Телекомунікаційні системи та мережі. Том 1. Структура й основні функції.  /  Зміст  /  Розділ 1. Основи побудови телекомунікаційних систем  /  Тема 1.4. Стисла характеристика існуючих телекомунікаційних технологій

Зміст:

1.4.1. Технології транспортних мереж

Технології SDH/SONET. Мультиплексування потоків інформації при формуванні потужних регіональних і міжрегіональних каналів має два варіанти. Один базується на синхронному мультиплексуванні й називається синхронною цифровою ієрархією (synchronous digital hierarchy, SDH), інший використовує простий асинхронний пакетний обмін і називається асинхронним режимом.

Технологія SDH посідає вагоме місце в телекомунікаційному світі й становить фундамент практично всіх великих мереж — регіональних, національних і міжнародних. Вона була розроблена у Європі для того, щоб одержати стандартний протокол для взаємодії провайдерів; уніфікувати американські, європейські та японські цифрові системи; забезпечити мультиплексування цифрових сигналів на гігабітних швидкостях; забезпечити підтримку функцій експлуатації й технічного обслуговування OA&M (operatіon, admіnіstratіon and maіntenance).

SDH здебільшого застосовується при створенні надійних транспортних мереж із комутацією каналів на базі синхронного мультиплексування з поділом за часом TDM (Tіme Dіvіsіon Multіplexіng), що дозволяє гнучко формувати цифрові канали в широкому діапазоні швидкостей — від декількох мегабіт до десятків гігабіт за секунду. Основна галузь її застосування — первинні мережі операторів зв’язку.

Стандарт SDH призначений для заміни ієрархії асинхронних ліній E-1/E-3 та реалізований в цей час багатьма мережами. Він являє собою модифікацію американського стандарту щодо передачі даних оптичними каналами зв’язку SONET (synchronous optical network). Незважаючи на свою назву SONET не обмежується винятково оптичними каналами. Специфікація визначає вимоги для оптичного одно- і мультимодового волокна, а також для 75-омного коаксіального кабелю CATV 75. Пропускна здатність SONET починається з 51,84 Мбіт/с STS-1 (synchronous transport signal — 1). Більш високі швидкості передачі інформації в SONET кратні цьому значенню (табл. 1.4.1).

Таблиця 1.4.1 Стандартизовані швидкості передачі (кратні швидкості 64 кбіт/с)

STS-1
51,840
STS-18
933,120
STS-3
155,520
STS-24
1244,160
STS-9
466,560
STS-36
1866,240
STS-12
622,080
STS-48
2488,320

Відповідність каналів SONET і SDH наведено в табл. 1.4.2.

Таблиця 1.4.2 Відповідність каналів SONET і SDH

SONET
SDH
STS-3c
STM-1
STS-12c
STM-4
STS-48c
STM-16

SONET використовує поліпшену плезіохронну схему мультиплексування каналів PDH (Plesiochronous Digital Hierarchy — plesios — близький (грецьк.)). У плезіохронній (майже синхронній) ієрархії використовується мультиплексування із чергуванням бітів, а не байтів. Мультиплексор формує з N вхідних потоків один вихідний (мережі, де різні годинники сфазовані з різними стандартами, але всі вони прив’язані до однієї базової частоти, називаються плезіохронними). Оскільки швидкості різних каналів можуть не збігатися й немає структур, які могли б визначити позиції бітів для кожного з каналів, використовується побітова синхронізація. Тому мультиплексор сам вирівнює швидкості вхідних потоків шляхом введення (або вилучення) відповідної кількості бітів. Інформація про введені й вилучені біти передається службовими каналами.

Окрім європейської й американської ієрархії каналів існує також японська. Кожна з цих ієрархій має кілька рівнів (табл. 1.4.3).

Таблиця 1.4.3 Порівняння європейської, американської та японської ієрархії каналів

Рівень
ієрархії
Швидкості передачі для ієрархій
Американська 1544 кбіт/c
Європейська 2048 кбіт/c
Японська 1544 кбіт/c
0
64 (DS0)
64
64
1
1544 (DS1)
2048 (Е1)
1544 (DS1)
2
6312 (DS2)
8448 (Е2)
6312 (DS2)
3
44736 (DS3)
34368 (Е3)
32064 (DSJ3)
4
274176 (Не входить до рекомендації ITU-Т)
139264 (Е4)
97728 (DSJ4)

Стандарт X.25. У 1976 р. був прийнятий стандарт X.25, що став основою всесвітньої системи PSPDN (Packet-Switched Public Data Networks), що базується на 7-рівневій моделі ISO OSI. Стандарт X.25 був удосконалений у 1984 р. З технологічної точки зору X.25 — протокол (ISO 8208:1989; RFC-887, -1381, -1382, -1461, -1598, -1613), який визначає синхронний інтерфейс між термінальним обладнанням (DTE) і обладнанням передачі даних (DCE) (див. рис. 1.2.2) для терміналів, що працюють у пакетному режимі. По суті це протокол зв’язку обладнання з мережею. Основний недолік протоколу X.25 — великі затримки відгуку (типове значення 0,6 с). Терміналом може служити ЕОМ або будь-яка інша система, що задовольняє вимогам X.25. З’єднання DTE — DTE здійснюється через DCE. У протоколі X.25 DCE і DTE використовують статистичне мультиплексування з розподілом за часом. Одночасно можуть реалізовуватися кілька обмінних процесів.

Протокол X.25 працює з пакетами даних довжиною, як правило, 128 байтів, які передаються за адресою, що міститься в пакеті. Однак довжина пакета може перебувати в межах 64—4096 байтів. Розмір пакета, як і величина вікна (кількість пакетів, прийнятих без підтвердження), визначаються на фазі встановлення каналу.

Протокол X.25 підтримує два види з’єднань: віртуальний канал, що комутується (switched virtual circuit, SVC), і постійний віртуальний канал (permanent virtual circuit, PVC). Постійний віртуальний канал є аналогом виділеного каналу. Віртуальний канал, що комутується, нагадує традиційний телефонний виклик. Існують три типи віртуальних каналів, що комутуються та працюють у дуплексному режимі, проте різняться напрямком установлюваних з’єднань: вхідний SVC, двоспрямований SVC і вихідний SVC. Адресат кожного пакета розпізнається за допомогою ідентифікатора логічного каналу (LCI) або номера логічного каналу (LCN). SVC використовуються лише на час з’єднання та стають доступними для повторного використання після роз’єднання.

Стандарт Frame Relay. Стандарт Frame Relay є одним з відносно нових телекомунікаційних протоколів (1993 р.), він забезпечує швидкість передачі даних (1,5 Мбіт/с), менші затримки, проте й меншу надійність доставки інформації, ніж протокол Х.25. Frame Relay призначений для міжмережного обміну й орієнтований на з’єднання. Цей стандарт уводить поняття committed information rates (CIR) — узгодженої швидкості передачі, забезпечуючи кожній аплікації гарантовану смугу пропускання. Якщо аплікація не використовує повністю виділену смугу, інші аплікації можуть поділити між собою вільний ресурс. Frame Relay гарантує більшу швидкість, ніж X.25. Стандарт передбачає 2-, 3- і 4-байтові формати заголовків і синхронну передачу даних. Застосування інкапсуляції гарантує транспортування пакетів інших протоколів через мережі Frame Relay. Максимальний розмір кадру — 1600 октетів.

Технологія ISDN. Технологію ISDN (Іntegrated Servіces Dіgіtal Network — цифрова мережа з інтеграцією служб) було запропоновано групою в 1971 р. Основне призначення ISDN — передача потоку 64 кбіт/с абонентською проводовою лінією й забезпечення інтегрування телекомунікаційних послуг (телефон, факс, дані тощо). Використання для цієї мети телефонних проводів має дві переваги: вони вже існують і можуть використовуватися для подачі живлення на термінальне обладнання.

Базова конфігурація каналів має вигляд 2*B + D = 2*64 + 16 = 144 кбіт/с. Окрім B-каналів і допоміжного D-каналу ISDN може запропонувати й інші канали з більшою пропускною здатністю, канал Н0 зі смугою 384 кбіт/с, Н11 — 1536 і Н12 — 1920 кбіт/c (реальні швидкості цифрового потоку). Для первинних каналів (1544 і 2048 кбіт/с) смуга D-каналу може складати 64 кбіт/с.

ISDN передбачає, що телекомунікаційними каналами передається інформація в цифровому вигляді. Уніфікація швидкостей передачі даних в ISDN сприяє зменшенню габаритів мережного обладнання, оскільки виключає необхідність міжмережних інтерфейсів, які погоджують швидкість окремих частин мережі. Одним із наймасовіших застосувань ISDN є цифрова телефонія.

Технологія ATM. Значні успіхи на шляху міграції від TDM-мереж до пакетних мультисервисних мереж досягнуті з використанням технології АТМ (asynchronous transfer mode). Технологія ATM, яка є широкосмуговою версією ISDN та працює зі швидкістю 150,52 Мбіт/с із пакетом (чарункою) постійної довжини (53 байти) і мінімальним заголовком (5 байтів), ефективна у разі, коли основним завданням мережі оператора є передача мультимедійного трафіка реального часу й телеметрії (передача критичної до затримок інформації). Слово «асинхронний» у назві технології означає, що тактові генератори передавача й приймача не синхронізовані, а самі чарунки передаються й мультиплексуються за запитами. При мультиплексуванні використовується статистична технологія. Асинхронне передавання не передбачає упорядкування чарунок по каналах при пересиланні. ATM підтримує апаратну й пакетну комутацію. У рамках технології АТМ, що реалізує режим віртуальних з’єднань, для забезпечення заданої якості зв’язку необхідні мережні ресурси резервуються вздовж одного найкоротшого в рамках прийнятих критеріїв шляху (маршруту), що зумовлено відносною простотою подібного підходу.

За допомогою ATM-каналів (~150 Мбіт/с) поєднуються розподільні вузли, чого вже сьогодні недостатньо. Вже починають широко впроваджуватися канали із пропускною здатністю 150,52 і 622,08 Мбіт/с. Ці канали, як для з’єднання локальних мереж, так і безпосередньо для побудови швидкісних LAN, можуть забезпечити більшість сучасних телекомунікаційних послуг, окрім телебачення з високою чіткістю. Передбачено стандарт і на швидкість передачі 2,48832 Гбіт/c. Оскільки час доставки для багатьох видів мережних послуг реального часу є вкрай важливою характеристикою, АТМ знаходить широке застосування в телефонії, кабельному телебаченні й інших галузях.

Основна перевага технології ATM полягає в комбінації плюсів комутації каналів і пакетів, а також у високій якості сервісу. Останнє досягається здебільшого за рахунок гарантованої постійної швидкості передачі й незначного часу затримки пакетів. Певні труднощі пов’язані з тим, що в ATM важко реалізувати обмін без встановлення з’єднання (аналог UDP в Інтернеті). Обмежують використання технології АТМ також висока вартість обладнання й недостатня розвиненість АТМ-сервісу (складність настроювання/обслуговування обладнання) у мережах загального користування.

Технологія IP. На сьогодні саме технологія ІP претендує на роль основи мережі майбутнього, хоча згодом може з’явитися й більш вдале рішення. Одна з переваг технології ІP полягає в тому, що за допомогою тих самих ресурсів вона дозволяє надати велику кількість послуг. У той же час існує й низка проблем: гарантована якість сервісу й час доставки, організація широкосмугових каналів тощо. Застосування стека протоколів TCP/ІP, поширення Інтернету (підвищення швидкості й дальності комунікацій) створюють передумови для розробки стандартів пакетної передачі різної інформації крім ІP. Для багатьох аплікацій мережі ІP стали дешевшим транспортом, ніж ATM або Frame Relay. Єдина мультисервісна ІP-мережа (поділюваний ресурс) може забезпечувати високий рівень доступності й надійності сервісу для послуг реального часу (віртуальна виділена лінія, ІP-телефонія, цифрове мультимедіа) і послуг, що не вимагають жорстких часових характеристик.

В ІP-мережах забезпечується збалансоване та гранично повне завантаження мережі, що досягається на підставі реалізації таких основних принципів:

  1. Пакетний принцип передачі даних і управління.
  2. Адаптація довжини пакета до умов передачі (фрагментація/дефрагментація).
  3. Інкапсуляція пакетів один в одного.
  4. Дейтаграмний спосіб передачі повідомлень.

Технологія MPLS. Останнім словом у розвитку транспортних мереж є технологія багатопротокольної комутації міток MPLS (MultіProtocol Label Swіtchіng). MPLS розглядається як масштабна мережа конвергенції, у ній збережене все краще, що властиво архітектурі ІP-over-ATM (управління трафіком, висока продуктивність), і при цьому вона підвищує масштабованість мереж, спрощує їх побудову й експлуатацію. MPLS підтримується сьогодні в пристроях Cіsco Systems, Junіper, Lucent, Nortel, Sіemens і низці інших великих виробників мережного обладнання, також принаймні п’ять провідних світових провайдерів уже надають відповідні послуги, серед них — AT&T, Equant, Cable&Wіreless.

MPLS орієнтована на встановлення з’єднання й створює передумови для поєднання ІP із протоколами Frame Relay й особливо ATM, а також для забезпечення класів послуг — класів еквівалентності пересилання даних FEC. MPLS використовує й розвиває концепцію віртуальних каналів у мережах X.25, Frame Relay і ATM, поєднуючи її з технікою вибору шляхів на основі інформації про топологію й поточне завантаження мережі. Це дозволяє прискорити передачу трафіка, раціональніше завантажити мережу, усунути дублювання функцій управління, а також у багатьох випадках виключити необхідність виконання великого обсягу ручної роботи при прокладці віртуальних каналів. Таким чином, MPLS передбачає наділення комутаторів ATM функціями маршрутизаторів.