SONET-SDH. PDH Sonet/SDH. Gruppo TLC SONET/SDH. T-1 carrier system: standard americano. Gerarchie T- ed E- T- and DS- hierarchy. Pag.

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1 SONET/SDH SONET-SDH Gruppo Reti L attuale infrastruttura della rete telefonica, su cui vengono sovente veicolati i canali di altre tipologie di reti, è in larga misura basata sulle gerarchie sincrone, evoluzioni delle gerarchie plesiocrone (PDH Plesiochronous Digital Hierarchy): SONET Synchronous Optical NETwork (segnali ottici multipli della velocità base di segnale di Mbit/s) SDH Synchronous Digital Hierarchy (equivalente europeo ed internazionale di SONET) STS Synchronous Transport Signal (standard corrispondente per i segnali elettrici) La topologia è sovente ad anelli per motivi di affidabilità. Politecnico di Torino - Dipartimento di Elettronica Plesiochronous Digital Hierarchy Prima dell introduzione di SONET/SDH, Plesiouchonous Digital Hierarchy (PDH) era lo standard per reti telefoniche digitali Espressamente pensata per il trasferimento di canali vocali digitali a 64Kb/s non memorizza tutta la trama: occorre rispettare dei vincoli temporali tra TX e RX. Tale esigenza è soddisfatta con un sistema quasi-sincrono (plesio-synchronous) Standard diversi in USA/Europa/Giappone Complessità di interfacciamento CH1 CH2.. MUX T-1 carrier system: standard americano 24- canali vocali sono campionati, quantizzati e codificati in un canale TDM PCM Canale di segnalazione di 1 bit Un carriert-1 ha quindi una velocità di (24*8+1)*8000=1.544Mb/s S CH1 CH2 CH3... CH22 CH23 CH24 CH23 frame CH24 x x x x x x x x Campione MSB LSB Un campione ogni 125µsec Una trama ogni 125µsec 193 bit per trama Posso multiplare più trame in canali di velocità superiore T- and DS- hierarchy Gerarchie T- ed E- S CH1 CH2 CH3... CH22 CH23 CH24 DS1 DS1 DS1 DS1 DS2 DS2 DS2 DS2 DS2 DS2 DS2 DS3 DS3 DS3 DS4 DS3 DS3 DS k=1.544 Mb/s T1 Frame trasmessi in un canale DS1 4 DS1 = 1 DS = Mb/s 7 DS2 = 1 DS = Mb/s 6 DS3 = 1 DS = Mb/s E difficile identificare un singolo canale dentro uno stream: ogni volta occorre demultiplare tutti i livelli per estrarre/inserire altri canali E difficile mantenere due canali in perfetta sincronia: si usa un bit stuffing per avere un sistema quasi sincrono Livello America (T-) Mb/s Mb/s Mb/s Mb/s Mb/s Europe (E-) Mb/s Mb/s Mb/s Mb/s Mb/s Japan Mb/s Mb/s Mb/s Mb/s Mb/s Pag. 1

2 PDH PDH - Sincronizzazione Sistema di trasmissione digitale (T-carrier, E- carrier) che multipla flussi di velocità più bassa in flussi a velocità maggiore Ogni apparato ha un suo orologio (non c è sincronizzazione globale) Orologi locali hanno derive che portano a errori di sincronizzazione Problema risolto avendo la possibilità di inserire e rimuovere bit di riempimento (bit-stuffing) Trama Bit Stuffing Sorgente Nodo Dest Nodo più veloce PDH - Sincronizzazione Per risolvere il problema si adotta il meccanismo del Positive Stuffing: I dati vengono scritti in un buffer temporaneo Tale buffer viene letto a velocità superiore per trasmettere sul canale (a bitrate maggiore) Ogni volta che il buffer si sta per svuotare, inibisco la trasmissione di dati, che vengono sostituiti da bit di riempimento Segnalo al ricevitore la presenza di bit di stuffing tramite un canale di segnalazione punto-punto ricavato in TDM. Si usa quindi una trama trasmissiva diversa da quella logica PCM. Complica le funzionalità di mux/demux. Problematiche di PDH Mancanza di flessibilità: è impossibile identificare un flusso a velocità più bassa in un aggregato superiore Mancanza di efficienza: Non esistono standard per il monitoring delle prestazioni del canale Non c è un canale di management Mancanza di mid-fiber meet Non esiste standard a livello fisico ogni produttore ha suo standard (NNI non standard) Da PDH a SONET/SDH SONET: Synchronous Optical Network: sistema di trasmissione e multiplazione in America SDH: Synchronous Digital Hierarchy: sistema di trasmissione e multiplazione in Europa e Giappone Standardizzazione di SONET e SDH avvenuta alla fine degli anni 80 I gestori di rete realizzarono che Il sistema PDH non era scalabile abbastanza per supportare le aspettative di crescita di traffico Le tecnologie ottiche iniziano a essere appetibili, e incominciano a capirsi le loro potenzialità I sistemi di trasmissione ottica, tutti proprietari, non possono interoperare tra loro Che cosa è SONET/SDH Insieme di Raccomandazioni ITU-T (le prime sono del 1989) che coprono: la definizione di una gerarchia di multiplazione molto strutturata la definizione di tecniche di gestione di rete e di protezione dai guasti le modalità di interfacciamento verso il mezzo fisico (fibre e componenti ottici) la definizione di interfacce verso altri protocolli che possono lavorare sopra SONET/SDH Pag. 2

3 Obiettivi di SONET/SDH I principali obbiettivi degli standard sono: Affidabilità della rete, compatibile con i requisiti di carrier nazionali e internazionali (99.999% - five nines - availability) Interoperabilità tra apparati di diversi costruttori Flessibilità dei formati per supportare diverse architetture di rete e possibili migrazioni Articolate funzioni di controllo e monitoraggio (monitoring) delle prestazioni e del traffico (recupero di guasti singoli in 50 ms) Gerarchia SONET/SDH OC level STS level SDH level Mbit /s OC-1 OC-3 OC-12 OC-24 OC-48 OC-192 OC-768 OC-3072 STS-3 2 STS-24 STS STS-768 STS-3072 STM-1 STM-4 STM-8 STM-16 STM-64 STM-256 STM Stratificazione SONET/SDH Path (simile al livello 3 - Network - di OSI) Responsabile di connessioni end-to-end Controlla e gestisce lo stato delle connessioni Line Layer Multiplazione di più connessioni di path- tra due nodi Protezione e recupero guasti Layer Definisce lungo la tratta le operazioni svolte dai rigeneratori e tra i rigeneratori I livelli Line e in SONET corrispondono al livello 2 (Data Link) OSI Physical Layer (identico al livello 1 OSI) Definisce come i bit vengono trasmessi sulle fibre path terminale SDH Stratificazione SONET/SDH standard ITU-T G.78x connessione rigeneratore SDH add/drop mux path terminale SDH SONET Physical Layer Framing SONET Il livello fisico SONET è completamente di tipo ottico Le più importanti raccomandazioni sono: ITU-T G.957: Optical interfaces for equipments and systems relating to the synchronous digital hierarchy Single span, single channel link without optical amplifiers ITU-T G.691: Optical interfaces for single-channel STM-64, STM-256 and other SDH systems with optical amplifiers Single channel, single or multi span, optically amplified links at 622 Mbit/s, 2.5 Gbit/s, 10 Gbit/s ITU-T G.692: Optical interfaces for multichannel systems with optical amplifiers Multi channel, single or multi span, optically amplified Definition of the ITU frequency grid Le raccomandazioni coprono diversi tipi di canali, da very short-haul interoffice links fino a ultra-long haul, WDM backbone links Tutti i parametri di trasmettitori e ricevitori sono completamente specificati SONET/SDH trasmettono un sequenza continua di bit ad una certa velocità La multiplazione dei diversi flussi di informazione è ottenuta con un complesso schema a divisione di tempo (TDM) Anche se complessa, l architettura di multiplazione è stata progettata in modo da consentire efficienti implementazioni VLSI Una trama (frame) SONET è una sequenza organizzata di bit Per un certo livello di multiplazione, ogni flusso tributario di ingresso diventa un Synchronous Payload Envelope () Un insieme di bit, chiamato Path Overhead, viene aggiunto al, realizzando funzioni di controllo, di monitoring, ecc. + Path Overhead formano un Virtual Tributary (VT) Pag. 3

4 Struttura delle trama Struttura delle trama 1 frame = 810 Byte in 125µs OC-1 rappresentazione in righe e colonne 9 rows 0 µs (1st bit) 3 rows 6 rows 3 Bytes 87 Bytes LOH Transport Overhead Payload 125 µs (last bit) Path Overhead: resta con il payload finchè non viene demultiplata Frame #1 Frame #2 Frame #3 3 Bytes 87 Bytes LOH LOH SP LOH dalla trama precedente può estendersi attraverso frontiere di trama) 810 Bytes/trama 8 bit/campione 810 campioni/trama o 9x90 Bytes/trama 8000 trame/secondo 8 bit/byte o 51,840 Mb/s Multiplazione di ordine superiore Virtual Tributary (VT) 9 #1 #2 #3 I VT sono posizionati nelle trame con puntatori contenuti nei bit di della trama Un puntatore dice quale è la posizione di inizio di un dato VT all interno della trama La struttura è ricorsiva: un VT può contenere diversi VT più piccoli MUX Byte interleaver Pointer Pointer VT 3x3 3x87 VT VT 9 Questo approccio consente di multiplare flussi a velocità anche molto differenti in una trama molto ben strutturata Gerarchia SONET Un esempio di multiplazione SONET SONET è stato sviluppato per essere compatibile con il trasporto di formati diversi, quali ad esempio ATM (Asynchronous Transfer Mode) Flussi PDH a velocità inferiore DS1 (1.544 Mb/s) E1 (2.048 Mb/s) DSIC (3.152 Mb/s) DS2 ( Mb/s) DS3 ( Mb/s) ATM ( Mb/s) E4 ( Mb/s) ATM ( Mb/s) x4 VT1.5 x3 VT2 x2 VT3 x1 VT6 VT group x7 STS-3c Ogni VT group porta un solo tipo di VT e occupa 12 colonne del Si possono combinare VT group diversi in uno stesso STS-3c Byte interleaved multiplexing xn xn/3 STS-N Path Terminating Element Line Transport Overhead Line Regenerator Path SONET Overheads Path Digital Crossconnect o Add/Drop Multiplexer Line Regenerator Path Terminating Element Differenti tipi di Sezione: usato per la comunicazione tra due apparati adiacenti Linea: per segnalazione di STS-N tra multiplatori Path: end-to-end, aggiunto al flusso quando viene mappato in un VT Funzioni differenti Multiplazione Gestione e mantenimento Allocazione di canali Pag. 4

5 Intestazioni (s) SONET Overhead: Usato, elaborato e generato da Terminal Equipments (STE) Monitoraggio delle prestazioni sulla trama Canale di comunicazione dati per operation, administration and maintenance (OAM) Framing B1 E1 SONET - A1 framing bytes Indicano l inizio di una trama. Usati per A2 sincronizzazione. trace (J0)/ growth (Z0) Questi byte, presenti in ogni N in un flusso N-STS sono usatii o come trace byte J0 (nel primo STS 1 del STS N), o come growth byte (dal secondo fino all ultimo STS 1s). bit-interleaved parity code (BIP 8) byte Codice a controllo di parità (even parity), usato per rilevare errori di trasmissione su una sezione. E definito su tutti i bit della trama STS-N precedente dopo l operazione di scrambling e quindi inserito in B1 prima dello scrambling. orderwire byte Fornisce un canale vocale a 64Kbit/s per la comunicazione di operatori. F1 D1, D2, D3 user channel byte Non definito il suo scopo. Può essere letto e scritto da ogni apparato di sezione. data communications channel (DCC) bytes Insieme formano un canale a 192Kbit/s usato per messaggi di OAM&P tra i due apparati di sezione. Il canale è usato per segnali, controllo, monitoraggio, gestione e altri tipi di segnalazione. E possibile avere messaggi generati dagli apparati, manualmente, oppure specificati da formato proprietario del costruttore. Overheads SONET Line Overhead: Usato, elaborato e generato da Line Terminal Equipment (LTE) Localizzazione dei VT nella trama Multiplexing/instradamento Monitoraggio delle prestazioni Commutazione per protezione Gestione della tratta STS Path Overhead: Usato, elaborato e generato da Path Terminal Equipment (PTE) Monitoraggio end-to-end delle prestazioni dei VT Stato e gestione della connessione K1 K2 D4 D12 S1 Z1 M0 M1 Z2 E2 SONET - LOH STS payload pointer (H1 and H2) Questi due byte contengono il H1 puntatore che indica l offset in byte tra il puntatore stesso e il primo byte H2 dello in questo STS. pointer action byte (H3) Questo pointer action byte è usato nelle fasi H3 di risincronizzazione. H3 trasporta il byte extra nel caso di aggiustaementi negativi del puntatore. bit-interleaved parity code (BIP 8) byte Codice di parità usato per identificare errori di trasmissione sulla a. Usa codice di parità even B2 ed è calcolato su tutti i bit del o e del della trama precedente. automatic protection switching (APS channel) bytes Questi due byte sono usati per la trasmissione di segnalazione in caso di attivazione di procedure di protezione da malfunzionamenti. data communications channel (DCC) bytes 9 byte che formano un canale a 576Kbit/s per trasferimento di segnalazione OAM&P tra entità di livello a. synchronization status (S1) S1 è presente nel primo STS 1 di un STS N, e i bit da 5 a 8 sono allocati per trasportare elementi di sincronizzazione tra gli apparati di rete a livello STS-N. growth (Z1) Libero, per futuri usi. STS 1 REI L (M0) M0 è definito solo per un STS 1 trasportato in un OC 1. Bit da 5 a 8 sono allocati per funzioni di segnalazione di errore remoto. STS N REI L (M1) Usato per funzionalità REI L (restoration) growth (Z2) Libero, per futuri usi. orderwire byte Fornisce un canale vocale a 64Kbit/s per la comunicazione di operatori. Puntatori in SONET Uno dei problemi della multiplazione è gestire flussi tributari a velocità leggermente differenti Si usano puntatori per compensare variazione di frequenza e fase dei clock I puntatori consentono un alamento di fase dinamico e flessibile Evitano buffer di compensazione per la sincronizzazione Separate clocks with almost same timing (plesiochronous) Line Bit Stuffing per la sincronizzazione in PDH: quando la velocità della trama del è lenta rispetto a, si inserisce un byte extra quando la velocità della trama del è veloce rispetto a, si rimuove un byte che viene posto nell H1 H2 125 µs Positive stuffing Velocità di una più piccola Periodicamente, quando lo è un byte in ritardo, i bit dispari nella parola del puntatore sono invertiti, per segnalare un positive stuffing Un byte aggiuntivo è inserito nel VT, permettendo uno slittamento dell alamento del VT stesso Il byte aggiuntivo viene sempre messo a lato del byte H3 (nello stesso) Il puntatore è incrementato di uno nel frame successivo, e i frame seguenti conterranno il nuovo valore. Pag. 5

6 tempo Gruppo TLC Negative stuffing Velocità di una più alta Periodicamente, quando il frame dello è un byte in anticipo, i bit pari del puntatore sono invertiti, indicando un negative stuffing L inizio del contenitore virtuale viene anticipato, e il byte sovrascritto viene spostato in H3 Il puntatore è quindi decrementato di uno nel prossimo frame Devono esserci almeno 3 frame nei quali il puntatore rimane costante prima di poter operare un altra operazione di stuffing Trama SDH SDH usa una terminologia differente, ma i principi sono identici a quelli di SONET Elemento base in SDH è la trama STM-1, con periodo di ripetizione 125 µs La trama è costituita da bit, corrispondenti a una velocità di Mbit/s L informazione è organizzata in byte su 9 righe da 270 byte ciascuna Il virtual container (VC) è la sezione utile al trasporto dati (261 x 9 = 2349 byte) L administrative unit (AU) è l insieme di VC e dei relativi puntatori Trama STM-1 in SDH SONET Network Elements administrative unit 270 byte 9 byte 261 byte 0 µs Framing Puntatori virtual container 125 µs Lo standard Sonet definisce diversi apparati di rete, differenziati per le loro funzionalità Multiplexer and demultiplexer Rigeneratori Add-Drop multiplexers Digital cross-connects Sono tutti apparati di rete elettronici, nessuna operazione viene realizzata direttamente in ottica SONET/SDH ing SONET Network Elements: PTE Riprendiamo la pila di riferimento, indicando espressamente gli apparati path connessione path Multiplexer and demultiplexer: si occupano di aggregare traffico da tributari differenti Il Path Terminating Element (PTE) Versione minima di multiplexer path-terminating terminal Funzionalità di concentratore di DS 1, e di generazione dei segnali del tributario Due terminal multiplexer connessi da una fibra sono il più semplice collegamento SONET (,, path sullo stesso link) STS-3 DS-1 STS-3 DS-1 STS-3c VT terminale terminale DS-3 DS-3 rigeneratore add/drop mux Pag. 6

7 SONET Network Elements: Regen Rigeneratore È il più semplice elemento. Opera una rigenerazione 3R Usato per superare vincoli di distanza Si sincronizza sul segnale in ingresso, e rigenera il prima di trasmettere il segnale. Non altera il Line e Path (diverso da repeater in ethernet) SONET Network Elements: Add-Drop multiplexer: si occupa di multiplexing e instradamento in topologie ad anello Multipla diversi tributari in un segnale OC N In un nodo add/drop, solo i segnali che devono essere estratti sono processati e estratti/inseriti Il traffico in transito viene trasmesso attraverso l apparato senza particolari trattamenti. Ha funzionalità di instradamento alternativo in caso di guasti T x R x T x R x STS-N BUS STS-N VT DS-1 DS-3 DS-1 DS-3 SONET Network Elements: DCS Digital cross-connect: si occupa di multiplexing e instradamento in topologie magliate Accetta diverse velocità di a Accede ai segnali Commuta tutto a questo livello Usato per interconnettere tanti accessi Cross-connect a larga banda sono usati per aggregare traffico efficientemente Transparent Switch Matrix (DS1 Switch Matrix) SONET Network Configurations Configurazione punto-punto È la più semplice topologia Il link punto punto parte e termina da un Path Terminal Equipments, che si occupa di multiplazione e demultiplazione dei tributari Non si usa instradamento e demultiplazione lungo il sistema Si usano rigeneratori per superare problemi trasmissivi STS-N (VT1.5) (DS1) DS1 (DS1) DS3 (DS1) PTE REG REG REG REG PTE STS-N (STS-N) (DS3) DS1 (DS1) DS3 (DS3) STS-N ATM DS1 DS3 SONET Network Configurations Configurazione Punto-Multipunto (ar add-drop) Ancora una topologia are (e rigeneratori) sono usati lungo la a Gli inseriscono ed estraggono canali lungo il percorso Gli sono specificatamente pensati per questo scopo, e hanno una struttura significativamente più semplice di un generico cross-connect (non occorre demultiplare per poi rimultiplare) SONET Network Configurations Configurazione Hub network Per concentrare traffico, tipicamente alla centrale operativa principale È una configurazione che fa uso di Digital Cross connect (DCS) a alta velocità DCS sono molto più complessi di un : devono essere in grado di multiplare connessioni arbitarie tra differenti tributari, sia livello SONET che dei singoli tributari REG Mux Mux REG DCS REG Mux PTE REG REG REG REG PTE Mux REG Pag. 7

8 SONET Network Configurations SONET Rings È la configurazione più usata, che usa due o quattro fibre e un in ogni nodo. Bidirezionale Realizza funzionalità di protezione (sempre due percorsi) Survivability in SONET SONET Ring Architecture Network Survivability/Fault Management Survivability: la possibilità della rete di continuare a fornire un servizio usando capacità in eccesso in caso di guasti È una necessità sulle reti di backbone, il cui malfunzionamento deve essere minimo Protection: Risposta immediata (automatica) della rete dopo un guasto, per instradare il traffico su percordo alternativo Survivability Protection Protection Switching Linear Architectures Ring Architectures Restoration Restoration: approccio più complicato, tipico di reti genericamente magliate. Per reagire a guasti, la rete è in grado di auto-riconfigurarsi lentamente. Self-healing Reconfiguration Mesh Network Architectures Survivability in SONET Diverse tecniche sono usate in SONET per Survivability, Protection e Restoration Una degli approcci più comuni è basato su anelli bidirezionali, che sfruttano le loro capacità di protezione Rottura della fibra La formazione di due loopback nei nodi adiacenti il guasto permette di connettere tutti i nodi La topologia logica dopo la riconfigurazione è un anello monodirezionale, che attraversa ogni nodo due volte 1:1 protection 1+1 protection Funzionante Funzionante Funzionante Funzionante Backup Working Working Idle Working Active Fibra rotta Due nodi adiacenti al guasto sono responsabili della commutazione del traffico sull anello di protezione Fibra rotta I segnali dati sono trasmessi su entrambi i percorsi. Ogni in ogni nodo decide quale segnale è corretto e lo seleziona. Pag. 8

9 Protection and Restoration Il recupero dei guasti in SONET è molto veloce: meno di 50ms Il restoration time Nelle reti PDH è spesso dell ordine dei minuti Nelle reti IP è dell ordine dei minuti Nelle reti ethernet è dell ordine della decina di secondi (60 secondi per riconfigurare lo spanning tree) Pag. 9