CC BY
25Реализация трехколенной топологии сетей синхронной
цифровой иерархии
Гнатив А.М. (a.gnativ@globalone.ru) Востропятов А.Ю. (a.vostropyatov@globalone.ru)
ЗАО ©Сеть Глобал Один» Московский физико-технический институт
The constantly growing necessities in high-speed and reliable trunk data links result in significant expansion of networks constructed on SDH technology (synchronous digital hierarchy). The organization of such networks demands significant capital costs on purchase of the expensive equipment and building of cable structures. In these conditions the problem of searching of effective solutions for choice and development of the network topology requires the special consideration. For maintenance of normal operation of the network it is necessary to implement a constant control of all resources, because the failures, changes of a configuration and topology are possible on the network. Such control, in turn, is impossible without operations on planning and optimization of development of the network.
Сеть связи - это совокупность пунктов (оконечных, узлов и т.п.) , в которых происходят распределение информации и в частном случае ввод ее в сеть извне (пользователем) или вывод из нее, и линий или каналов связи, обеспечивающих перенос информации в пространстве между пунктами сети. При такой интерпретации можно выделить два основных класса сетей:
- ееть линий связи (кабельных, воздушных, радио, радиорелейных, волноводных, световодных и т.п.), соединяющих два или более пунктов сети и определяющих максимальную способность сети по передаче сообщений между этими пунктами;
- сеть каналов, выделенных из линий для некоторого конкретного использования (для определенного вида связи, ведомства и т.п.) и соединяющих оконечные (ввода и вывода) или коммутационные устройства пунктов связи.
Сеть линий и каналов, образуемых на этих линиях, является базой для всех видов связи, и ее можно назвать первичной сетью, на которой строятся вторичные сети. Последние могут различаться по виду доставляемой информации, по обслуживаемой территории, по ведомственной принадлежности, по организации доставки и распределения сообщений или по используемой технике.
За последние 15-20 лет разработан целый ряд новых телекоммуникационных технологий. При создании высокоскоростных цифровых сетей передачи данных, речи, видео и мультимедиа все чаще применяют технологии SDH (Synchronous Digital Hierarchy - синхронная цифровая иерархия), B-ISDH (Broadband Integrated Services Digital Network -широкополосная цифровая сеть с интеграцией служб) и ATM (Asynchronous Transfer Mode - режим асинхронной передачи).
Все три указанные технологии исходно предназначались для глобальных сетей. По мере развития глобальных технологий происходит их миграция в локальные, в частности ATM и B-ISDH в LAN.
Требования рыночной экономики привели к потребностям ускоренного развития современных сетей связи, а значит, и коренных изменений в практике проектирования, строительства и эксплуатации сетей связи.
Современные сети должны быть построены на цифровых системах передачи и коммутации и иметь гибкую, легко управляемую структуру. Должна обеспечиваться возможность совместной работы аппаратуры разных фирм-изготовителей на сети одного оператора и удобство взаимодействия нескольких сетевых операторов. Требуется передача и переключение потоков информации разной мощности, ввод и выделение этих потоков в произвольных пунктах, глубокий контроль качества тарификации в соответствии с действительным временем пользования связью и ее качеством. Должны быть открыты пути развития служб, использующих как синхронный (Synchronous Transfer Mode , STM) так и асинхронный (Asynchronous Transfer Mode, ATM) способы переноса информации.
Постоянно растущие потребности в высокоскоростных и надежных магистральных каналах связи приводят к значительному распространению сетей, построенных по технологии СЦИ (синхронной цифровой иерархии). В рамках СЦИ разработана не только новая иерархия скоростей передачи и система преобразований цифровых потоков, но и перспективная концепция построения и развития сетей связи, поддерживаемая системой международных стандартов. Многие страны предполагают развивать свои сети только на базе СЦИ. Ряд ведущих фирм резко сократил производство аппаратуры ПЦИ. Построение таких магистральных сетей требует от операторов связи значительных капитальных затрат на приобретение дорогостоящего оборудования и строительство кабельных сооружений. В этих условиях приобретает особую актуальность задача поиска эффективных решений при выборе и развитии топологии сети.
Для обеспечения нормальной работы сети необходимо проводить постоянный контроль ее ресурсов, поскольку на сети возможны сбои, отказы, изменения конфигурации и топологии. Такой контроль, в свою очередь, невозможен без работ по планированию и оптимизации развития сети.
В статье предлагается универсальный метод модификации топологии иерархической цифровой сети SDH. За основу принимается сеть, организованная с применением способа построения многокольцевой иерархической сети на волоконно-оптических линиях связи, запатентованного компанией «Сеть Глобал Один» [1]. Это абсолютно новый, нигде ранее не применявшийся метод организации магистральной цифровой иерархической сети в пределах крупного города с хорошо развитой инфраструктурой инженерных сооружений, применяющихся для прокладки кабелей связи. Целью работы является рассмотрение перехода от двухколечной к трехколечной топологии сети. Такой переход явлется крайне важным звеном при изменении топологии. Это связано с тем, что всякая модификация влечет за собой перерыв связи. Как следствие, из всех способов требуется выбрать такой, при котором время перерыва сервиса минимально.
Предлагаемый метод в первую очередь представляет интерес для крупных операторов связи, строящих и эксплуатирующих магистральные (backbone network) цифровые сети и предоставляющих в качестве сервиса цифровые потоки со скоростями иерархии PDH и выше.
Общепринятая организация кольцевой топологии иерархических сетей достаточно традиционна - на узлы кольца высшего уровня иерархии опираются кольца более низкого уровня, на которых, в свою очередь, базируются кольца начального уровня [2]. См. рис.1.
Рисунок 1. Традиционная схема построения сетей.
Такая конструкция позволяет осуществлять постепенное наращивание скорости передачи по мере загрузки и по мере развития топологии волоконно-оптической сети. Однако, наращивание скорости передачи информации предполагает замену узлового оборудования сети на более производительное, т.е. повышается уровень иерархии на одну ступень на каждом уровне сети.
Предлагаемая схема формирования сети строится изначально по другому принципу: в основу кладется не одно базовое, а два кольца, с покрытием городской территории, условно разграниченной на север и юг, с узловым оборудованием уровня STM-4. См. рис.2. Узел обмена информацией (Центральная станция, ЦС) каждого кольца располагается в одном месте с Центральным Узлом Связи (ЦУС) для обеспечения обмена потоками информации различного характера. ЦУС представляет собой конгломерат мультиплексирующего и маршрутизирующего оборудования, обеспечивающего формирование и направление потоков сервиса IP, X.25, Frame Relay, спутниковых каналов и телефонного трафика.
Преимущества такой двухколенной структуры таковы:
• при обеспечении необходимой зоны охвата городской территории, при скорости передачи 622 Мбит/с два кольца удваивают возможности сети по передаче сервисных потоков,
• повышается надежность и живучесть сети за счет построения топологии сети по независимым трассам.
Предлагаемый способ формирования многокольцевой струкруры сети оптимален для городов с радиально-кольцевой инфраструктурой с постановкой ЦУС и ЦС в геометрическом центре города и развитием колец из центра на периферию в условиях радиального направления цифровых потоков (от периферии к ЦУС).
Способ построения многокольцевой иерархической сети на волоконно-оптических линиях связи и базовая сеть для его осуществления.
Согласно изобретению, при организации базовой сети прокладывается кабель с оптическими волокнами для формирования двух колец уровня иерархии 8ТМ-4. Второе кольцо охватывает другую пространственную область и подсоединяется ко своей второй ЦС, связанной с ЦУС. Обе ЦС располагают в окрестностях геометрического центра сети. Линии ВОЛС строятся из оптоволоконного кабеля повышенной жильности (число оптических волокон в них выбирают большим, чем необходимо для подключения действующего оборудования). Такая избыточность оправдывает себя при реконфигурациях сети для растягивания колец и ввода новых узлов в сеть. При развитии сети строительство ведется от проложенных и экплуатировавшихся ВОЛС путем осуществления технологических стыков в коммутационных устройствах на трассах (постановка разветвительных муфт) с организацией включения в кольцевую структуру новых узлов 8ТМ-4. Таким образом осуществляется географическое расширение имеющейся топологии сети.
Емкостное наращивание сети производят путем формирования по крайней мере одного дополнительного кольца уровня иерархии 8ТМ-4, которое подсоединяют к своей третьей ЦС, связанной с ЦУС. При этом при формировании кольца используют оптические волокна участков ранее проложенных магистральных кабелей, использовавшихся для организации
колец уровня иерархии 8ТМ-4. Организация вторичных колец низшего уровня
(STM-1) происходит по традиционной схеме [2].
Возможны дополнительные варианты осуществления способа, при который:
• третью ЦС дополнительного кольца уровня иерархии 8ТМ-4 располагают в окрестностях геометрического центра сети;
• дополнительное наращивание сети производят путем формирования колец уровня иерархии 8ТМ-1 с меньшей скоростью передачи информации, чем для колец второго уровня иерархии. При этом кольца уровня 8ТМ-1 соединяют с кольцами уровня 8ТМ-4 через узлы уровня 8ТМ-1.
Перейдем теперь к описанию модификации топологии сети при переходе от двухколечной к трехколечной структуре. Под таким переходом подразумевается процесс наращивания сети, т.е. организация третьего кольца уровня STM-4. Переход производится на работающей сети, поэтому серьезным требованием, предъявляемым к подобным действиям, относится минимизация времени, в течение которого будет наблюдаться перерыв сервиса, осуществляемого на сети. Следует отметить, что рассматриваемая модификация включает в себя действия как с физической, так и с логической топологией сети.
Эти действия проводятся согласованно. Переход с двухколенной на трехколенную топологию осуществляется постепенно. На первом этапе третье кольцо формируется только из двух узлов сети, один из которых помещается в ЦУС и является ЦС третьего кольца. Далее происходит расширение нового кольца, заклюнающееся в переносе узлов из других колец для уменьшения нагрузки на сеть, а также установка новык узлов. Рассматриваемая переконфигурация топологии проиллюстрирована на рисунках 3 и 4.
Организация третьего кольца осуществляется по следующей схеме:
1. Определение топологии новой 3-х коленной структуры. На этом шаге определяются узлы в новых кольцах в соответствии с проложенными кабельными коммуникациями. В раснет принимается нагрузка на сеть до и после переконфигурации. Для определенности положим/ нто третье кольцо будет содержать узлы ЦС3 и КС2-2 (коммутационная станция номер 2 во втором кольце).
2. Инсталляция третьей ЦС в ЦУС (ЦС3). Подразумевается установка мультиплексора в стойку с соблюдением всех требований по эксплуатации и безопасности.
3. Сборка оптинеской трассы третьего кольца (показана пунктиром на рис.3). Используются свободные волокна в ранее проложенном кабеле/ резервируются незанятые гнезда для подклюнения к волоконно-оптинеским распределительным модулям/ разветвительным муфтам и другим соединительным устройствам/ расположенным по пути следования оптинеской трассы. После сборки проводится просвенивание оптики для определения допустимого затухания сигнала. Производится физинеское подклюнение к третьей ЦС. Переносимый узел остается в работе и подклюнение к нему трассы на этом этапе исклюнено.
4. Организация кроссовых соединений от коненного оборудования до третьей ЦС. Вклюнает в себя физинеское соединение портов оборудования для предоставления сервиса/ установленного в ЦУС/ с портами новой инсталлированной ЦС. Этим достигается экономия трудовых ресурсов и времени в момент переклюнения и восстановления маршрутных путей на перенесенном мультиплексоре.
5. Удаление всех маршрутных путей из конфигурации переносимого узла (КС2-2 на рис.3). Удаляются все маршруты, для который одной из коненнык тонек является этот узел. Это необходимо для модификации логинеской топологии и связано с огранинениями/ вводимыми системой управления и контроля за сетью и оборудованием SDH [3], [4].
6. Логинеское удаление связей переносимого узла со всеми узлами первого уровня иерархии (узлы 1 и 2). Для этого из конфигурации всех отдельно стоящих узлов (узел 2) первого уровня иерархии/ соединенных с переносимым узлом, удаляются все маршрутные пути с одной из коненнык тонек в этом узле. Провести перемаршрутизацию потоков для этого узла невозможно/ поскольку не существует резервной оптинеской трассы для связи с кольцом STM-4. В слунае, когда узел первого уровня иерерхии имеет резервное подклюнение к какому-либо узлу второго уровня иерархии (в нашем слунае таковым является узел1), за исклюнением переносимого, производится перемаршрутизация всех цифровых потоков/ оканнивающихся
на этом узле, на резервный защитный путь. Совместно с этим отключается режим защиты для пекелюченных потоков [3].
7. Удаление переносимого узла из кольца. Это действие касается как логической, так и физической топологии. На логическом уровне происходит удаление узла из сети с помощью системы управления и контроля. Система позволяет это сделать, так как узел был заранее освобожден от нагрузки. После этого на физическом уровне производится отсоединение от оптической трассы второго кольца уровня иерархии STM-4.
8. Установка перемычки для замыкания разорванной оптической трассы старого кольца. Для этого используются оптические патчкорды. Происходит физическое соединение соответствующих гнезд на волоконно-оптических распределительных модулях.
9. Физическое подключение переносимого узла к ранее собранной оптической трассе нового кольца. При этом соблюдается правильность включения агрегатных потоков. Это подразумевает соответствие направления распространения цифрового потока от ЦУС и карты мультиплексора, предназначенной для передачи сигнала в нужном направлении.
10. Создание нового узла в третьем кольце логической топологии. Действие производится с помощью системы управления и возможно благодаря наличию физического соединения со вновь созданным кольцом.
11. Настройка синхронизации перенесенного узла. Необходимо для установления корректной работы мульплексора. Синхросигнал принимается из агрегатного потока и передается в кольцо от третьей ЦС, имеющей внешний источник синхронизации.
12. Перекроссировка оконечного оборудования клиентов на новый кросс третьей ЦС. Осуществляется параллельно с действиями, описанными в последующих пунктах. Служит для восстановления сервиса для клиентов, отключенных на время переконфигурации сети.
13. Восстановление конфигурации всех маршрутных путей на перенесенном узле.
14. Восстановление межузловых связей с узлами колец первого уровня иерархии.
15. Восстановление прежней конфигурации на отдельно стоящих мультиплексорах первого уровня иерархии и включение режима защиты для маршрутных путей на узлах, имеющих резервное подключение.
В результате получили третье кольцо уровня иерархии STM-4, состоящее из коммутационных станций ЦСЗ и КС 1-3. Первоначальные названия узлов помечены в скобках.
Заключение
Засчет проведения предварительных работ по подготовке модификации сетевой топологии экономятся значительные трудовые ресурсы для самой процедуры проведения переноса узла.
При реализации рассмотренного перехода на трехколечную топологию достигаются следующие результаты:
• минимизируется время перерыва сервиса для клиентов;
• повышается надежность и живучесть сети за счет построения топологии сети по независимым трассам.
Литература
1. Патент на изобретение № 2127489, H 04 J 14/00, опубл. lO.O3.99
2. Synchronous Transmission System. - Nortel Limited, 1995, p. 40
3. Syncom General Description. - ECI Telecom Ltd., 1995
4. SDH Management New Features. - ECI Telecom Ltd., 1998
