Сети и технологии ISDN и SDH

Сети и технологии ISDN. Сети ISDN (Integrated Services Digital Network — цифровая сеть с интеграцией услуг) относятся к классу сетей, изначально предназначенных для передачи как данных, так и голоса. Это сети, обеспечивающие цифровое соединение между око­нечными абонентами сети для предоставления широкого набора ус­луг, к которым пользователи получают доступ через ограниченное число стандартных многофункциональных интерфейсов.

В сетях ISDN используется цифровая технология, получающая все большее распространение, так как:

• цифровые устройства, используемые в ISDN, производятся на ос­нове интегральных схем высокой интеграции; по сравнению с ана­логовыми устройствами они отличаются большой надежностью и устойчивостью в работе и, кроме того, в производстве и эксплуа­тации, как правило, дешевле;

• цифровую технологию можно использовать для передачи любой информации по одному каналу (акустических сигналов, телевизи­онных видеоданных, факсимильных данных);

• цифровые методы преодолевают многие из ограничений передачи

и хранения, которые присущи аналоговым технологиям.

В сетях ISDN при передаче аналогового сигнала осуществляется преобразование его в последовательность цифровых значений, а при приеме — обратное преобразование.

Аналоговый сигнал проявляется как постоянное изменение амп­литуды во времени. Например, при разговоре по телефону, который действует как преобразователь акустических сигналов в электричес­кие, механические колебания воздуха (чередование высокого и низ­кого давления) преобразуются в электрический сигнал с такой же ха­рактеристикой огибающей амплитуды. Однако непосредственная пе­редача аналогового электрического сигнала по телефонной линии связи сопряжена с рядом недостатков: искажение сигнала вследствие его нелинейности, которая увеличивается усилителями, затухание сигна­ла при передаче через среду, подверженность влиянию шумов в ка­нале и др.

В ISDN эти недостатки преодолимы. Здесь форма аналогового сиг­нала представляется в виде цифровых (двоичных) образов, цифровых значений, представляющих соответствующие значения амплитуды огибающей синусоидальных колебаний в точках, на дискретных уров­нях. Цифровые сигналы также подвержены ослаблению и шумам при, их прохождении через канал, однако на приемном пункте необходимо отмечать лишь наличие или отсутствие двоичного цифрового импуль­са, а не его абсолютное значение, которое важно в случае аналогово­го сигнала. Следовательно, цифровые сигналы принимаются надеж­нее, их можно полностью восстановить, прежде чем они из-за затуха­ния станут ниже порогового значения.

Подключение пользовательского оборудования к сети ISDN про­изводится на одной из двух стандартных скоростей [23]. Первая из них — «базовая» скорость (BRI — Basic Rate Interface), а вторая — «первичная» (PRI — Primary Rate Interface). При передаче информа­ции по BRI в канале создаются три логических подканала, два из ко­торых, называемые В -каналами, предназначены для передачи «полез­ной» информации пользователя (в частности, голоса). Каждый из В -каналов требует полосы пропускания 64 Кбит/с. Третий подканал, называемый D -каналом, требует такой же полосы пропускания и ис­пользуется прежде всего для передачи служебной информации, кото­рая определяет порядок обработки информации, передаваемой по B -каналам. Иногда D -канал используется для передачи полезной ин­формации, его полоса пропускания равна 16 Кбит/с. Следовательно, общая полоса пропускания, т.е. скорость передачи, соответствующая интерфейсу BRI, составляет 144 Кбит/с.

Канал PRI имеет свою специфику в разных странах. В США, Ка­наде и Японии он состоит из двух B -каналов и одного D -канала, каж­дый из них имеет пропускную способность 64 Кбит/с, а общая пропус­кная способность PRI -канала равна 1536 Кбит/с (с учетом служеб­ной информации). В Европе канал PRI занимает полосу пропускания 1920 Кбит/с.

Большая полоса пропускания каналов, необходимая для построе­ния сетей ISDM, является основным препятствием на пути их распро­странения, особенно в странах со слаборазвитой инфраструктурой высокоскоростных каналов связи. Однако существуют механизмы, позволяющие строить такие сети, более экономно используя полосу пропускания каналов связи. Один из таких механизмов позволяет уп­лотнять B -каналы, используемые для передачи голоса. При этом реа­лизуется техника кодирования (преобразования акустических сиг­налов в цифровой код), получившая название импульсно-кодовой модуляции (ИКМ). В настоящее время техника кодирования голоса шагнула далеко вперед, обеспечивая вполне приемлемое каче­ство голосовой связи при гораздо меньшей полосе пропускания (в од­ном из практических случаев голосовая информация, передава­емая по каждому из B-каналов, сжимается и передается со скоростью 6,33 Кбит/с [23]).

Преобразование аналоговых сигналов в цифровые осуществляет­ся различными методами. Один из них — импульсно-кодовая модуля­ция (ИКМ), предложенная в 1938 г. А.Х. Ривсом (США). При исполь­зовании ИКМ процесс преобразования включает три этапа: отобра­жение, квантование и кодирование (рис. 13.3).

 

Рис. 13.3. Преобразование аналогового сигнала в 8-элементный цифровой код

Первый этап основан на теории отображения Найквиста. Основное положение этой теории гласит: «если аналоговый сигнал отображается на регулярном интервале с частотой не менее чем в два раза выше мак­симальной частоты исходного сигнала в канале, то отображение будет содержать информацию, достаточную для восстановления исходного сигнала». При передаче акустических сигналов (речи) представляющие их электрические сигналы в телефонном канале занимают полосу час­тот от 300 до 3300 Гц. Поэтому в ISDN принята частота отображений, равная 8000 раз в секунду. Отображения, каждое из которых называется сигналом импулъсно-амплитудной модуляции (ИАМ), запоминаются, а затем трансформируются в двоичные образы.

На этапе квантования каждому сигналу ИАМ придается кванто­ванное значение, соответствующее ближайшему уровню квантова­ния. Весь диапазон изменения амплитуды сигналов ИАМ разбивается на 128 или 256 уровней квантования. Чем больше уровней квантова­ния, тем точнее амплитуда ИАМ-сигнала представляется квантован­ным уровнем.

На этапе кодирования каждому квантованному отображению ста­вится в соответствие 7-разрядный (если число уровней квантования равно 128) или 8-разрядный (при 256-шаговом квантовании) двоич­ный код. На рис. 13.3 показаны сигналы 8-элементного двоичного кода 00101011, соответствующего квантовому сигналу с уровнем 43. При кодировании 7-элементными кодами скорость передачи данных по каналу должна составлять 56 Кбит/с (это произведение частоты ото­бражения на разрядность двоичного кода), а при кодировании 8-эле-ментными кодами — 64 Кбит/с.

В современных ISDN используется и другая концепция преобразо­вания аналоговых сигналов в цифровые, при которой квантуются и затем кодируются не сами сигналы ИАМ, а лишь их изменения, при­чем число уровней квантования принимается таким же. Очевидно, что такая концепция позволяет производить преобразование сигналов с большей точностью.

Пример 13.4. Сколько одновременных разговоров N_p можно обеспе­чить по многоканальной линии связи в цифровой сети связи, если заданы:

• V_лс = 1,536 Мбит/с — суммарная пропускная способность линии связи;

• V_от = 8000 отобр./с — скорость отображения аналоговых сигналов при преобразовании их в цифровые;

• п_э = 8-разрядность двоичного кода, представляющего в линии свя­зи одно отображение?

Суммарная пропускная способность линии связи определяется по формуле

где n_kc — число каналов в многоканальной линии связи.

Так как по всем каналам можно вести разговор одновременно и неза­висимо, то N_p = N_kc.

Следовательно, Отсюда

По мнению специалистов [23], развитию сетей и технологий ISDN способствуют такие факторы: либерализация и приватизация в облас­ти телекоммуникаций (это приводит к появлению новых конкурентов и новых сетевых продуктов); сближение технологий информатизации, телекоммуникаций и отрасли развлечений (это положительно воздей­ствует на развитие кабельного телевидения, спутниковой связи и ра­диодоступа, при этом на первое место выходит задача обеспечения комплексности предоставления услуг связи); развитие сети Интернет; непрекращающийся рост сетей подвижной связи (эти сети растут зна­чительно быстрее фиксированных сетей, причем наблюдается перерас­пределение трафика — с фиксированных сетей на сети подвижной свя­зи). Разное состояние этих факторов, выступающих в роли движущих сил развития ISDN-сетей, приводит к различию стратегических и так­тических подходов в деле их внедрения в разных странах.

Резкое возрастание роли ISDN-сетей объясняется тем, что они обеспе­чивают интегрированный доступ к речевым и неречевым услугам, имеют сложившуюся инфраструктуру, являются цифровыми сетями, основанны­ми на использовании цифровых каналов 64 Кбит/с, обладают достаточной гибкостью. Популяризация ISDN-сети возрастает, поскольку по определе­нию она является мультисервисной (обеспечивает услуги по предоставле­нию связи, доставке информации, а также дополнительные услуги), ори­ентированной на приложения. Термин «приложение» означает определен­ную сферу применения ISDN (например, дистанционное обучение), а термин «решение» используется для объяснения, каким образом данное приложе­ние реализуется средствами ISDN (дистанционное обучение осуществля­ется с помощью услуги видеоконференц-связи).

Технология ISDN стабильно развивается, а сеть на ее основе име­ет необходимые интерфейсы с не ISDN-сетями. Кроме того, имеется большой набор терминального оборудования для ISDN-сетей.

Терминальное оборудование ISDN разбивается на такие группы: цифровые телефонные аппараты, терминальные адаптеры для ПК, оборудование видеосвязи.

Основные средства доступа к сети ISDN: маршрутизаторы или мосты локальных сетей, оконечные сетевые устройства базового и первичного доступа для ВОЛС и медных линий связи, мультиплексо­ры (для сбора и передачи информации от удаленных абонентов), сис­темы для проведения видеоконференций, мини-УАТС (управленчес­кие автоматические телефонные станции).

Цифровые УАТС с функциями ISDN позволяют: более полно ис­пользовать каналы связи для передачи данных и речи, выйти абонен­ту в сеть ISDN с различных устройств (телефона, факса, компьюте­ра), одновременно передавать речь и данные (если в составе УАТС имеются двухпроводные цифровые телефонные аппараты с расши­ренными функциями и портом для подключения ПК), подключать мосты или маршрутизаторы для взаимодействия удаленных ЛВС.

Сети и технологии ISDN предоставляют пользователям следую­щие основные услуги: передача данных со скоростью 64 Кбит/с, пе­редача речи в цифровом виде, телетекст, факс, видеосвязь. При ис­пользовании каждой из них абонент может воспользоваться такими дополнительными услугами, как организация замкнутых групп пользо­вателей, организация конференц-связи, предоставление сети своего но­мера или отказ на предоставление и др.

Таким образом, сети ISDN, основной целью разработки которых было объединение в одной сети трафиков цифровых телефонных се­тей и компьютерных данных, в настоящее время широко используют­ся для решения задач по передаче информации в следующих облас­тях: телефония, передача данных, объединение ЛВС, доступ к глобаль­ным компьютерным сетям, интеграция различных видов трафика, передача трафика, чувствительного к задержкам (звук, видео).

Сети и технологии SDH. В сетях стандарта SDH (Synchronous Digital Hierarchy — синхронная цифровая иерархия) реализуется тех­нология синхронных волоконно-оптических сетей. Это высокоскоро­стные сети цифровой связи, которые строятся на базе оптоволокон­ных кабельных линий или цифровых радиорелейных линий. Основу инфраструктуры современных высокоскоростных телекоммуникаци­онных сетей (магистральных, региональных или городских) состав­ляют цифровые линии и узлы сети стандарта SDH.

При построении сетей SDH используются следующие модули [40]:

• мультиплексоры SDH — это основные функциональные модули сетей SDH, предназначенные для сборки высокоскоростного по­тока информации из низкоскоростных потоков и разборки высо­коскоростного потока на низкоскоростные;

• коммутаторы обеспечивают связь каналов, закрепленных за пользователями, путем полупостоянного перекрестного соедине­ния между ними;

• концентраторы служат для объединения однотипных потоков не­скольких удаленных узлов сети в одном распределенном узле;

• регенераторы — это устройства мультиплексирования с одним оп­тическим каналом доступа и одним-двумя выходами, используе­мыми для увеличения расстояния между узлами сети SDH. Сети и технологии SDH отличаются высоким уровнем стандар­тизации (что позволяет в одной сети использовать оборудование раз­ных фирм-производителей), высокой надежностью (централи­зованное управление сетью обеспечивает полный мониторинг состо­яния узлов), наличием полного программного контроля (отслежи­вание и регистрация аварийных ситуаций, управление конфигура­цией сети осуществляется программными средствами с единой кон­соли управления), возможностью оперативного предоставления ус­луг по требованию, сравнительно простой схемой развития сети. Бла­годаря этим преимуществам технология SDH стала основной при построении цифровых транспортных сетей самого различного мас­штаба.

Топология всей SDH-сети формируется из отдельных базовых то­пологий типа «кольцо», «линейная цепь», «звезда», «точка-точка», которые используются в качестве сегментов сети. Чаще применяется радиально-кольцевая архитектура SDH-сети, построенная на базе коль­цевой и линейной топологий.

В России наибольшую активность в использовании SDH-технологии проявляет АО «Ростелеком». Это АО ежегодно строит 5—6 тыс. км магистральных цифровых линий на основе волоконно-оптических ка­белей (ВОЛС) и цифровых радиорелейных линий [40]. Компанией RASCOM построена в 1994 г. и эксплуатируется высокоскоростная цифровая оптоволоконная магистральная линия стандарта SDH меж­ду Москвой и Санкт-Петербургом протяженностью 690 км.

Сети и технологии ATM

Технология ATM (Asynchronous Transfer Mode — режим асинхрон­ной передачи) является одной из самых перспективных технологий по­строения высокоскоростных сетей. Она обеспечивает максимально эффективное использование полосы пропускания каналов связи при передаче различного рода информации: голоса, видеоинформации, дан­ных от самых разных типов устройств — асинхронных терминалов, узлов сетей передачи данных, локальных сетей и т.д. (к таким сетям относятся практически все ведомственные сети). Сети, в которых ис­пользуется ATM-технология, называются ATM-сетями. Эффектив­ность ATM-технологии заключается в возможности применения раз­личных интерфейсов для подключения пользователей к сетям ATM.

Основные особенности ATM-технологии [60].

1. ATM — это асинхронная технология, так как пакеты небольшо­го размера, называемые ячейками (cells), передаются по сети, не зани­мая конкретных временных интервалов, как это имеет место в B-ка­налах сетей ISDM.

2. Технология ATM ориентирована на предварительное (перед пе­редачей информации) установление соединения между двумя взаимо­действующими пунктами. После установления соединения ATM-ячей­ки маршрутизируют сами себя, поскольку каждая ячейка имеет поля, идентифицирующие соединение, к которому она относится.

3. По технологии ATM допускается совместная передача различных видов сигналов, включая речь, данные, видеосигналы. Достигаемая при этом скорость передачи (от 155 Мбит/с до 2,2 Гбит/с) может быть обес­печена одному пользователю, рабочей группе или всей сети. В ATM-ячейке не предусматриваются позиции для определенных видов переда­ваемой информации, поэтому пропускная способность канала регули­руется путем выделения полосы пропускания потребителю.

4. Поскольку передаваемая информация разбивается на ячейки фиксированного размера (53 байта), алгоритмы их коммутации реа­лизованы аппаратно, что позволяет устранить задержки, неизбежные при программной реализации коммутации ячеек.

5. ATM-технология обладает способностью к наращиваемости, т.е. к увеличению размера сети путем каскадного соединения нескольких АТМ-коммутаторов.

6. Построение ATM-сетей и реализация соответствующих технологий возможны на основе оптоволоконных линий связи, коаксиальных кабелей, неэкранированной витой пары. Однако в качестве стандарта на физичес­кие каналы для ATM выбран стандарт на оптоволоконные каналы связи синхронной цифровой иерархии SDH. Технология мультиплексирования и коммутации, разработанная для SDH, стала ATM-технологией.

7. ATM-технологии могут быть реализованы в ATM-сетях прак­тически любой топологии, но оконечное оборудование пользователей подключается к коммутаторам ATM индивидуальными линиями по схеме «звезда».

Главное отличие ATM-технологии от других телекоммуникаци­онных технологий заключается в высокой скорости передачи инфор­мации (в перспективе — до 10 Гбит/с), причем привязка к какой-либо одной скорости отсутствует. Важным является и то обстоятельство, что ATM-сети совмещают функции глобальных и локальных сетей, обеспечивая идеальные условия для «прозрачной» транспортировки различных видов трафика и доступа к услугам и службам взаимодей­ствующих с сетью ATM-сетей.

ATM-технология допускает использование как постоянных (PVC), так и коммутируемых виртуальных каналов (SVC).

Постоянные каналы PVC представляют собой соединение (после предварительной настройки) между взаимодействующими пользова­телями сети, которое существует постоянно. Устройства, связывае­мые постоянным виртуальным каналом, должны вести довольно гро­моздкие таблицы маршрутизации, отслеживающие все соединения в сети. Следовательно, рабочие станции, соединенные PVC, должны иметь таблицы маршрутизации всех остальных станций сети, что нерационально и может вызывать задержки в передаче.

Коммутируемые виртуальные каналы (SVC) позволяют устранить необходимость ведения сложных таблиц маршрутизации и таким об­разом повысить эффективность функционирования сети. Здесь соеди­нение устанавливается динамически, при этом используются АТМ-маршрутизаторы. В отличие от традиционных маршрутизаторов, ко­торые требуют физического подключения сетевого сегмента к каждо­му из своих портов, в ATM-маршрутизаторах используется не физи­ческая архитектура с ориентацией на соединения, а виртуальная сетевая архитектура, ориентированная на протоколы. Такие маршрутизаторы необходимы и удобны для создания виртуальной сети, для которой характерной является возможность переключения пользова­телей, находящихся в любой точке сети, с одного сегмента на другой с сохранением виртуального адреса рабочей группы, что упрощает ад­министратору сети задачу учета изменений списка пользователей.

ATM-технология способна обрабатывать трафики различных классов.

В существующих спецификациях предусмотрены четыре класса трафика, которые могут быть в режиме ATM [60].

• Класс А — синхронный трафик с постоянной скоростью передачи и с предварительным установлением соединения. Протокол, обслу­живающий трафик этого класса, предназначен для обеспечения по­требностей в сетевых услугах при передаче информации с посто­янной скоростью (передача и прием ATM-ячеек по ATM-пути осуществляются с одной и той же скоростью). Примеры такого тра­фика — несжатая речь, видеоинформация.

• Класс В — синхронный трафик с переменной скоростью передачи и с предварительным установлением соединения (например, сжа­тая речь, видеоинформация). Здесь, как и в случае трафика класса А, необходимы синхронизация аппаратуры отправителя и полу­чателя и предварительное установление связи между ними, но до­пускается переменная скорость передачи. Информация передает­ся через фиксированные промежутки времени, но ее объем в тече­ние сеанса передачи может изменяться. Если объем передаваемой информации превышает фиксированный размер одной ячейки, эта информация разбивается на несколько ячеек, сборка которых осу­ществляется в пункте назначения.

• Класс С — асинхронный трафик с переменной скоростью переда­чи и с предварительным установлением соединения. Здесь синхро­низации аппаратуры отправителя и получателя не требуется. Та­кой способ передачи необходим в сетях с коммутацией пакетов (сети Х.25, Интернет, сети с ретрансляцией кадров). Трафик клас­са С, видимо, станет основным для передачи информации в гло­бальных сетях.

• Класс D — асинхронный трафик с переменной скоростью переда­чи и без установления соединения. Протокол, управляющий дос­тавкой трафика класса D, разработан для обеспечения многоби­товой коммутации данных без установления соединения. В этом протоколе предусматривается использование кадров переменной длины: с помощью передатчика каждый кадр делится на сегменты фиксированного размера, которые помещаются в ATM-ячейки; приемник собирает сегменты в исходный кадр, завершая таким образом процесс, который называется сегментацией и сборкой. Режим асинхронной передачи основан на концепции двух оконеч­ных пунктов сети (абонентских систем, терминалов), осуществляю­щих связь друг с другом через совокупность промежуточных комму­таторов. При этом используются интерфейсы двух типов: интерфейс пользователя с сетью (UNI — User-to-Network Interface) и интерфейс между сетями (NNI — Network-to-Network Interface). UNI соединяет устройство оконечного пользователя с общедоступным или частным ATM-коммутатором, a NNI представляет собой канал связи между двумя ATM-коммутаторами сети (рис. 13.4).

Рис. 13.4. Сеть на базе ATM

 

Соединение между двумя оконечными пунктами сети (напомним, что ATM-технология ориентирована на предварительное установле­ние соединения) возникает с того момента, когда один из них переда­ет через UNI запрос в сеть. Этот запрос через цепочку АТМ-коммутаторов отправляется в пункт назначения для интерпретации. Если узел-адресат принимает запрос на соединение, то в ATM-сети между двумя пунктами организуется виртуальный канал. UNI-устройства этих пунктов и промежуточные узлы сети (т.е. ATM-коммутаторы) обеспечи­вают правильную маршрутизацию ячеек за счет того, что каждая ATM-ячейка содержит два поля — идентификатор виртуального пути (VPI

— Virtual Path Identifier) и идентификатор виртуального канала (VCI

— Virtual Circuit Identifier). Информация, содержащаяся в полях VPI и VCI ATM-ячейки, используется для однозначного решения задачи маршрутизации даже в случае, если у оконечной системы организова­но несколько виртуальных связей.

Движущей силой развития технологии ATM является ее эффектив­ность в обслуживании низкоскоростных приложений и возможность работы на сравнительно низких скоростях (от 2 Мбит/с). Говорить о «конкуренции» сетей FR и ATM неправомочно, так как в настоящее время FR является основным интерфейсом доступа к сетям ATM, позволяющим обеспечивать передачу по сети ATM разнородного тра­фика, динамически распределяя полосу пропускания.

Совмещение разнородных телекоммуникационных сетей, постро­енных на базе различных технологий (Х.25, FR, IP и др.), для предос­тавления пользователям всего спектра услуг в настоящее время воз­можно только при использовании технологии ATM. Возможности этой технологии по совмещению различных ТСС возрастают, несмотря на их существенные различия, главные из которых состоят: в приспо­собленности к передаче разнородной информации (данных, голоса, видеоинформации); в возможности полного использования имеющей­ся полосы пропускания и адаптации к качеству каналов связи; в нали­чии и качестве интерфейсного оборудования связи с другими сетями; в степени рассредоточенности элементов сети, а также в степени рас­пространенности в том или ином регионе.

 

Контрольные вопросы

1. В чем сущность аналогового и цифрового кодирования цифровых данных?

2. Как обеспечивается синхронизация сигналов в ТКС при использо­вании самосинхронизирующих кодов?

3. Назовите основные преимущества и недостатки спутниковых се­тей связи.

4. Какие этапы преобразования информации имеют место при исполь­зовании импульсно-кодовой модуляции?

5. В чем преимущества и недостатки коммутации каналов в сетях?

6. Какие преимущества коммутации пакетов обусловили ее широкое применение?

7. Чем принципиально различаются алгоритмы маршрутизации па­кетов в сетях?

8. Какие показатели используются для оценки эффективности алго­ритмов маршрутизации?

9. Чем определяется выбор метода защиты от ошибок в сетях?

10. Какие методы защиты от ошибок в сетях получили наибольшее распространение?

11. В чем состоят преимущества и недостатки сетей Х.25?

12. Чем принципиально отличаются сети FR от сетей Х.25?

13. Какие основные особенности сетей ATM?

14. Чем ограничивается применение сетей ISDN в России?

15. В чем состоят преимущества сетей SDH?