Logo Море(!) аналитической информации!
IT-консалтинг Software Engineering Программирование СУБД Безопасность Internet Сети Операционные системы Hardware
2006 г.

Сети синхронизации: сценарии взаимодействия

Николай Бирюков, Наталья Триска
www.seti.com.ua

Вопросы развития и внедрения сетей синхронизации, особенно при взаимодействии сетей с коммутацией каналов и пакетов, сегодня становятся весьма актуальными. Специалистами Украинского научно-исследовательского института связи (УНИИС) были проанализированы варианты взаимодействия сетей с разными режимами передачи данных.

Вообще понятие синхронизации многозначно в зависимости от характера решаемых задач. В частности, в системах электросвязи это понятие может иметь следующие значения: тактовая синхронизация, синхронизация по циклам, синхронизация пакетов, синхронизация средств мультимедиа, поддержание требуемой точности частот радиоинтерфейсов GSM, "синхронное" детектирование, синхронизация частот задающих генераторов оборудования аналоговых систем передачи или других систем с частотным разделением каналов.

Понятия и определения

Прежде чем описывать сценарии взаимодействия синхронных и асинхронных сетей, необходимо раскрыть основную смысловую нагрузку понятий, используемых в статье. Следует отметить, что эти понятия относятся к транспортным сетям и технологиям, выполняющим функцию передачи (транспортировки) информации между пунктами (узлами), которые соединены линиями связи.

Понятие "синхронизация" будет рассматриваться в трех значениях -тактовая синхронизация, байт-синхронизация (цикловая и пакетная) и сетевая синхронизация. В статье не рассматривается синхронизация по времени прибытия пакетов, то есть выравнивание временных задержек в пакетной сети.

Тактовая синхронизация (бит-синхронизация или синхронизация по битам) - это выделение сигнала синхронизации из периодической структуры информационного сигнала с целью поддержания работы цифровых устройств и согласования их во времени на уровне единичных тактовых интервалов (битов).

Алгоритмы цикловой и пакетной синхронизации имеют близкие структуры, и их можно объединить термином "байт-синхронизация", то есть синхронизация с точностью до байта (возможность определения места каждого байта в цикле или пакете):

  • цикловая синхронизация (синхронизация по циклам) - определение в потоке битов с цикловой структурой начала и конца информации от различных источников для ее правильного распределения на приеме;
  • пакетная синхронизация (синхронизация пакетов) - определение начала и конца поступающих пакетов с целью построения правильной последовательности пакетов на приеме, что особенно важно при передаче по пакетной сети сигналов реального времени (телефония, видео и т.д.).

Именно цикловый и пакетный виды синхронизации занимают ключевые места в определении двух основных режимов (способов организации) передачи сигналов в транспортной сети - синхронного и асинхронного.

setisinhroniz1.jpg

Синхронный режим передачи (СРП) предусматривает организацию цикловой, то есть четко определенной структуры, повторяющейся периодически (циклически) через определенные интервалы времени, благодаря чему периодически проверяется наличие контакта между передающей и приемной стороной. Такой режим характеризуют как "поддерживающий "постоянное" соединение" и часто называют "коммутацией каналов". Слово "постоянное" взято в кавычки, так как при временном разделении каналов "постоянство" выражается не в непрерывности, а в уже упомянутом ключевом свойстве режима передачи - периодичности. Название "коммутация каналов" возникло потому, что цифровые АТС или электронное оборудование переключения (цифровые кросс-коннекты) используют при коммутации цикловые структуры (как правило, первичного цифрового потока Е12 на скорости 2,048 Мбит/с), в которых каналы (канальные интервалы) выбираются из циклов одних потоков и вставляются в канальные интервалы других первичных цифровых потоков. Соединения поддерживаются в рамках этих цикловых структур с равными периодами в течение времени обслуживания вызова. Для сетей с СРП установлены довольно жесткие требования к сетевой синхронизации, о чем будет сказано далее.

Таблица. Структуры цифровых сигналов, используемых в сетях с синхронным режимом передачи (СРП)

СРП - режим работы традиционного оборудования ИКМ, ПЦИ, СЦИ и цифровых АТС. Характерная нагрузка сетей с СРП - сигналы телефонии, звукового вещания и другие сигналы реального времени. Следует отметить, что для обозначения внутренней структуры сигналов на скорости плезиохронной цифровой иерархии (ПЦИ) наряду с типом интерфейса (электрический - буква Е) и цифрами, указывающими уровень в иерархии (как, например, вышеупомянутый цифровой поток 2,048 Мбит/с = Е12), используется буква Р с цифрами иерархического уровня и индексом, обозначающим формат сигнала. При этом сигналы ПЦИ могут иметь как синхронную (индекс s), так и несинхронную (плезиохронную - индекс e) структуру (см. таблицу). В этом случае под синхронной структурой понимают поддержание синхронизма группового и объединяемых потоков, например, внутри первичных мультиплексоров с аналогово-цифровым преобразованием или цифровых АТС. Все сигналы СЦИ по определению являются синхронными. Следует обратить внимание на то, что так называемые "синхронные структуры сигналов" имеют длительность цикла 125 мкс. Однако все вышеперечисленные сигналы работают в синхронном режиме передачи, так как имеют цикловую структуру.

Рисунок. Синхронный и асинхронный режимы передачи сигналов в транспортной сети

Асинхронный   режим   передачи (АРП) известен также как режим "коммутации пакетов". В нем информация передается в пакетах фиксированной или переменной длины. Пакеты подобны почтовым отправлениям: они содержат порцию информации, "упакованную" при коммутации в определенную электронную форму и снабженную заголовком с адресами получателя, отправителя и т.д. Характерная нагрузка сетей с АРП, особенно на первых этапах развития, - сигналы данных (то есть сигналы относительного времени). В случае фиксированной длины пакеты называют "ячейками". К технологиям сасинхронным режимом передачи относятся:

  • технология АТМ (Asynchronous Transfer Mode), в которой пакеты имеют фиксированную длину (53 байта) и называются "ячейками". Эта технология хорошо стандартизирована, она предусматривает гибкие механизмы предоставления услуг и использования полосы передачи;
  • технологии, возникшие на базе компьютерных сетей, а сегодня активно выходящие на городской и даже магистральный уровень, -IP, разновидности Ethernet, MPLS и др.

Недостатки и преимущества различных режимов передачи

Наличие специального заголовка (циклового синхросигнала) или других периодически повторяющихся признаков обеспечивает высокую помехозащищенность синхронных режимов передачи: защиту от ложного синхронизма или же потерю циклового синхронизма под воздействием помех. Однако при высокой помехозащищенности волоконно-оптической среды передачи это достоинство утрачивает свое преимущество.

С момента разработки первых стандартов и по сей день системы СЦИ остаются лучшими в плане гарантированного качества передачи и высоконадежных сетевых структур. Поэтому представляется логичным, что любое усовершенствование сетевых технологий должно сохранять эти достоинства как неотъемлемую часть собственной структуры, а не как услугу, которую можно получить потенциально, как, например, в сетях АТМ.

Существующим системам c СРП и, в частности, самым развитым из них (СЦИ), конечно же, присущ ряд недостатков и ограничений. Большинство этих ограничений связано с технологическими особенностями, которые сохранились со времени создания стандартов СЦИ. Дополнительные ограничения внесли средства технической реализации, как, например, постоянная длина заголовка, негибкие возможности кроссовых переключений, ограниченная скорость обработки сигналов. Такие особенности сетей СЦИ достаточно сложно сохранять в современных сетевых структурах.

Для традиционных систем синхронной цифровой иерархии (СЦИ) характерен ряд свойств, ограничивающих гибкость транспортных сетей, а именно:

  • строго иерархическая система мультиплексирования, ограничивающая структуры сигналов стандартными размерами (STM-0,1, 4, 16), и со стандартными временными интервалами;
  • произвольные соединения остаются неизменными при вписывании информации нестандартного размера в поле нагрузки;>
  • внутриканальная система сигнализации СЦИ разрабатывалась для управления с центральной системы управления, обеспечивающей как задачи поддержки работоспособности, так и контроля. Резервирование трактов гарантируется байтами сигнализации низкого уровня, вставленными в поток данных. Сигнализация обеспечивается набором байтов, сжатых в канал 576 кбит/с, которого недостаточно для поддержки полосы передачи и требований задержки таких современных средств управления, как, например, GMPLS;
  • топология традиционных сетей СЦИ ограничивается линейной и кольцевой конфигурациями с фиксированными схемами резервирования. Первичной задачей при разработке схемы резервирования была как минимум поддержка внутри элементной сигнализации при отсутствии стандарта на поддержку сигнализации как таковой. Так, первые кольца с низкой скоростью (STM-1/4) изначально были созданы с однонаправленным резервированием UPSR, при котором не требовалось никакой сигнализации, а резервирование осуществлялось исключительно на основе тракта. Это крайне неэффективное использование полосы передачи в кольце. По мере роста колец и числа элементов в них была добавлена двунаправленная схема резервирования BLSR (Bi-directional Line Switched Ring). Это требовало четкой сложной схемы сигнализации, сравнимой с UPSR/SNCR. Такая сигнализация была усовершенствована очень простым байт-ориентиро ванным протоколом, использующим байты К1 и К2, размещенные в заголовке. Однако для поддержки требований по переключению для BLSR на каждом узле была необходима запасная коммутационная емкость.

Сетевая синхронизация - это поддержка высоких показателей долговременной точности и стабильности тактовых сигналов в разных точках сети с целью уменьшения числа проскальзываний (сбоев) циклов, возникающих из-за расхождений частот генераторов.

До последнего времени сети синхронизации строились исключительно на базе традиционных сетей с СРП, и они прошли в своем развитии несколько этапов.

setisinhroniz4.gif

Ранний этап развития цифровой передачи: АСК + ЦСП ПЦИ

Потребность в сетевой синхронизации возникла с появлением цифровых систем передачи и коммутации. На раннем этапе часто возникала ситуация, когда цифровые системы передачи (ЦСП) плезиохронной цифровой иерархии (ПЦИ) работали в аналоговом окружении, то есть соединяли между собой аналоговые системы коммутации (АСК). При этом синхронизация цифровых систем передачи осуществлялась по принципу самосинхронизации, когда сигнал тактовой частоты выделялся из цифрового информационного сигнала непосредственно в точке приема (в каждом мультиплексоре или регенераторе). Потребности в сетевой синхронизации на этом этапе не возникало, поскольку АСК не нуждались в синхронизации, а ЦСП ПЦИ, благодаря использованию выравнивания по битам, позволяли мультиплексировать асинхронные компонентные сигналы со значительными сдвигами частот. Сетевая синхронизация появилась тогда, когда системы коммутации тоже стали цифровыми. В цифровой системе коммутации (ЦСК) на скорости основного цифрового канала Е0 (64 кбит/с) в цифровом транспортном окружении возникает так называемая "проблема двух генераторов", когда запись информационного сигнала происходит с одной частотой, а считывание - с другой. Несогласованность тактовых частот внутренних генераторов ЦСП и ЦСК приводит к возникновению на входе ЦСК проскальзываний циклов, то есть удаления или повторения циклов информации. Для борьбы с такими проскальзываниями начали внедряться сети синхронизации цифрового коммутационного оборудования от первичного эталонного генератора (PRC - Primary Reference Clock). При этом синхронизации подлежали только ЦСК (цифровые АТС и устройства переключения на скорости 64 кбит/с). Сигналы синхронизации в такой сети передавались по   прозрачным  для синхросигналов трактам ПЦИ.

Рисунок. Синхронизация коммутационного оборудования от PRC

Дальнейшее развитие цифровых методов передачи и развертывание сложных цифровых сетей на основе ЦСК в транспортном окружении систем передачи СЦИ привели к установлению более жестких требований к синхронизации сетевых элементов. В отличие от ЦСП ПЦИ, оборудование СЦИ необходимо подключать к сети синхронизации. Это связано с тем, что мультиплексор СЦИ, помимо транспортных функций, выполняет также переключения трактов. В сложных сетях с несколькими переприемами (загрузкой и выгрузкой компонентных потоков) удовлетворить требования к фазовым искажениям (джиттеру и вандеру) на границе сети можно только при условии точной синхронизации всех элементов сети СЦИ. При этом следует избегать любых операций с указателями, которые могут привести к увеличению джиггера в передаваемых компонентных сигналах. Лучшим средством передачи синхросигналов в сети СЦИ являются групповые оптические сигналы СТМ-n. Сегодня общепризнанным является тот факт, что технология СЦИ может реализовать все свои преимущества, только опираясь на распределение надежного синхросигнала высшего качества QL1 (в соответствии с Рекомендацией MC3-TG.811).

На принципы построения современных сетей синхронизации существенное влияние оказало широкое распространение глобальных навигационных систем (прежде всего, системы GPS Министерства обороны США, а также аналогичной системы "ГЛО-НАСС" Министерства обороны Российской Федерации). Общий ресурс почти трех десятков цезиевых стандартов частоты на борту спутников GPS используется как распределенный первичный источник синхронизации, а спутниковые радиоканалы формируют систему распределения, с помощью которой в любом месте Земли можно постоянно наблюдать 8-12 спутников и получать сигнал синхронизации высшего качества.

В настоящее время существующие сети синхронизации активно оснащаются приемниками GPS, что обеспечивает дополнительное резервирование синхросигнала на каждом узле. При создании новых сетей синхронизации часто выбирается распределенная или частично распределенная структура сети с использованием сигналов GPS. В первую очередь это касается бурно развивающихся сетей мобильной связи.

Таким образом, можно утверждать, что пик развития сетей синхронизации, который пришелся на вторую половину 1990-х годов, был обусловлен двумя основными факторами:

  1. Развертывание сложных цифровых сетей на основе ЦСП СЦИ;
  2. Широкое распространение глобальных спутниковых навигационных систем (GPS, "ГЛОНАСС" и др.).

Взаимодействие сетей с различными режимами передачиВ последнее время особую актуальность приобрели вопросы взаимодействия сетей с различными режимами передачи (синхронным и асинхронным) с точки зрения синхронизации.

Для современного этапа развития транспортных сетей характерно внедрение асинхронного (пакетного) режима передачи (АРП) на всех участках сети: от доступа до магистрального, междугородного уровня. Проблемы сосуществования двух основных режимов передачи транспортных технологий - асинхронного и синхронного - наиболее ярко проявились во взаимодействии сетей с АРП и СРП, в частности:

  • преобразование форматов сигналов;
  • поддержка уровней сетевой синхронизации;
  • сохранение временных параметров сигналов;
  • обеспечение качественных показателей  передачи  (задержка, ошибки и т.д.),
  • управление сетями с различными технологиями;
  • обмен системами сетевой сигнализации.

В современных телекоммуникационных сетях все чаще возникают ситуации, когда оборудование (или фрагменты сетей) с СРП и АРП должны взаимодействовать   между  собой. Взаимодействие сетей с СРП и АРП развивается в трех направлениях:

  • передача нагрузки асинхронного режима передачи по трактам синхронного режима передачи (АРП через СРП), например, передача ячеек АТМ или пакетов Ethernet по трактам СЦИ [G.707] или ПЦИ [G.832] и т.д.;
  • организация трактов СРП в среде АРП (СРП через АРП или CESoP), например,  эмуляция  каналов Е12, трактов ПЦИ или СЦИ в среде АТМ или сети Ethernet [I.741];
  • сопряжение подсетей (островов) СРП и АРП на уровне стандартных транспортных интерфейсов для организации "сквозных" соединений пользователей.

Для обозначения процессов взаимодействия данных на границе сетей с различными режимами (технологиями) передачи в нормативных документах МСЭ-Т был введен обобщающий термин - функция взаимодействия (IWF - Interworking Function). Примерами реализации IWF являются методы передачи ячеек ATM через оборудование СЦИ и ПЦИ, которые приведены в Рекомендациях МСЭ-Т G.707 и G.804 соответственно.

setisinhroniz6.gif

Распределённая сеть синхронизации с использованием спутниковых систем

Все варианты взаимодействия сетей с СРП и АРП условно можно разделить на две группы:

  • АРП через СРП, когда два или более "острова" оборудования с АРП работают по каналам или трактам сети с СРП (ПЦИ, СЦИ). Подобные сценарии широко применялись на ранних этапах развития сетей с АРП. Так, технология АТМ делала свои первые шаги в транспортном окружении систем ПЦИ, а затем СЦИ. Взаимодействие сетей с СРП и АРП осуществляется по транспортным стыкам.
  •  СРП через АРП, когда "острова" оборудования с СРП работают по каналам или трактам сети с АРП (например, АТМ или IP), используя их как транспортную систему.   В этом   случае  сеть с АРП использует режим эмуляции канала (CES - Circuit Emulation Service), то есть имитирует традиционные услуги с коммутацией каналов при прохождении нагрузки (речь, видео, данные) от систем с СРП через сеть с АРП. Для обеспечения режима эмуляции канала оборудование с АРП должно работать с постоянной скоростью (режим CBR - Constant Bit Rate) или с переменной скоростью в реальном времени (режим VBRrt - Variable Bit Rate, real time). Примером такого варианта взаимодействия сетей является IP-телефония. Следует отметить, что в настоящее время сценарий "СРП через АРП" становится все более распространенным. Это связано с тем, что новые технологии  с АРП (IP, MPLS и др.) активно выходят на городской и магистральный уровни, где им часто приходится взаимодействовать с традиционными сетями с СРП в режиме эмуляции.

В зависимости от конкретной технической реализации функции взаимодействия IWF различают два метода эмуляции канала - структурированный и неструктурированный.

Структурированный метод эмуляции канала использует цикловую структуру, присущую сигналам в режиме СРП. Сначала из входящего потока данных с синхронным режимом передачи извлекается информация о цикловой структуре (например, нулевой канальный интервал в сигнале Е12). Затем канальные интервалы (КИ) последовательно размещаются в поле полезной нагрузки пакета: сначала размещаются КИ из первого цикла, затем - из второго и т.д. Когда полезная нагрузка сформирована, к пакету добавляется заголовок, после чего пакет отправляется по сети с АРП к пункту назначения. На выходе из пакетной сети поток данных с СРП восстанавливается, и к нему вновь добавляется информация о цикловой структуре.

Рисунок. Взаимодействие сетей с СРП и АРП

Неструктурированный метод эмуляции канала не учитывает цикловую структуру передаваемого сигнала, рассматривая его как простую последовательность битов с заданной скоростью. Полезная нагрузка пакета формируется из байтов, последовательно взятых из потока данных с синхронным режимом передачи. Количество байтов в каждом пакете может быть произвольным, без соблюдения каких-либо соотношений с канальными интервалами исходного сигнала с СРП. Обычно длина пакета выбирается так, чтобы время формирования пакета составляло около 1 мс.

Одним из важных аспектов взаимодействия сетей с СРП и АРП является синхронизация. Следует подчеркнуть, что сущность асинхронного режима передачи не требует сетевой синхронизации. Поэтому на ранних этапах развития технологий с АРП не выдвигалось требований к синхронизации такого оборудования, либо же они были существенно занижены. Однако выход пакетных технологий на уровень магистральных сетей и активное внедрение на сетях сценария "СРП через АРП" изменили ситуацию. При работе сети с АРП в режиме эмуляции канала необходимо обеспечить непрерывность информационного обмена между пользователями независимо от количества "островов" СРП и АРП, то есть эмуляция канала должна осуществляться "незаметно" для сетей с СРП и пользователей.

В основе решения этой проблемы, по нашему мнению, должен лежать основной принцип транспортной сети: независимо от используемого режима передачи, вид, количество и последовательность цифровых сигналов на выходе транспортной сети должны точно соответствовать их виду, количеству и последовательности на входе.

Таким образом, если сеть с АРП используется в качестве транспортной сети (например, для соединения двух "островов" СЦИ), то транспортные стыки такой сети должны соответствовать нормам, принятым для этих стыков сетей с СРП. К таким нормам относятся:

  • физические и электрические (оптические) характеристики (Рекомендации МСЭ-Т G.703, G.957);
  • структура сигнала (Рекомендации МСЭ-Т G.704, G.707);
  • параметры джиттера и вандера на входе (Рекомендации МСЭ-Т G.823, G.825);
  • параметры джиттера и вандера на выходе (Рекомендации МСЭ-Т G.823, G.825).

Чтобы выполнить данные нормы и обеспечить "прозрачные" соединения в режиме эмуляции канала, оборудование сетей с АРП должно получать сигнал синхронизации высшего качества QL1 (в соответствии с Рекомендацией МСЭ-Т G.811).

Оптимальным вариантом является синхронизация элементов пакетной сети от специального оборудования, установленного на данном узле (например, от устройства синхронизации с приемником GPS). О перспективности такого технического решения говорит тот факт, что многие модели современного оборудования с АРП ведущих фирм-производителей (в частности, компании Cisco) оснащены специальными входами для подключения к общестанционному устройству синхронизации.

Если такое подключение невозможно, оборудование с АРП может быть синхронизировано по транспортному стыку с сетью СРП - в этом случае сигнал синхронизации выделяется из информационного сигнала СЦИ или ПЦИ.

В настоящее время в международных органах стандартизации активно идет процесс разработки нормативной базы, регулирующей аспекты синхронизации пакетных сетей:

  • МСЭ-Т: проект Рекомендации G.pactimingTimingand synchronization aspects in Packet Networks (планируется к утверждению в 2006 году);
  • ЕTSI: Технический отчет TR 101 685 Timing and synchronization aspects of Asynсhronous Transfer Mode (ATM) networks (1999);
  • MEF (Metro Ethernet Forum): Техническая спецификация MEF 3 Circuit Emulation Service Definitions, Framework and Requirements in Metro Ethernet Networks;
  • IEEE:  Проект стандарта  IEEE-1588 Standard for a Precision Clock Synchronization Protocol for Networked   Measurement  and Control Systems.

Среди актуальных исследуемых вопросов можно выделить следующие:

  • разработка опорных моделей (сценариев) синхронизации пакетных сетей;
  • определение требований к функции взаимодействия (IWF) оборудования пакетных сетей с точки зрения синхронизации (в том числе сетевых норм на транспортные стыки и стыки синхронизации);
  • моделирование поведения оборудования Ethernet в режиме эмуляции канала (отработка схемы измерений, анализ результатов);
  • исследование влияния задержек и нарушения порядка движения пакетов на характеристики синхронизации.

В Украине вопросы синхронизации пакетных сетей исследуются в УНИИС. В частности, ведется разработка отечественной нормативной базы по данному вопросу. Кроме того, специалисты УНИ-ИС принимают участие в подготовке новой Рекомендации МСЭ-Т G.pactiming. Среди дальнейших планов УНИИС в данном направлении - работы по моделированию взаимодействия сетей с различными режимами передачи, измерения параметров синхронизации на сетях с СРП и АРП, а также разработка конкретных технических решений.

Рисунок. Эмуляция канала

Новости мира IT:

Архив новостей

Последние комментарии:

Группа ЕСН купила РБК (1)
Monday 19.06, 11:46
Loading

IT-консалтинг Software Engineering Программирование СУБД Безопасность Internet Сети Операционные системы Hardware

Информация для рекламодателей PR-акции, размещение рекламы — adv@citforum.ru,
тел. +7 985 1945361
Пресс-релизы — pr@citforum.ru
Обратная связь
Информация для авторов
Rambler's Top100 TopList liveinternet.ru: показано число просмотров за 24 часа, посетителей за 24 часа и за сегодня This Web server launched on February 24, 1997
Copyright © 1997-2000 CIT, © 2001-2015 CIT Forum
Внимание! Любой из материалов, опубликованных на этом сервере, не может быть воспроизведен в какой бы то ни было форме и какими бы то ни было средствами без письменного разрешения владельцев авторских прав. Подробнее...