Petrozavodsk State University, Alex Moschevikin, 2004NETS and OSs Цифровая передача данных Литература по данной лекции: - презентация

1 Petrozavodsk State University, Alex Moschevikin, 2004NETS and OSs Цифровая передача данных Литература по данной лекции: ("Оптоволоконная цифровая передача") ("Цифровые сети связи") Г.Хелд. Технологии передачи данных. International Engineering Consortium (IEC). Synchronous Digital Hierarchy. Семенов Ю.А. Телекоммуникационные технологии. Rev /

2 Petrozavodsk State University, Alex Moschevikin, 2004NETS and OSs Передача звука в цифр. форме От АТС к абоненту и обратно звуковой сигнал передается в аналоговом виде. А по соединительным линиям между АТС, городским, зоновым и магистральным линиям сообщения – в цифровой форме. Для этого аналоговый телефонный сигнал подвергается преобразованию в цифровой поток методом импульсно- кодовой модуляции (ИКМ). В результате сигнал превращается в поток информации в виде двоичных символов со скоростью передачи 64 кбит/с (канал называется "Основной цифровой канал" (ОЦК) или DS0 по международной классификации). 125 мкс, 8 к Гц Теорема Котельникова T

3 Petrozavodsk State University, Alex Moschevikin, 2004NETS and OSs Передача звука в цифр. форме Согласно требованиям ГОСТ и нормам международного комитета ITU-T исходный аналоговый телефонный канал занимает полосу передаваемых частот от 300 до 3400 Гц. G.711 – 8 бит * 8 к Гц = 64 kbps G.722, G.722.1, G – 16 бит * 8 к Гц + сжатие = 8-24 kbps

4 Petrozavodsk State University, Alex Moschevikin, 2004NETS and OSs TDM TDM (Time Division Multiplexing) - временное мультиплексирование с разделением каналов. При формировании групповых каналов для нескольких цифровых потоков выделяются кванты времени, в течение которых в среду передачи отсылается их информация. MX В групповом канале скорость передачи выше и определяется количеством мультиплексируемых каналов (например, DS0). Plesiochronous Digital Hierarchy (Цифровые линии Европы): Канал E1 (2048 кбит/с, 30 информационных каналов DS0 + 2 канала синхронизации и управления) Канал E2 (8448 кбит/с, 120 информационных каналов DS0 +…) Канал E3 (34368 кбит/с, 480 информационных каналов DS0 +…) Канал E4 ( кбит/с, 1920 информационных каналов DS0 +…) Для США и Канады стандарты на групповые каналы T1, … подразумевают мультиплексирование 24 (а не 30) каналов DS0 с результирующей скоростью Мбит/с.

5 Petrozavodsk State University, Alex Moschevikin, 2004NETS and OSs Синхронизация устройств Для иерархии PDH тактовые частоты устройств одного уровня, тем более удаленных систем, не обязательно должны быть синхронизованы (так называемая плезирхронная передача, "плезир" - "почти"). Кроме того, могут немного не совпадать тактовые частоты мультиплексируемых каналов. Для выравнивания количества передаваемых символов в групповом потоке возможны либо вставки бит, либо их изъятие. Использование таких методов при передаче звука приводит к появлению щелчков в динамиках, для передачи трафика ЛВС такие методы мало пригодны. входной сигнал с ЗГ 1 отсчеты времени входной сигнал с ЗГ 2

6 Petrozavodsk State University, Alex Moschevikin, 2004NETS and OSs Применение систем PDH Системы, построенные по технологии плезирхронной передачи, нашли свое применение, в основном, в телефонии для связи двух и более АТС городского и более высоких уровней. Среда распространения в этом случае была либо медный кабель (коаксиальный), либо радиорелейные линии. Соответствующая аппаратура для линий E1 и Е2 вследствие затухания и малой полосы пропускания допускала отрезки не более 5 км., а для Е4 - не более 1.5 км. Это обстоятельство, а также порча сигнала (вставка/изъятие битов) и невозможность выделения определенного канала (например, DS0) из потока Е2 без полного последовательного демультиплексирования не способствовали процветанию систем PDH. Тем не менее, благодаря применению оптоволокна, увеличению длины безрегенераторных участков до десятков километров и уменьшению количества регенераторов, общая стоимость аппаратуры PDH снизилась и системы на ВОЛС получили широкое распространение.

7 Petrozavodsk State University, Alex Moschevikin, 2004NETS and OSs Синхронные сети SDH Невозможность создания глобальных линий связи на технологии PDH способствовала появлению нового стандарта Синхронной Цифровой Иерархии (Synchronous Digital Hierarchy), решение о работах над которым было принято в ITU в 1988 году. В США и Канаде такие сети называются Synchronous Optical Networks (SONET). Разработчики SDH постарались сделать ее совместимой с PDH, создав канал минимальной скорости Мбит/с, добавив избыточность к каналу E4 (в PDH 140 Мбит/с). Минимальная скорость по стандарту SONET имеет название Optical Carrier-1 (OC-1) и имеет скорость передачи Мбит/с. Основной транспортной единицей в сетях SONET/SDH принят канал STM-1 (Synchronous Transfer Module). STM Мбит/с STM-4622 Мбит/с STM Мбит/с STM Гбит/с STM Гбит

8 Petrozavodsk State University, Alex Moschevikin, 2004NETS and OSs Синхронизация сети SDH В отличие от плезирхронных, в сетях SDH используется центральный опорный генератор синхро частоты, вследствие чего средняя частота всех местных задающих генераторов достаточно синхронна. Именно жесткая синхронизация дает возможность выделения (или ввода) цифровых потоков любого уровня из (в) потоков более высоких уровней, даже, например, поток Е1 (2 Мбит/с) из потока STM-1 (155 Мбит/с). ЗГ 1 уровня, атомный генератор с нестабильность ЗГ 2, ЗГ 2, ЗГ 3, ЗГ 3, ЗГ 3, ЗГ 3, Горизонтальные связи обеспечивают надежность сети SDH

9 Petrozavodsk State University, Alex Moschevikin, 2004NETS and OSs Структура потоков PDH и SDH PDH Для системы PDH, применяемой в США и Канаде, кадр T1 включает в себя 24 байта из каналов DS0, начинающихся с стартового служебного (синхронизующего) бита: 1B1B2B3…B24 (такой кадр формируется каждые 125 мкс для канада DS1). Кадр ESF (Extended SuperFrame) состоит из 24 кадров T1: Т1Т2Т3…Т24 Разделяющие каждые 24 байта биты (их всего 24 по числу кадров Т1 в супер кадре ESF) используются для синхронизации (6 бит), передачи CRC (6), формирования соединения (12). SONET/SDH: Кадр SONET (скорость передачи Мбит/с) состоит из 9 строк по 90 байт. Первые три байта в каждой строке содержат информацию (в виде указателей), позволяющую выделить потоки низких скоростей (напр., DS0), а также данные, используемые для управления сетью, о контроле ошибок и информации о производительности. Топология SONET/SDH Чаще всего сети SONET/SDH используют топологию точка-точка, либо кольцо (поддерживаются алгоритмы сворачивая колец для обеспечения отказоустойчивости).

10 Petrozavodsk State University, Alex Moschevikin, 2004NETS and OSs Схема использования SDH маршрутизатор АТС ISDN ЛВС STM-1 T1 MX Optical MX Частная сеть Общественная сеть Централь- ный офис ISDN T1 Интранет АТС

11 Petrozavodsk State University, Alex Moschevikin, 2004NETS and OSs Характеристики SONET/SDH Технология SONET/SDH используется в качестве физического уровня для других технологий локальных и глобальных вычислительных сетей (Ethernet, ISDN, Frame Relay, Resilient Packet Ring, АТМ). Преимущества Обеспечивается канал заданной пропускной способности; Высокая отказоустойчивость сети; Недостатки Относительно высокая стоимость трафика (по сравнению с трафиком ЛВС); Поддержка только заранее определенных скоростей передачи (например, для использование SDH в локальных сетях в качестве транзитной влечет за собой большую неиспользованную полосу пропускания в 55 Мбит/с при транслировании Fast Ethernet трафика). FE 100 Мбит/с 155 Мбит/с

12 Petrozavodsk State University, Alex Moschevikin, 2004NETS and OSs Passive Optical Networks Активные оптические сети, такие как SONET/SDH, требуют преобразование оптического сигнала в электрический и наоборот в каждом из узлов. PON не содержит в себе активных устройств с оптико-электрическим преобразованием сигналов. Вместо этого, системы PON используют для передачи данных пассивные оптоволоконные смесители или разветвители. OLT – Optical Line Terminal (оборудование провайдера) ONU – Optical Network Unit (оборудование абонента)

13 Petrozavodsk State University, Alex Moschevikin, 2004NETS and OSs Характеристики PON Решение для организации "последней мили" (англ. Ethernet in the first mile). Волоконно-оптический кабель как среда передачи. Длина оптоволоконных линий – до 20 км. Древовидная архитектура (точка-многоточие), возможна кольцевая структура. Пассивные разветвители в узлах. Дуплекс по одному кабелю с использованием частотного разделения. Трафик в Upstream и Downstream каналах разнесен на разные длины волн (1.3 мкм и 1.5 мкм соответственно). Использование известных протоколов для организации канального уровня (ATM, Ethernet, SDH). Простая реализация сервисов массового вещания до конечных абонентов (все абоненты получают трафик от центрального узла).

14 Petrozavodsk State University, Alex Moschevikin, 2004NETS and OSs Трафик PON 1310 нм – upstream 1490 нм – downstream 1550 нм – аналоговое видео

15 Petrozavodsk State University, Alex Moschevikin, 2004NETS and OSs Стандарты PON APON - ATM PON. Транспортный протокол – ATM. Использование полосы пропускания 71%. Стандарт устарел. BPON - Broadband PON: развитие стандарта APON. EPON - Ethernet PON. Транспортный протокол – Ethernet. GEPON - Gigabit Ethernet PON, развитие стандарта EPON. GPON - Gigabit PON. Использует 93% полосы пропускания. Использует кадры SDH, но с возможностью динамического распределения ресурсов (GFP – Generic Framing Protocol). Три вида трафика: ATM UNI IP traffic over Fast Ethernet, Gigabit Ethernet, or 10 Gigabit Ethernet; Standard TDM interfaces such as SDH/SONET

16 Petrozavodsk State University, Alex Moschevikin, 2004NETS and OSs Стандарты PON ТехнологияAPON/ BPON EPONGEPONGPON / 10G-PON СтандартITU-T G.981. x 1998 IEEE 802.3ah 2004 IEEE 802.1ah (MAC-in-MAC) 2004 ITU-T G.984. x Скорость передачи (вниз/вверх), Мбит/с … 622/ / / /622 10G/2.5G Базовый протоколATMEthernet SDH Макс. число ONU на 1 волокно 3216 (до 2 15 )64 (до 2 15 )128 Коррекция ошибок FEC+-++ FEC добавляет к бюджету линии +2-3dB, а каждый сплиттер на 2 уменьшает мощность на как минимум 3 dB.

17 Petrozavodsk State University, Alex Moschevikin, 2004NETS and OSs Ethernet PON (EPON) Начиная со стандарта Fast Ethernet (100BASE-FX/TX) были введены Idle- и JK-символы. Прием сигнала на физическом уровне стал синхронным (в отличие от Ethernet 10 Мбит/с), устаревшими стали межкадровый интервал (12 байтов) и большая преамбула кадра (8 байтов). Pre(7)+SFD(1)DASAT|LLLC data(Pad)FCS Кадр IEEE SOPРезерв.LLIDCRCDASAT|LLLC data(Pad)FCS Кадр IEEE 802.3ah SOP – Start of Packet (1 байт). LLID – Logical Link Identificator (2 байта); первый бит поля указывает режим передачи кадра (unicast или multicast), остальные 15 бит содержат индивидуальный адрес узла ЕPON. CRC – Cyclic Redundancy Check (1 байт).

18 Petrozavodsk State University, Alex Moschevikin, 2004NETS and OSs Архитектура PON (downstream) Трафик от провайдера к абоненту – широковещательный. Сеть построена на оптических разветвителях (сплиттерах) без усилителей. TDM – Time Division Multiplexing

19 Petrozavodsk State University, Alex Moschevikin, 2004NETS and OSs Архитектура PON (upstream) Трафик от абонента к провайдеру идет в режиме TDMA. Порядок работы узлов задается узлом OLT. Только узел OLT может распознать коллизии и подстроить расписание работы оконечных узлов. TDMA – Time Division Multiple Access

20 Petrozavodsk State University, Alex Moschevikin, 2004NETS and OSs Dynamic Bandwidth Allocation OLT управляет полосой пропускания до каждого ONU. Он периодически посылает запросы до конечных устройств и замеряет время отклика. Таким образом все устройства в сети синхронизованы. OLT формирует расписание работы в сети. ONU начинают передачу накопленных данных только в разрешенное время (OLT отсылает расписание в пакете GATE). Различают два вида управления трафиком: на основе отчетов ONU (Status Reporting) и автоматический (Non-Status Reporting). NSR OLT выделяет каждому ONU небольшую полосу (пакеты GATE). Если ONU нечего передавать, то он отсылает Idle-кадры в выделенное для него время. Если OLT обнаруживает, что ONU не отсылает Idle-кадры, значит, ему требуется дополнительная полоса и OLT ее выделяет (по возможности). SR OLT периодически опрашивает размер очередей ONU и выделяет полосу в соответствии с ответом ONU (пакет REPORT) и уровнем сервиса, установленным администратором.

21 Petrozavodsk State University, Alex Moschevikin, 2004NETS and OSs Широковещание в EPON ONU отправляет широковещательный (или мультикаст) кадр upstream. OLT понимает, что кадр широковещательный и возвращает кадр в канал downstream с выставленным LLID=0xFFFF.

22 Petrozavodsk State University, Alex Moschevikin, 2004NETS and OSs Абонентское оборудование Абонентский терминал ONT GPON с 4 портами 10/100/1000-Base-T, 2 портами POTS, 1 RF-выходом 100 USD (2013 год)