Под оперативным переключением понимается установление полупостоянных соединений между различными каналами и трактами. Следует подчеркнуть разницу между оперативным переключением и коммутацией. При коммутации устанавливаются временные соединения на вторичной сети, причем осуществляется это под управлением абонентов сети. Полупостоянные соединения при оперативных переключениях устанавливаются на первичной сети по командам сетевого оператора с использованием средств сетевого управления.
На сети СЦИ выполнение функций по оперативному переключению может производиться с помощью встроенных устройств, имеющихся во многих видах аппаратуры. Именно с помощью подобных устройств осуществляются, например, различные переключения потоков в МВВ. Таким образом, функции оперативного переключения могут быть распределены по сети между многими сетевыми элементами.
Тем не менее, во многих случаях удобно иметь специальную автономную аппаратуру оперативного переключения (АОП) СЦИ. Такая аппаратура имеет гораздо больше портов, чем мультиплексоры (до нескольких сотен портов STM-1 или нескольких тысяч портов 2 Мбит/с). С помощью АОП могут создаваться сети, имеющие ячеистую (решетчатую) структуру. Выделяют несколько типов АОП, различающиеся тем, на каких уровнях виртуальных контейнеров осуществляется ввод и переключение потоков.
АОП типа 4/4 может обрабатывать сигналы всех уровней СЦИ, т.е. STM-1, STM-4 и STM-16 (155, 622 Мбит/с и 2,5 Гбит/с соответственно), а также плезиохронные сигналы 140 Мбит/с. Переключение производится на уровне VC-4.
АОП типа 4/1 имеет порты для синхронных сигналов STM-1 (иногда и STM-4) и плезиохронных сигналов 140 и 2 Мбит/с. Переключение производится на уровнях VC-4 и VС-1.
АОП типа 4/3/1 имеет кроме того порты для плезиохронных сигналов 34 Мбит/с, а переключение может производится на уровнях VC-4, VC-3 и VC-1.
Архитектура сетей СЦИ
Общие положения
Согласно современным взглядам, принятым в большинстве развитых стран, реконструирующих свои сети связи на базе СЦИ, перспективная сеть должна иметь иерархическую трехуровневую архитектуру (Рис. 6.44). Такая архитектура позволяет наиболее рационально построить гибкую, надежную и экономичную сеть.
Рис. 6.44. Трехуровневая архитектура сети СЦИ
Верхний (базовый, магистральный) уровень образуется главными узлами, в которых устанавливается АОП 4/4. Основными единицами, которыми обмениваются эти узлы, служат виртуальные контейнеры VC-4. Каждая линия несет по несколько STM-4 или STM-16. Структура сети на этом уровне решетчатая.
Средний уровень состоит из нескольких соединительных (региональных) сетей, каждая из которых охватывает определенную территорию. Узлы этих сетей обмениваются не только VC-4, но и более мелкими единицами, например, VC-12. Поэтому в узлах используется АОП 4/1, а также МВВ. Важнейшие узлы этого уровня выходят на один или несколько узлов верхнего слоя. Структура соединительных сетей может быть и кольцевой, и решетчатой. В линиях организуются тракты STM-4.
Нижний уровень составляют сети доступа, куда и включаются основные источники и потребители нагрузки. Каждая из сетей доступа выходит на один или несколько узлов среднего уровня. Структура сетей кольцевая на основе МВВ, тракты STM-1 или STM-4.
В самых общих чертах можно охарактеризовать функции каждого уровня следующим образом: верхний уровень создает сеть трактов VC-4, средний - осуществляет перераспределение трактов VC-12 и VC-3 между VC-4, нижний - обеспечивает доступ к сети пользователей.
Преимуществами подобной иерархической архитектуры являются:
· возможность независимого развития и реконструкции каждого из уровней;
· концентрация потоков нагрузки, позволяющая использовать линейные тракты высокой пропускной способности, что дает экономию при построении сети;
· возможность осуществлять контроль, управление и резервирование отдельно на каждом уровне, что упрощает и ускоряет ликвидацию последствий отказов на сети.
Разумеется, описанная модель дает только общую схему, от которой возможны различные отступления. В каждом конкретном случае может быть изменены количество уровней, структуры сетей, функции уровней могут частично перекрываться и т.п. Типовыми структурами при построении сетей СЦИ являются кольцевые на базе МВВ и решетчатые на базе АОП.
Важным аспектом проектирования сетей СЦИ является обеспечение их надежности и живучести. Сама по себе аппаратура СЦИ, как уже указывалось выше, весьма надежна. Кроме того, встроенные средства контроля и управления облегчают и ускоряют обнаружение неисправностей и переключение на резерв.
Однако, преимущества СЦИ в части надежности и живучести не реализуются в полной мере сами по себе. Это объясняется тем, что ВОЛС обладают огромной пропускной способностью, и отказ даже одного участка может привести к разрыву связи для десятков тысяч пользователей и значительным экономическим потерям. Например, когда в начале 1991 года в США был случайно оборван один оптический кабель, обслуживающий Нью-Йорк, то 60% всех вызовов на городской сети оказались блокированы на 8 часов, прекратилась работа товарных бирж, на 5 часов были выведены из строя средства управления воздушным движением в аэропортах Нью-Йорка, Вашингтона и Бостона.
Поэтому необходимо применять специальные меры по обеспечению отказоустойчивости сетей, закладывая резервные емкости и предусматривая алгоритмы реконфигурации сетей при отказах ее элементов. Целый ряд факторов облегчает принятие указанных мер: значительные емкости ВОЛС и снижение стоимости одного каналокилометра в них; наличие средств контроля и управление СЦИ; деление сети СЦИ на независимые функциональные слои; возможности интеллектуальных мультиплексоров и АОП.
Отмеченные обстоятельства привели к концепции построения так называемых самозалечивающихся сетей на основе СЦИ. Ее суть - создание сети, которая при выходе из строя отдельных элементов способна сохранять или автоматически восстанавливать в короткое время нарушенные связи без серьезных последствий для пользователей.
Простейшим способом самозалечивания является резервирование по схеме 1+1 при соединении "точка-точка" (см. Рис. 6.42). В этом случае два пункта соединяются между собой двумя кабелями по географически разнесенным трассам. Каждый сигнал передается одновременно по обеим трассам, а на приемном конце осуществляется автоматический контроль поступающих сигналов и выбор лучшего из них.
Кольцевые сети
Возможности МВВ позволяют организовывать кольцевые самозалечивающиеся сети.
Существуют два варианта их построения: однонаправленное и двунаправленное кольцо.
При первом варианте каждый входной поток направляется вокруг кольца в обоих направлениях, а на приемной стороне, как и в случае схемы 1+1, осуществляется выбор лучшего сигнала. Для построения кольца используются два волокна. Передача по всем основным путям происходит в одном направлении (например, по часовой стрелке), а по всем резервным - в противоположном (деление на основной и резервный пути здесь является условным, так как они оба равноправны). Поэтому такое кольцо называется однонаправленным, с переключением трактов или с закрепленным резервом.
Схема прохождения сигналов обоих направлений передачи для одного соединения по основному и резервному путям в таком кольце изображена на Рис. 6.45.
Рис. 6.45. Однонаправленное кольцо
В случае двунаправленного кольца с двумя волокнами удвоение сигнала не производится. При нормальной работе каждый входной поток направляется вдоль кольца по кратчайшему пути в любом направлении (отсюда и название "двунаправленное"). При возникновении отказа посредством МВВ на обоих концах отказавшего участка осуществляется переключение всего потока информации, поступавшего на этот участок, в обратном направлении. О таком кольце также говорят, что в нем осуществляется переключение секций или защита с совместно используемым резервом.
Пример двунаправленного кольца приведен на Рис. 6.46 и Рис. 6.47. На них показаны схемы прохождения сигналов обоих направлений передачи для одного соединения при нормальном режиме работы (Рис. 6.46) и в аварийном режиме при отказе одного из участков кольца, перечеркнутого крестом (Рис. 6.47).
Рис. 6.46. Двунаправленное кольцо в нормальном режиме
Рис. 6.47. Двунаправленное кольцо в аварийном режиме
Возможно также двунаправленное кольцо с четырьмя волокнами. Оно обеспечивает более высокий уровень отказоустойчивости, чем кольца с двумя волокнами, однако затраты на его построение существенно больше, поэтому такой вариант применяется реже.
Двунаправленное кольцо в большинстве случаях оказывается более экономичным, требуя меньшую пропускную способность. Это объясняется тем, что сигналы, передаваемые на различных непересекающихся участках такого кольца, могут использовать одни и те же емкости (как в основном, так и в аварийном режимах работы). В то же время однонаправленное кольцо проще в реализации. Анализ типичных ситуаций показывает, что каждый из двух видов кольцевой архитектуры имеет свою область предпочтительного применения.
Однонаправленные кольца больше подходят для случаев центростремительного трафика. Это типично для сетей доступа, предназначенных для подключения пользователей к ближайшему узлу. Двунаправленные кольца более выгодны при достаточно равномерном распределении трафика, при котором становится заметным их преимущество в пропускной способности. Поэтому их применение целесообразно для соединительных сетей.
При обоих вариантах возможно сохранение полной работоспособности сети при любом одиночном отказе.
Сети на основе АОП
Для сети с произвольной структурой, в узлах которой установлена АОП, в случаях возникновения на сети отказов, разрывающих имеющиеся тракты, возможно переключение потоков с использованием резервов пропускной способности работоспособных линий (реконфигурация).
На Рис. 6.48 показан пример фрагмента сети и схема прохождения трактов на нем при нормальном режиме работы. На Рис. 6.49 - тот же фрагмент после реконфигурации, вызванной отказом линии между узлами А и В.
Рис. 6.48. Сеть на основе АОП в нормальном режиме
Рис. 6.49. Сеть на основе АОП в аварийном режиме
В сетях на основе АОП резервирование может осуществляться с использованием различных маршрутов, число которых тем больше, чем больше связность сети и чем больше резервы по пропускной способности. Поэтому в таких сетях возможна зашита от одновременных отказов нескольких элементов, а не только от одиночных отказов, как в кольцевых сетях.
Самозалечивание на основе АОП имеет несколько вариантов организации. Во-первых, процедура реконфигурации может быть централизованной или децентрализованной (распределенной). В первом случае необходим сетевой центр управления, который собирает информацию о состоянии всех элементов сети, при необходимости принимает решение о реконфигурации и рассылает соответствующие команды на переключение всем АОП. Основное преимущество централизованного метода в том, что он более прост в реализации. Основной недостаток - критичность к отказам центра управления и к потере или искажению информации, поступающей в центр, и команд, идущих от центра к АОП.
Полностью распределенные процедуры не требуют наличия подобного центра. В этом случае при возникновении отказов на сети комплекты АОП различных узлов, обмениваясь между собой сообщениями, определяют состояние сети, вырабатывают согласованное решение по реконфигурации и реализуют принятое решение. Основной недостаток - гораздо большая сложность распределенных процедур, и как следствие - большие временные затраты на их выполнение.
Далее, выбор нового плана распределения потоков может осуществляться или путем обращения к процедурам поиска в ответ на изменение состояния сети в реальном масштабе времени, или на основании заранее рассчитанных и хранящихся в памяти процессоров центра управления или АОП конфигурационных таблиц.
В первом варианте в принципе может быть проанализирована любая ситуация на сети, однако здесь следует учитывать ограничение на время принятия решения. Во втором - возникает трудность, обусловленная тем, что общее число всех возможных состояний сети весьма велико. Поэтому иметь таблицу, охватывающую все множество состояний невозможно, так как ее хранение потребовало бы недостижимого на практике объема памяти, а время поиска в ней было бы недопустимо большим. В связи с этим приходится ограничиваться охватом некоторого подмножества состояний сети, размер которого выбирается с одной стороны, учитывая требования по отказоустойчивости, а с другой - исходя из реальных возможностей по объему памяти и быстродействию. Например, это подмножество может включать только состояния с одним отказавшим элементом, или все состояния с одним отказом и часть состояний с двумя и т.п.
Наконец, существуют комбинированные методы. Например возможен подход, при котором АОП всех узлов хранит конфигурационные таблицы, охватывающие некоторое подмножество возможных состояний сети. При отказах включается распределенная процедура определения состояния сети, после выполнения которой принимается решение о реконфигурации на основании имеющихся таблиц. Состояние всей сети контролируется также единым центром, который при необходимости обновляет конфигурационные таблицы и рассылает их всем узлам. В этом случае выход из строя центра управления не приведет к полной блокировке процедур самозалечивания, а может только снизить их эффективность.