Технология Ethernet-over-PDH Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

Технология

Ethernet-over-PDH

Ethernet-over-PDH (EoPDH) — это набор технологий и стандартов, которые позволяют передавать фреймы Ethernet по существующей инфраструктуре PDH. Это позволяет операторам воспользоваться обширной сетью традиционного оборудования PDH и SDH для предоставления новых услуг на базе Ethernet. В дополнение к этому технология EoPDH устанавливает мост для совместимости и дальнейшей миграции к сетям Ethernet.

Ethernet фрейм

Инкапсуляция HDLC Инкапсуляция GFP-F

Flag (7Eh) LEN (2) 1

РгеатЫе(7) □А (6) cHEC(2) J

SA (6) pType(2)

SDF(1) s' Туре(2) tHEC(2) 1

DA (6) Payload DA (6) Л

SA (6) Up to 1500 SA (6)

Type(2) I. Ethernet Г MAC Bytes Type (2)

Payload FCS(4) Payload

Up to 1500 hFCS(4) Up to 1500

Bytes Flag (7Eh) Bytes

FCS(4) V IDLE FCS(4) /

IFG pFCS(4)

І Іроисходитсдвиг полей фрейма Полоса пропускания изменяется IDLE

Область - полезной нагрузки

Поля ЕіИегпеї МАС сохраняют позиции в структуре фрейма Полоса пропускания не изменяется

Рис. 1. Сравнение инкапсуляций фреймов HDLC и GFP-F

Павел КАТЛЕРОВ

[email protected]

Передача Ethernet по другим типам сетей существует уже десятилетия. Многочисленные технологии, протоколы и оборудование создавались для достижения одной простой цели: соединить сетевой узел А с сетевым узлом Б на расстоянии Х. Множество решений этого простого уравнения неограниченно, начиная с первого компьютерного шлюза с акустическим FSK-модемом на 300 бод и заканчивая современными Ethernet-over-SDH (EoS) системами. С течением времени технологические решения этой задачи развивались и адаптировались к современным потребностям. Некоторые ветви этой «эволюции» были обрублены, другие, как, например, DSL, внедряются в мировом масштабе. Как же определить, какая из ветвей выдержит испытание временем? Проанализировав прошлое, можно заметить, что технологии-победители вносили оптимальный баланс качества обслуживания, надежности, доступной полосы канала, гибкости, совместимости, простоты в эксплуатации, стоимости оборудования и стоимости обслуживания. Технологии, которые не удовлетворяют любому из этих параметров, не найдут широкого применения и в конечном счете исчезнут или будут вытеснены в узко-специализированные сегменты.

В широком понимании EoPDH — это транспорт Ethernet-фреймов поверх существующей телекоммуникационной инфраструктуры, созданной на основе широко распространенной Плезиохронной Цифровой Иерархии (PDH). EoPDH на данный момент — это совокупность технологий и новых стандартов, которые позволяют операторам задействовать широкую сеть традиционного оборудования PDH и SDH для передачи новых услуг на базе Ethernet. В дополнение совокупность стандартов EoPDH является промежуточным звеном между совместимостью со старыми сетями и последовательным переходом к сетям Ethernet. Стандартизированные технологии в EoPDH включают инкапсуляцию фреймов, мэппинг, объединение

связей, настройку пропускной способности канала и управление сообщениями. Также для оборудования EoPDH характерно наличие тэггирования трафика для разделения по виртуальным сетям, приоритезации пользовательского трафика и приложений верхних уровней иерархии, таких как DHCP и пользовательский интерфейс HTML.

Инкапсуляция фреймов — это процесс, посредством которого Ethernet-фреймы помещаются как полезная нагрузка внутри другого формата для передачи данных по не-Ethernet. Основная задача инкапсуляции — обозначить начальные и конечные байты фрейма. В реальных сетях Ethernet начало разделителя фреймов и поле длины выполняют функцию выявления фреймов. Вторая задача инкапсуляции — преобразовать случайный («пульсирующий») трафик в равномерный, непрерывный поток данных.

Существует несколько технологий инкапсуляции — High-Level Data Link Control (HDLC), Link Access Procedure для SDH (LAPS/X.86) и Generic Framing Procedure (GFP). Хотя любая технология инкапсуляции может теоретически применяться для EoPDH, все же GFP имеет значительные преимущества и является предпочтительным методом инкапсуляции. Как правило, оборудование EoPDH также поддерживает инкапсуляцию HDLC и X.86 для совместимости с существующими системами.

Процедура GFP описана в ITU-T G.7041 и использует алгоритм выявления фрейма на основе Заголовка с Коррекцией Ошибки (Header with Error Control, HEC). В некоторых других протоколах, которые используют флаги Старт/Стоп, как, например, HDLC, при обнаружении этих флагов в пользовательских данных их нужно заменять более длинными

Фрейм E1 Channel 31 //

1 Channel 0 8 1 Channel 1 8 □ □□ 1 Channel 31 8

у ^ V 7 служебный байт 248 бит данных 125 мкс ►

Рис. 2. Формат фрейма E1

корректирующими последовательностями, что приводит к увеличению трафика. Используя процедуру HEC выявления фрейма, GFP не требует выполнения замены флагов в потоке данных. Это дает огромное преимущество GFP, так как она формирует предсказуемую нагрузку на канал связи, что особенно важно операторам, которые должны обеспечить потребителю гарантированную полосу пропускания канала связи. На рис. 1 показан формат GFP для преобразования фрейма (GFP-F) вместе с HDLC для сравнения. Следует отметить, что количество октетов для чистого Ethernet и GFP-F инкапсулированного Ethernet одинаково. Одна эта маленькая деталь упрощает адаптацию скорости. Как только Ethernet-фреймы инкапсулированы в протокол более высокого уровня, который выполняет выявление фреймов, они могут быть преобразованы к виду, пригодному для передачи по синхронной сети [1].

Мэппинг — это процесс, посредством которого инкапсулированные фреймы помещаются в «контейнер» для транспортировки по каналу связи. Первичная задача «контейнера» — обеспечить перераспределение информации. Некоторые контейнеры также обеспечивают маршрут для управления, сигнализации и мониторинга качества канала связи. В SDH «контейнеры» называются C-11, C-12 и C-3. Термины «транк» и «поток» используются в отношении к PDH-контейнерам. Примерами PDH-контейнеров являются структуры DS1, E1, DS3 и E3. В большинстве случаев один или больше низкоскоростных контейнеров можно поместить внутрь («мэппиро-вать») в контейнеры с большей скоростью. В SONET/SDH-сетях виртуальные каналы (VC) и потоки также определены и согласуются с жесткими требованиями основных контейнеров для обеспечения гибкости.

Формат фрейма для основного потока E1 показан на рис. 2. Структурированный формат фрейма повторяется каждые 125 мс. Группа из 24 фреймов E1 формирует расширенный суперфрейм (ESF). Группа из 16 фреймов E1 формирует мультифрейм. Используя служебную информацию, приемник может разделить приходящие биты на тайм-слоты или каналы. В традиционной телефонии каждый тайм-слот (или канал) несет оцифрованную информацию об одном телефонном звонке. Для передачи данных все тайм-слоты могут быть использованы как один контейнер [2].

Объединение каналов — это объединение двух или более физических связей в одно виртуальное соединение. Объединение каналов — это фактически структурированная методология для распределения данных по нескольким физическим каналам с различными задержками и корректного восстановления данных для прозрачности с протоколами верхнего уровня. Объединение каналов также не является новой технологией. MultiLink Frame Relay (MLFR), Multi-Link PPP (MLPPP), Multi-Link Procedure (X.25/X.75 MLP) и Inverse Multiplexing over ATM (IMA) являются примерами технологий объединения каналов. Из них IMA и MLFR распространены больше прочих.

Объединение каналов обычно использовалось для увеличения пропускной способности сети между двумя ее узлами, позволяя отсрочить модернизацию канала более высокоскоростным потоком PDH или SDH. Популярная сейчас форма объединения каналов Ethernet in the First Mile (EFM, описана в IEEE 802.3ah) объединяет несколько DSL-линий для увеличения пропускной способности на заданном расстоянии, или (чаще) для увеличения расстояния при заданной пропускной способности. Основная технология объединения каналов в сетях SONET/SDH называется Virtual Concatenation (VCAT) и описана в ITU-T G.707.

Вместе объединенные соединения (линки) составляют виртуально объединенную группу (Virtually Concatenated Group, VCG). Все

члены VCG имеют собственный заголовок VCAT, как показано на рис. 3. Также на рис. 3 обозначено место расположения данных членов VCG. Полная спецификация по объединению PDH-соединений (линков) описана в ITU-T G.7043.

Настройка пропускной способности соединения используется для изменения совокупной пропускной способности посредством добавления или удаления логических соединений между двумя узлами. Когда члены VCG добавляются или должны быть удалены, два конечных узла договариваются о транзакции с использованием LCAS. Для проведения переговоров LCAS использует путь заголовка VCAT. С использованием LCAS можно увеличить пропускную способность VCG без прерывания потока данных. В дополнение неисправные связи автоматически удаляются с минимальным влиянием на трафик. Полный стандарт LCAS описан в ITU-T G.7042/Y.1305.

Управление сообщениями используется в первую очередь для сообщения статуса, отчета об ошибках и тестирования связи между двумя узлами сети. В Ethernet-сетях Internet-провайдеров это обычно называется «эксплуатация, администрирование и обслуживание» (Operation, Administration, and Maintenance, OAM).

Тэггирование позволяет провайдеру однозначно определять трафик абонента в любом месте сети. Для этой цели используется несколько техник: тэги VLAN, MPLS и GMPLS. Все эти техники вставляют несколько байтов идентификации в каждый Ethernet-фрейм в точке входа (когда трафик впервые попадает в сеть) и удаляют эту информацию, когда фрейм покидает сеть оператора. Каждая из этих техник помимо тэггирования обеспечивает и другие функции. Например, VLAN-тэги также содержат поля для приоритезации трафика, а MPLS/GMPLS разрабатывалась, чтобы коммутировать трафик (то есть определять адрес назначения фрейма и перенаправлять его только в ту часть сети, для которой он предназначен) [1].

Приоритезация может использоваться, когда Ethernet-фреймы буферизованы в некоторой точке сети. Пока фреймы ожидают своей очереди в буфере, трафик с наивысшим авторитетом может быть перераспределен так, чтобы быть переданным в первую очередь. Приоритетизацию можно представить как перестановку автомобилей перед светофором. Буферизация происходит, если скорость выходного потока данных ниже, чем скорость входящего потока. Обычно эти условия носят временный характер из-за кратковременных перегрузок в сети. Если скорость выходного потока долгое время остается меньше, чем скорость входного потока, необходимо использовать управление потоком (Flow control), чтобы запустить механизм «backpressure» и уменьшить скорость источника данных. Эти две концепции — приоритезация и управление потоком — являются ключевыми в технологии, известной как качество обслуживания (Quality of Service, QoS). Однако многие неверно представляют, что приоритезация трафика обеспечивает «свободный канал» для трафика с высоким приоритетом. На практике приоритезация и планирование всего лишь позволяют обеспечить наименьшую задержку в буфере для «более важного» трафика.

Приложения высокого уровня, исполняемые узлом сети, могут служить для ряда различных целей. Наиболее распространены приложения для Layer-2 (Data Link Layer) и Layer-3 (Network Layer). Приложения Layer-2 включают протоколы, обеспечивающие связь между узлами сети. Это такие протоколы, как Address Resolution Protocols (ARP/RARP/ SLARP/GARP), Point-to-Point Protocols (PPP/ EAP/SDCP) и Bridging Protocols (BPDU/VLAN). Приложения Layer-3 включают протоколы для связи хостов (компьютеров, серверов) — Bootstrap Protocol (BOOTP), Dynamic Host Configuration Protocol (DHCP), Internet Group Management Protocol (IGMP) и Resource Reservation Protocol (RSVP). Иногда в оборудовании EoPDH используются протоколы 7-го уровня — Hyper-Text Transfer Protocol (HTTP) для создания интерфейса пользователя в виде HTML-страницы, а также Simple Network Management Protocol (SNMP) для автоматического мониторинга оборудования посредством средств управления сетью [1].

Технология EoPDH предоставляет способ передачи Ethernet-фреймов по существую-

щей телекоммуникационной инфраструктуре PDH. Попробуем выделить преимущества EoPDH, оценив ее по следующим характеристикам:

• Качество обслуживания. OAM увеличивает качество связи над нижележащими транспортными уровнями DS1/E1 или DS3/E3. Операции по мониторингу, а также отчеты о деградации качества, ошибках при соединении и восстановлении работоспособности могут быть автоматизированы. Так как транспортом нижнего уровня является PDH, можно использовать готовые средства управления PDH. Со временем средства управления PDH и Ethernet могут быть объединены, обеспечив прозрачность и единый интерфейс.

• Требования к полосе пропускания и масштабируемость. Объединение каналов в EoPDH позволяет наращивать требуемую полосу пропускания с шагом 1,5 Мбит/с от 1,5 Мбит/с до 360 Мбит/с. Этот диапазон перекрывает все существующие потребности современных сетей доступа, например IPTV. Применение Committed Information Rate (CIR) каналов в точке входа позволяет иметь даже меньший шаг наращивания полосы пропускания для абонента.

• Совместимость и простота использования. EoPDH использует существующую широко распространенную технологию PDH. Обученные сотрудники узлов связи понимают, как подготовить к работе и технически обслуживать потоки PDH, для тестирования которых оборудование доступно. Совместимость EoPDH дает большие материальные выгоды при использовании традиционных сетей SONET/SDH. Комбинация этих технологий называется Ethernet-over-PDH-over-SONET/SDH, или EoPoS. EoPoS уменьшает стоимость модернизации за счет использования установленного оборудования TDM-over-SONET/SDH. Вместо замены существующих узлов SONET/SDH на мультисервисные мультиплексоры Ethernet-over-SONET/SDH (EoS), PDH-потоки могут быть демультиплексированы обычными ADM и переданы более дешевой абонентской аппаратуре, осуществляющей объединение потоков посредством EoPDH VCAT/LCAS.

• Стоимость оборудования и эксплуатационные расходы. При транспорте Ethernet по

существующей сети SDH/PDH только узлы доступа должны поддерживать EoPDH. В большинстве случаев для этого потребуется маленький модем или медиаконвертор. Advanced Ethernet OAM уменьшает эксплуатационные расходы посредством мониторинга каналов и быстрого определения неисправности. В будущем оборудование сможет использовать протоколы на основе Ethernet для автоматической конфигурации, что значительно упростит его установку. EoPDH уменьшает затраты не только для оператора связи — часто для абонента оплата нескольких объединенных каналов E1 значительно дешевле, чем аренда более скоростного канала E3 или STM-1.

На сегодняшний день есть несколько компаний, которые производят чипы с поддержкой EoPDH. Среди них и крупные известные бренды (как Maxim/Dallas), и небольшие, но быстро развивающиеся компании — TranSwitch, Galazar Networks, Arrive Technologies. В таблице представлены их продукты [3-6].

Чип EtherMap-PDH компании TranSwitch (выпускается с IV квартала 2005 года) содержит 4 интерфейса Ethernet 10/100 Мбит/с, фреймы которых инкапсулируются в PDH-структуры сигналов E1/T1/J1 и DS3 посредством GFP-F/HDLC с использованием VCAT и LCAS на уровне PDH. EtherMap-PDH «умеет» совмещать трафик Ethernet с традиционным голосовым E1/T1/J1 посредством объединения их в канал DS3 с резервированием. Востребованной функцией является разделение пакетного трафика нескольких абонентов по подсетям VLAN, поддержка передачи голоса (протоколов FR, ATM) и услуг Ethernet поверх существующей инфраструктуры PDH. Поддержка QoS обеспечивается расширением PDH-фреймов, обработкой заголовков, мониторингом производительности [3].

Семейство чипов CopperNode фирмы Galazar Networks (выпускается с 2007 года) преобразует голосовой и пакетный трафик в структуры транспорта PDH DS1/E1 иDS3/E3. Они содержат интерфейсы для подключения к выделенным линиям (DS1/E1) и сетям данных Ethernet (10/100/1000 Мб/с), а также интерфейс SPI-3 для подключения сетевого процессора и возможности транспорта других протоколов. Комбинация портов Gigabit и Fast Ethernet с интерфейсом сетевого процессора и портами DS1/E1 обеспечивает стыковку широкого спектра существующего оборудования и передачу услуг связи нового поколения. Поддерживается мэппинг Ethernet-трафика в контейнеры PDH, а также объединение трафика нескольких Ethernet-пользователей в один контейнер PDH с помощью VLAN и Q-in-Q [4, 5].

Анонсировав в 2007 году семейство чипов DS33X162, фирма Maxim/Dallas решила задачу увеличения сегментов локальных сетей Ethernet (10/100/1000 Мбит/с) по существующей инфраструктуре PDH. DS33X162 использует инкапсуляцию MAC-фреймов в структуры PDH/TDM-потоков посредством GFP-F,

Таблица. Сравнение микросхем с поддержкой EoPDH различных производителей

Наименование Инкапсуляция Поддержка интерфейсов PDH Поддержка Ethernet-интерфейсов QoS Дополнительные интерфейсы

TranSwitch Ethermap-PDH GFP-F, HDLC, X.86 (LAPS) 3xDS3 16vE1/T1/J1 4xSMII/RMII/MII Q-in-Q VLAN Параллельный микропроцессорный интерфейс, IEEE 1149.1 JTAG

Galazar CopperNode G.7042 GFP, HDLC, Multi-Link PPP 2xDS3/E3 16xE1/T1/J1 3xSMII 1 xGMII/SMII Q-in-Q VLAN EFM OAM Параллельный и SPI-3 микропроцессорный интерфейс, IEEE 1149.1 JTAG

Galazar CopperNodeHE G.7042 GFP, HDLC, Multi-Link PPP 3xDS3/E3 21xE1 7 xSMII 1 xGMII/SMII Q-in-Q VLAN EFM OAM Параллельный и SPI-3 микропроцессорный интерфейс, IEEE 1149.1 JTAG

Maxim/Dallas DS33X162 GFP-F, HDLC, cHDLC, X.86 (LAPS) 16xT1/E1 8xDS3 1 xMII/RMII/GMII Q-in-Q eLAN eLINE VLAN Параллельный и SPI-3 микропроцессорный интерфейс, IEEE 1149.1 JTAG

HDLC, cHDLC или X.86 (LAPS). Микросхемы поддерживают услуги Ethernet-доступа — eLAN, eLINE и VLAN, процедуры VCAT/LCAS используются для динамического объединения каналов. Последовательные интерфейсы связи поддерживают двунаправленное синхронное соединение на скорости до 52 Мбит/с поверх xDSL, T1/E1/J1, T3/E3, или V.35 [6].

Технология EoPDH может применяться во многих типах телекоммуникационного оборудования, которое помещает Ethernet-фреймы в PDH, TDM или каналы с последовательной передачей. Примерами такого оборудования являются удаленные DSLAM, WAN-маршрутизаторы, устройства доступа в сеть, оборудование для связи базовых станций со-

товых операторов. В России создана огромная инфраструктура РЭИ, использующая в качестве среды передачи информации как медный кабель, так и радиочастотный ресурс. Зачастую перед операторами связи стоит задача обеспечить предоставление новых информационных услуг абонентам (доступ в сеть Шегпе^ 1Р-телефония, 1РТУ, биллинг в реальном режиме времени и др.), но средств на полную реконструкцию сети нет. В этом случае оборудование на базе ЕоРЭИ будет наиболее удачным решением, так как за небольшую плату оно позволяет предоставить абонентам новые услуги, при этом улучшая параметры сети и снижая операционные издержки на эксплуатацию. ■

Литература

1. Maxim/Dallas. APPLICATION NOTE 3849 «Ethernet-over-PDH Technology Overview» 30.05.2006. www.maxim-ic.com

2. Patton Electronics. T1/E1/PRI Technology overview.

3. TranSwitch. EtherMap-PDH Device, product information. www.transwitch.com

4. Galazar Networks. CopperNode, Product Brief. www.galazar.com

5. Galazar Networks. CopperNodeHE, Product Brief. www.galazar.com

6. Maxim/Dallas. Enhanced Ethernet-Over-PDH Transport Mapper DS33X162. http://www.maxim-ic.com/quick_view2.cfm/ qv_pk/5366