adjustment Scheme, LCAS, G.7042). Стандарты G.7041 и G.707 были опубликованы в декабре прошлого года, G.7042 — в январе этого.

ОБЩАЯ ПРОЦЕДУРА РАЗБИЕНИЯ НА КАДРЫ

Раньше для передачи трафика Ethernet по инфраструктуре SDH использовались различные механизмы, к примеру технология передачи пакетов по SDH (Packet over SDH, PoS) или LAPS (Х.86). PoS упаковывает кадр Ethernet в пакет протокола двухточечного соединения (Point-to-Point Protocol, PPP), где используется кодирование высокоуровневого протокола управления каналом (High-level Data Link Control, HDLC), после чего пакет PPP транспортируется по каналу в кадре SDH.

Для интеграции кадра Ethernet пакету РРР требуется значительная часть пропускной способности (под служебные данные). Поэтому ITU-T утвердил стандарт Х.86/Y.1323 — Ethernet поверх процедуры доступа к каналу для SDH (Link Access Procedure for SDH, LAPS). Этот метод позволяет сравнительно просто передавать трафик Ethernet по глобальным сетям. В нем используется схожая с HDLC структура без установления соединения. LAPS базируется на более старом стандарте — Х.85. В отличие от Х.86 он рассчитан на передачу по инфраструктуре SDH трафика IP, а не Ethernet. Х.85 был попыткой избавиться от привязки РРР к HDLC — как в передаче пакетов по SONET (Packet over SONET), чтобы предоставить полезным данным большую пропускную способность.

Х.86 ограничивается передачей по SDH трафика Ethernet. При этом существуют и другие области, для которых желательна эффективная передача по SDH, в частности сети хранения данных (Storage Area Networks, SAN). GFP впервые предоставляет метод, позволяющий передавать по SDH помимо Ethernet и другие протоколы (см. Рисунок 1).

GFP-T И GFP-F

Стандарт GFP предусматривает два режима: прозрачный (GFP-T) и с отображением кадров (GFP-F). При помощи GFP-T операторы могут пересылать по сети высокоскоростные сигналы, как Fibre Channel и Gigabit Ethernet с умеренным временем задержки. Этот метод предусматривает упаковку заранее заданного количества клиентских данных в четко определенный кадр GFP. Дожидаться прихода всего клиентского кадра (к примеру, кадра Ethernet) не обязательно, поскольку данные непосредственно вставляются в кадр GFP и тут же отсылаются. Этим достигается относительно небольшое время задержки — очень важное условие для продуктивной работы приложений SAN.

GFP-F полностью отображает клиентский кадр (к примеру, кадр Fast Ethernet) в кадр GFP. Переменная длина кадра GFP позволяет провайдеру услуг предлагать более эффективные соглашения об уровне сервиса (Service Level Agreements, SLA). Пропускная способность задается с шагом 1 Мбит/с вплоть до полной скорости передачи данных. Так, предприятие может быть физически подключено к провайдеру по Gigabit Ethernet, но арендовать пропускную способность величиной всего лишь 100 Мбит/с. Стандарт ITU-T G.7041 определяет GFP-F для Ethernet, Fast Ethernet и Gigabit Ethernet.

КОНКАТЕНАЦИЯ

GFP предлагает удобную платформу для передачи протоколов различного типа — Ethernet, Fibre Channel, FICON или ESCON. Для передачи GFP по SDH эти протоколы отображаются в виртуальный контейнер (Virtual Container, VC): на выбор предлагаются VC-12 (2 Мбит/с), VC-3 (50 Мбит/с) и VC-4 (150 Мбит/с). В зависимости от потребности в пропускной способности используются разные контейнеры. Если емкости одного контейнера недостаточно, то сцепляют несколько. При передаче, к примеру, трафика Fast Ethernet необходимы два контейнера VC-2 (общим объемом 100 Мбит/с), а для 450 Мбит/с задействуются три контейнера VC-4. Это позволяет использовать всю доступную пропускную способность.

В мире SDH в соответствии со стандартом ITU-T G.707 известны два типа цепочек из контейнеров: последовательная конкатенация (Contiguous Concatenation) и виртуальная конкатенация (Virtual Concatenation, VCAT). Причем первая допускает объединение лишь определенного числа контейнеров VC-4: VC-4-Xc (X = 4, 16, 64, 256). VC-4-4c соответствует пропускная способность в 600 Мбит/с, VC-4-16c — в 2400 Мбит/с и т. д.

ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНАЯ КОНКАТЕНАЦИЯ

Недостаток последовательной конкатенации состоит в том, что ее должен поддерживать каждый участвующий сетевой элемент. Отдельные контейнеры VC-4 соединены друг с другом таким образом, что по маршруту они перемещаются как одно целое: использование разных путей для отдельных контейнеров в сети не разрешается. Кроме того, далеко не все операторы поддерживают этот тип конкатенации, что автоматически влечет за собой проблемы с взаимодействием. К тому же последовательная конкатенация предлагает лишь четыре значения пропускной способности: 600, 2400, 9600 и 38400 Мбит/с. Для них требуются соответствующие каналы SDH: STM-4, STM-16, STM-64 и STM-256.

Последовательная конкатенация для Ethernet неэффективна: к примеру, чтобы переслать трафик Gigabit Ethernet, приходится использовать VC-4-4c или VC-4-16с. В первом случае применяется интерфейс STM-4. Однако на деле этот подход задействует менее 50% емкости канала Gigabit Ethernet, поскольку максимальная полезная пропускная способность составляет 600 Мбит/с. Во втором случае (канал STM-16) оператор вынужден обеспечить скорость передачи данных в 2400 Мбит/с, а эффективно используется опять-таки менее половины емкости.

ВИРТУАЛЬНАЯ КОНКАТЕНАЦИЯ

В отличие от последовательной конкатенации виртуальная предлагает возможность объединения любого числа контейнеров VC-12, VC-3 или VC-4: VC-12-Xv и VC-3/4-Xv (X = 1, .., 256). Таким образом, сцепление контейнеров VC-12 обеспечивает пропускную способность от 2 до 126 Мбит/с с шагом в 2 Мбит/с, VC-3 — от 50 до 12800 Мбит/с с шагом в 50 Мбит/с, а VC-4 — от 150 до 38400 Мбит/с с шагом в 150 Мбит/с.

Это многообразие возможных значений пропускной способности открывает перед провайдерами услуг неплохие перспективы весьма эффективного использования своих сетей SDH для передачи трафика Ethernet, сетей хранения данных и других целей. Преимущество еще и в том, что при виртуальной конкатенации отдельные контейнеры передаются по сети независимо друг от друга разными маршрутами. К тому же VCAT должны поддерживать только два сетевых элемента на концах канала. Они принимают отдельные контейнеры и упорядочивают их в правильной временной последовательности. Оператор сети может и впредь использовать свою сеть SDH, экономя огромные деньги на ее расширении. В конечном итоге только инсталлированные у пользователей системы должны быть адаптированы к применению VCAT.

Сравнение эффективности работы с VCAT и без нее представлено в Таблице 1. Как видим, контейнер VC-4 для Fast Ethernet задействует лишь 67% пропускной способности в 150 Мбит/с. Конкатенация двух контейнеров VC-3, напротив, дает пропускную способность в 100 Мбит/с, т. е. достигается ее 100-процентное использование.

СХЕМА РЕГУЛИРОВКИ ЕМКОСТИ КАНАЛА

Благодаря GFP и VCAT сетевые операторы получают в дополнение к существующей сети SDH два, несомненно, полезных инструмента, а также возможность обеспечения своих пользователей практически любой пропускной способностью. Однако что же делать, когда необходимые изменения требуется произвести без остановки работы? До сих пор приходилось ликвидировать уже имеющийся канал и строить новый в соответствии с желаемой пропускной способностью. Подобное вмешательство прерывает на некоторое время движение данных предприятия. Его продолжительность зависит от системы оператора сети. Службы, требовательные ко времени, например покупка/продажа акций, банковские операции или сохранение данных, не терпят подобных прерываний. Для предотвращения таких проблем ITU-T утвердил стандарт G.7042 — схему регулировки емкости канала (Link Capacity Adjustment Scheme, LCAS), которая используется совместно с виртуальной конкатенацией.

LCAS позволяет реализовать любые изменения пропускной способности без прекращения передачи данных. Если предприятию необходима пропускная способность в 300 Мбит/с, то оператор сети резервирует для него два контейнера VC-4. Если же понадобятся 600 Мбит/с, то в классическом случае для этого пришлось бы ликвидировать имеющийся канал, связать четыре контейнера VC-4 посредством VCAT и построить новый канал. При использовании LCAS изначально построенный канал емкостью 300 Мбит/с сохраняется. Провайдер, пользуясь возможностями системы управления, всего лишь добавляет два контейнера VC-4. Преимущество LCAS состоит в том, что подключение новых контейнеров происходит в течение 50 мс, т. е. без прерывания движения данных. Этот метод применим не только для наращивания пропускной способности, но и для уменьшения ее без потери данных.

LCAS предлагает и другие важные преимущества. Связанные при помощи VCAT контейнеры проходят разными сетевыми маршрутами, поэтому может случиться так, что один из них не достигнет места назначения из-за отказа сети. В классической сети SDH это привело бы к потере относительно длительного сигнала. LCAS, напротив, постоянно проверяет весь маршрут посредством контрольных байтов. Когда сетевое устройство не получает один или более контейнеров виртуальной конкатенации, LCAS удаляет их из последовательности, а незатронутые виртуальные контейнеры собираются в новую виртуальную цепочку.

В случае классической сети SDH предприятию необходим дополнительный канал данных для защиты трафика, причем его содержание требует немалых расходов. Однако большей частью вторая линия не используется, поскольку сетевые отказы происходят достаточно редко: отказоустойчивость типичной сети SDH равна 99,999%, т. е. время простоя сети в течение одного года равняется нескольким минутам. Но благодаря LCAS провайдер услуг может предложить предприятию определенную защиту от отказов сети — и при этом по заметно более низкой цене, поскольку резервировать вторую линию не придется. Как показано на Рисунке 2, сетевой оператор предоставляет предприятию канал Gigabit Ethernet. Для этого он конфигурирует семь контейнеров VC-4 при помощи VCAT: четыре контейнера проходят по одному сетевому маршруту, три — по другому. Если, к примеру, маршрут первых четырех контейнеров окажется недоступен, то предприятие все равно сможет использовать свои каналы данных: все еще работают три контейнера, т. е. пропускная способность будет равна 450 Мбит/с.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Сетевые операторы, владеющие магистралью SDH, благодаря GFP, VCAT и LCAS в состоянии предлагать выгодные услуги транспорта Ethernet и трафика сети хранения данных без замены собственной сети. Для межсоединения локальных сетей в различных городах Ethernet по SDH с функциональностью GFP, VCAT и LCAS гораздо более предпочтителен, чем «чистый» Ethernet, поскольку эти технологии должны поддерживаться только конечными устройствами, инсталлированными в большинстве случаев у клиента.

«Чистый» Ethernet, напротив, наряду с коммутатором Ethernet требует наличия отдельных волокон или каналов со спектральным разделением (Wavelength-Division Multiplexing, WDM) для связи одной городской сети с другой. Кроме того, провайдер должен инсталлировать вышестоящую систему управления сетью, что влечет за собой большие расходы.

Таким образом, можно утверждать, что Ethernet по SDH вне конкуренции, когда предприятию необходимы несколько служб сразу — например Gigabit Ethernet, Fast Ethernet и E-1.

Озкан Экице — менеджер по развитию бизнеса компании Adva Optical Networking. С ним можно связаться по адресу: wg@lanline.awi.de.

? AWi Verlag