Цифровая связь

Ниже представлены материалы для проработки тем, изучаемых в лекциях по дисциплине «Цифровая связь» направления подготовки 11.04.02 «Инфокоммуникационные технологии и системы связи», а также для самостоятельной работы студентов-магистрантов Содержание лекционного курса из рабочей программы дисциплины: № Тема лекции. Вопросы, отрабатываемые на лекции лекции 1 2 Параметры первичных сигналов электросвязи, преобразование аналоговых сигналов в цифровые 1 Л1. Основные виды сигналов электросвязи и их параметры. Преобразование аналоговых сигналов в цифровые Аналого-цифровое и цифро-аналоговое преобразование в системах передачи с импульсно-кодовой модуляцией. Виды кодеров взвешивающего типа. Цифровые методы модуляции. Рассмотрение вопросов построения систем передачи по технологиям плезиохронной и синхронной цифровых иерархий 2 Л2. Формирование цифровых потоков в иерархиях PDH и SDH Структура первичного цифрового потока. Формирование первичного цифрового потока. Иерархия цифровых систем передачи. Построение волоконно-оптических систем передачи. Коды в линейном оптическом тракте. 3 4 Л3. Волоконно-оптические системы передачи. Коды в оптических системах связи. Структура оптических систем передачи. Коды для волоконнооптических систем передачи. Построение ВОЛП с использованием технологий уплотнения по длинам волн Виды современных сетей связи, основы построения 1 Методы мультиплексирования информационных потоков. Волновое мультиплексирование оптических несущих. Классификация WDMсистем Построение сетей связи с использованием протокола IP 5 Л5. Применение протокола передачи информации IP в цифровых сетях связи Переход от телефонных сетей общего пользования к мультимедийным сетям связи. Основы протокола IP. Новая версия IP протокола. 6 Л6. Переход к новой версии IP протокола Протокол IPv6. Переход от телефонных сетей к мультимедийным сетям передачи информации 7 Л7. Принципы построения сетей связи следующего поколения, работающих с использованием пакетной коммутации Лекция 1. Основные виды сигналов электросвязи и их параметры. Преобразование аналоговых сигналов в цифровые Цифровая связь применяется в настоящее время при передаче всех видов информации с помощью разнообразных устройств и по различным средам передачи. При этом необходимо помнить об основах преобразования информации, а именно, сообщений, имеющих вид, привычный для людей – текст, (данные, графики, математические формулы), видео (фото-, кино-, теле-передача), речь (звук, передающийся по традиционным телефонным сетям общего пользования и по сотовым сетям связи, по протоколу IP, звуковое сопровождение телевидения, радио). Именно преобразование аналоговых сигналов в цифровые помогает с применением соответствующего оборудования передавать информацию на различные расстояния по разным средам (кабелям, проводам, по беспроводным каналам). Сообщение преобразуется в первичный сигнал электросваязи (ПСЭ ) с помощью оконечной аппаратуры (звук преобразуется в ПСЭ при произнесении речи в микрофон трубки телефонного аппарата, либо сотового телефона и т.п.).Преобразования сообщения в сигнал и передача по линии связи иллюстрирует рис. 1. 2 Рис. 1. Преобразование сообщения в сигнал и схема преобразований в системе электросвязи На рис. 2 представлена схема, наглядно демонстрирующая виды передаваемых сообщений и среду распространения. Рис. 2. Классификация систем электросвязи по видам передаваемых сообщений и среды распространения Далее приводятся определение и характеристики первичных сигналов электросвязи. Первичным сигналом электросвязи называется электрический сигнал, получаемый на выходе преобразователя сообщений в электрический сигнал. Параметры первичного сигнала, величины которых однозначно отображают передаваемое сообщение, называются представляющими (информационными) параметрами. В качестве представляющих параметров используют один или несколько параметров первичного сигнала, например, амплитуду, частоту или фазу гармонического сигнала; непрерывную или дискретную последовательность мгновенных значений первичного сигнала; ширину, амплитуду или фазу импульсов; структуру и разрядность кодовых комбинаций и т.д.. 3 Ниже приведены основные характеристики первичного сигнала. 1. Длительность первичного сигнала Tc – определенный интервал времени, в пределах которого существует сигнал, т.е. тождественно не равен 0. 2. Средняя мощность первичного усреднения Т определяется выражением: 1 сигнала T Wср =TR ∫0 𝑈 2 (𝑡) 𝑑𝑡 , U (t) за интервал (1.1) где R – сопротивление нагрузки, Т – время усреднения, при Т = 1 мин – среднеминутная,Т = 1 час – среднечасовая,Т >> 1 час – долговременная мощность. 3.Максимальная мощность Wmax– это мощность эквивалентного гармонического сигнала с амплитудой Um max, которая превышается мгновенными значениями переменной составляющей первичного сигнала U(t) с определенной, достаточно малой вероятностью ε, ε = 10-2, 10-3, а иногда 10-5. Средняя и максимальная мощности должны быть такими, чтобы при прохождении по каналу передачи не превышались допустимые значения, обеспечивающие неискаженную передачу сигнала. 4. Минимальная мощность Wmin -это мощность эквивалентного гармонического сигнала с амплитудой Um min, которая превышается мгновенными значениями переменной составляющей сигнала U(t) с достаточно большой вероятностью (1- ε)=0,98. 5. Динамический диапазон Dс характеризует первичного сигнала в конкретной точке канала: Dc = , дБ возможный разброс мощностей (1.2) 6. Пик-фактор Qc характеризует превышение максимальной мощности над средней: Qc = , дБ (1.3) 7. Защищенностью первичного сигнала электросвязи Аз называется средней мощности сигнала Wср над средней мощностью помехи Wп : Аз = , дБ превышение (1.4) 8.Спектр реального сигнала, строго говоря, занимает бесконечно широкую полосу. Однако, всегда можно указать частотный диапазон Fс, в пределах которого сосредоточена основная энергия сигнала: , (1.5) 4 где Fmax , Fmin -максимальная и минимальная частоты первичного сигнала. Этот диапазон называется эффективно-передаваемой полосой частот (ЭППЧ). ЭППЧ устанавливается экспериментально, исходя из требований качества передачи для конкретного вида первичного сигнала. 8. Объем первичного сигнала Vс Vс = Dc Tc ∆Fc, Дб (1.6) 9. Потенциальный информационный объем сигнала– это количество информации, передаваемое в единицу времени: Ic = 3,32 η ∆Fc lg(1 + ), бит/с, (1.7) где η – коэффициент активности источника первичного сигнала, обычно равный 1, а для телефонных сигналов η=0,25…0,35 (имеется в виду, что при разговоре двух абонентов существуют паузы, т.е. 25-30% времени разговора занимает сам разговор, а остальное – время слушания). Первичные сигналы можно классифицировать по виду передаваемых сигналов. Этой классификацией предусмотрены аналоговые, дискретные, цифровые, узкополосные и широкополосные сигналы. Аналоговыми (непрерывными) называются сигналы электросвязи, у которых величина представляющих параметров может принимать непрерывное множество различных значений (например, телефонные сигналы). Дискретными называются сигналы электросвязи, у которых величина одного из представляющих параметров принимает счетное (возможно даже бесконечное) множество значений. Цифровыми называются сигналы электросвязи, у которых счетное множество значений одного из представляющих параметров описывается ограниченным набором кодовых комбинаций (например, телеграфные сигналы, сигналы передачи данных). Если отношение граничных частот ЭППЧ первичного сигнала , то такие сигналы называются узкополосными, а если , то сигналы называются широкополосными. Одна из возможных классификаций видов электрической связи может быть связана с характеристиками передаваемых сообщений и приведена на рис. 3. 5 Рис. 3. Классификация видов электросвязи. Преобразование аналоговых сигналов в цифровые I. Аналого-цифровое и цифро-аналоговое преобразование в системах передачи с импульсно-кодовой модуляцией Именно с импульсно-кодовой модуляцией связано начало использования цифровых технологий в сетях передачи данных и в системах цифровой телефонии, осуществляющих передачу сигналов по кабельным линиям связи. Основные преимущества данной системы перед аналоговыми системами передачи заключатся в высокой помехоустойчивости к линейным помехам и нелинейным искажениям в групповом тракте. Кроме того, в промежуточных регенерационных пунктах происходит восстановление сигнала, что позволяет избежать накопления помех в линейном тракте. Известны системы передачи с временным (ИКМ- ВД) и частотным (ИКМ- ЧД) разделением каналов. Индивидуальное оборудование на оконечных станциях в системе передачи ИКМ- ВД строится по методу временного разделения каналов, а в системе ИКМЧД - частотного. Групповое оборудование оконечных станций обеих систем передачи построено по методу временного разделения. В системе передачи с ИКМ- ВД операции дискретизации по времени, квантования по уровню и кодирования сигналов каждого канала выполняются по очереди. Кодовые 6 группы каждого канала при этом передаются также по очереди в промежутки времени, отведенные отдельным каналам. В системе передачи с ИКМ- ЧД тем же операциям подвергается групповой сигнал, образованный из канальных сигналов по принципу частотного разделения каналов. Кодовые группы в этом случае соответствуют отсчетам группового сигнала, следующим по очереди друг за другом. После декодирования цифрового сигнала и его демодуляции квантованный по уровню групповой сигнал должен быть разделен по частоте на сигналы отдельных каналов. По рекомендациям Международного консультативного комитета по телеграфии и телефонии (МККТТ), ныне именуемой Международный Союз Электросвязи (МСЭ, ITU), в качестве первичной принята 30-канальная система передачи ИКМ-30, образующая на выходе первичный цифровой поток (ПЦП) со скоростью 2,048 Мбит/с, согласно Европейской иерархии, стандартный поток Е1 имеет скорость 2 Мбит/с. Вторичная система, получаемая объединением четырех первичных потоков, рассчитана на 120 каналов (ИКМ-120), скорость вторичного цифрового потока (ВЦП) 8,448 Мбит/с, или поток Е2, скорость 8 Мбит/с. Третичная система на 480 каналов (ИКМ-480) позволяет объединить цифровые потоки четырех вторичных систем, скорость третичного цифрового потока составляет 39,368 Мбит/с, поток Е3 имеет стандартизированную скорость 39 Мбит/с. Четверичная система на 1920 каналов (ИКМ-1920) объединяет потоки четырех третичных систем, скорость четверичного цифрового потока (ЧЦП) 139, 264 Мбит/с, поток Е4 – скорость 140 Мбит/с. Все перечисленные системы могут работать как по медному, так и по волоконно-оптическому кабелю. В системах передачи с ИКМ при представлении аналогового сигнала в цифровой форме осуществляется три вида преобразований: - дискретизация по времени исходного сигнала; - квантование амплитуд полученных в результате дискретизации импульсов; - кодирование, т.е. формирование кодовых групп, соответствующих квантованным значениям амплитуд этих импульсов. Дискретизация - это первый шаг при преобразовании аналоговых сигналов в цифровую форму. На выходе ключей (на входе квантователя) она проявляется в виде амплитудно-модулированных импульсов, поэтому, в сущности, дискретизация по времени представляет собой амплитудно-импульсную модуляцию (АИМ) аналогового сигнала. В простейшем случае устройство, осуществляющее дискретизацию, представляет собой электронный ключ, при помощи которого проводятся отсчеты сигнала с включенным на его выходе фильтром нижних частот (ФНЧ). Частота замыкания этого ключа (частота дискретизации), как следует из теоремы Котельникова (любой непрерывный сигнал, ограниченный по спектру верхней частотой Fв, полностью определяется последовательностью своих дискретных отсчетов, взятых через промежуток времени Тд 1/2Fв), должна удовлетворять условию Fд 2Fв, т.е. должна быть, по крайней мере, в 2 раза больше частоты среза ФНЧ [2]. Некоторое увеличение частоты дискретизации позволяет облегчить требования к фильтрам обеспечением необходимой полосы расфильтровки. Поэтому при передаче телефонных сигналов в диапазоне частот 0,3…3,4 кГц частота дискретизации принята равной 8 кГц. 7 Различают АИМ первого и второго рода (АИМ-1, АИМ-2). При АИМ-1 амплитуда импульса изменяется в пределах его длительности в соответствии с огибающей непрерывного сигнала рис. 1.1, а. Рис. 1.1. Амплитудно-импульсная модуляция: а - первого рода (АИМ-1); б - второго рода (АИМ-2) При АИМ-2 амплитуда импульса в пределах его длительности постоянна и соответствует значению модулирующего сигнала в момент начала отсчета (рис. 1.1, б). Для последующего квантования требуется точно фиксировать мгновенное значение сигнала в начале отсчета (АИМ-1), а для обеспечения работы кодера это значение должно сохраняться в течение всего интервала времени данного канала tк (АИМ-2). Групповой АИМ сигнал образуется сочетанием нескольких АИМ сигналов, которые поступают поочередно на вход кодера К – в системах передачи с групповым кодированием (рис. 1.2, а). Групповой АИМ сигнал занимает очень широкий спектр частот и претерпевает искажения при его ограничении. Например, если полоса частот ограничена сверху, то это приводит к увеличению длительности каждого импульса и появлению внятных переходных влияний между соседними каналами. Аналогичное явление происходит при ограничении полосы частот снизу. В существующих системах с групповым кодированием выдерживаются очень жесткие характеристики передачи АИМ тракта, поэтому переходное затухание между соседними каналами в системах с ИКМ превышает 68 дБ. При таком затухании внятные переходные влияния практически не ощутимы. В системах передачи с индивидуальным кодированием групповой АИМ-тракт отсутствует, так как сигналы нескольких каналов объединяются в групповой цифровой сигнал после формирования кодовых комбинаций (рис. 1.2, б). Очевидно, что в этом случае переходные влияния в групповом тракте отсутствуют. Квантование необходимо для последующего кодирования и заключается в замене непрерывного диапазона значений амплитуд передаваемого сигнала конечным множеством разрешенных для передачи значений -уровней квантования ui. При этом непрерывный динамический диапазон передаваемых сигналов разбивается на ряд отдельных участков - шагов квантования . 8 Рис. 1.2. Образование группового сигнала: а – АИМ; б – ИКМ Если значение напряжения входного сигнала uвх удовлетворяет условию: , то сигналу квантования присваивается значение напряжения, соответствующее i-му уровню . Таким образом, квантование является преобразованием, при котором происходит округление амплитудных значений сигнала. Возникающая при этом ошибка является разностью между квантованной величиной и истинным значением сигнала и не превышает половины шага квантования: Очевидно, чем больше разрешенных уровней N, т.е. меньше шаг квантования, тем меньше ошибка. Ошибки приводят к искажению сигнала, эти искажения называют шумами квантования. Квантование может быть равномерным и неравномерным. 9 Квантование называют равномерным, если шаг квантования в допустимых пределах возможных амплитудных значений сигнала остается постоянным: δ i = const. Амплитудная характеристика Uвых = f (Uвх) квантующего устройства представляет собой ступенчатую кривую (рис. 1.3). Рис. 1.3. Амплитудная характеристика квантующего устройства Характеристика имеет два характерных участка: - зону квантования при: U0 Uвх U0 , зону ограничения при | Uвх| | U0 , т.е. во втором случае происходит ограничение максимальных мгновенных значений сигнала. В соответствии с этим, кроме шумов квантования, различают еще и шумы ограничения. Обычно уровень сигнала на входе каналов систем ИКМ выбирается так, чтобы с учетом статистических характеристик сигнала вероятность превышения | Umax| > | U0| была достаточной малой, поэтому определяющими в системах с ИКМ являются шумы квантования, а не шумы ограничения. Средняя мощность шумов квантования при δi = const: . Данная формула показывает, что при равномерном квантовании мощность шумов квантования определяется лишь шагом квантования и не зависит от уровня сигнала. Искажения квантования действуют одновременно с передачей сигнала. Поэтому влияния этих искажений удобно оценивать по отношению сигнал/шум квантования. Данный параметр представляет собой отношение мощности сигнала к мощности шумов квантования: Рс/Ркв. это отношение, выраженное в логарифмических единицах, рассматривают как защищенность сигнала от шума квантования: Q = 10 lg (Рс/Ркв). Максимальное число квантовании: разрешенных уровней квантования при равномерном . При заданном динамическом диапазоне величина δ определяет число уровней квантования, а, следовательно, и число элементов кода n, необходимое для последующего кодирования квантованных отсчетов сигнала. Защищенность от шумов квантования улучшается с увеличением числа уровней квантования. 10 Обычно считают, что для выполнения принятой нормы по отношению сигнал/шум для 99,7 % всех абонентов необходимое число уровней при равномерном квантовании должно быть n = 512…2084, что требует девяти, десяти разрядов кодовой группы. Однако увеличение уровней квантования ведет к росту числа разрядов кода, что существенно усл Повысить защищенность без изменения N можно уменьшением шага для сигналов с малым уровнем, используя для больших уровней больший шаг квантования. Таким образом достигается постоянство отношения сигнал/шум квантования в требуемом динамическом диапазоне, так как оно улучшается для слабых сигналов, а для сильных остается удовлетворительным. Такой вид квантования называют неравномерным (рис. 1.4). Рис. 1.4. Амплитудная характеристика квантующего устройства с неравномерным шагом квантования В современной аппаратуре с ИКМ используются цифровые компрессоры, которые объединены и действуют вместе с кодирующими устройствами. При кодировании используется двоичный симметричный код, так как телефонные сигналы при дискретизации дают отсчеты положительной и отрицательной полярностей. Число кодовых групп (восьмиразрядных кодовых комбинаций) соответствует числу уровней квантования N и связано с числом элементов в кодовой комбинации m соотношением N = 2m. Кодирование. Произведя "нумерацию" уровней квантования, можно передавать не сами уровни, а их значения по шкале уровней в двоичном коде. Такие преобразования сигнала иллюстрируются табл. 1.1, в которой указаны амплитуды отсчетов сигнала Uвх(t), их квантованные значения Uкв(t), ошибки квантования ξкв(t), нумерация уровней квантования N и осуществлено преобразование десятичных значений номеров уровня квантования в двоичное число (рис. 1.5). Таблица 1.1 Преобразование сигнала в двоичный код Отсчет сигнала 1 2 3 4 5 Uвх(t) Uкв(t) 3,6 2,7 1,2 0,6 0,3 ξкв(t) 4 3 1 1 0,4 0,3 0,2 0,4 0,3 N Двоичный код 4 3 1 1 100 011 001 001 000 11 Рис. 1.5. Принципы ИКМ: а - амплитуды отсчетов сигналов АИМ и их квантованные значения; б- ошибки квантования; в - преобразование номеров уровней квантования в двоичный код. Полученная в результате этого преобразования импульсная последовательность является групповым ИКМ сигналом, или цифровым потоком. Совокупность единиц и нулей между двумя квантованными отсчетами группового сигнала называется кодовой группой, а число единиц и нулей в кодовой группе определяет ее разрядность. Число кодовых групп соответствует числу уровней квантования N и связано с числом элементов в кодовой комбинации n соотношением N = 2m. Устройства, преобразующие амплитудные отсчеты сигнала в кодовую группу, называют кодерами, а устройства, осуществляющие обратное преобразование, – декодерами. По принципам действия кодеры делятся на три основные группы: счетного типа; взвешивающего типа; матричные. II. Виды кодеров взвешивающего типа Линейное кодирование и декодирование Рассмотрим линейное кодирование, в линейном кодере взвешивающего типа. Структурная схема кодера, преобразующего амплитудно-импульсный отсчет сигнала в кодовую комбинацию двоичных символов методом взвешивания, представлена на рис. 2.1. 12 Рис. 2.1. Структурная схема линейного кодера Такой кодер требует постоянства напряжения входного сигнала в течение процесса кодирования. Это обеспечивается с помощью схемы, запоминающей мгновенное значение сигнала и поддерживающей это значение в течение времени, необходимого для кодирования. Схема состоит из аналогового ключа, конденсатора и усилителя с большим входным сопротивлением. Конденсатор заряжается до напряжения, действующего на входе схемы во время замыкания ключа, и поддерживает это напряжение при размыкании. Требуется заряжать конденсатор весьма точно и с малой постоянной времени, поскольку в многоканальных системах передачи последовательные дискреты относятся к разным каналам, а из-за неточности при заряде конденсатора будут возникать переходные влияния между каналами. В некоторых случаях используют дополнительный ключ, разряжающий конденсатор непосредственно перед следующим зарядом. Кодирование методом взвешивания основано на сравнении величины дискрета с напряжением, создаваемым эталонными источниками. Напряжение эталонных источников равны соответственно 1/2, 1/4, 1/8, …1/2n части максимального размаха сигнала Uмакс. В последовательные тактовые моменты добавляют все меньшие эталонные сигналы к имеющейся сумме эталонных сигналов, причем, если компаратор покажет, что эта сумма в какой-то тактовый момент превысит величину дискрета, то в следующем такте эталонный сигнал, который вызвал превышение, отключается. При таком способе после включения или отключения последнего эталонного сигнала сумма оставшихся включенных эталонных сигналов соответствует величине UАИМ с точностью до половины наименьшего эталонного сигнала. Отклики компаратора в отдельных тактах (а именно одно из двух состояний триггера в схеме решения) образуют последовательные символы кодовой комбинации (натуральный двоичный код). На практике в описанном выше кодере наиболее критичным оказывается кодирование дискретов, близких по величине к напряжению наибольшего эталонного сигнала. Относительно небольшие неточности эталонного сигнала могут вызвать ошибки при кодировании, особенно в случае кодера, работающего совместно с цифровым компандером, для которого требуется большее число уровней квантования. На рис. 2.2 представлена структурная схема линейного декодера. 13 Рис. 2.2. Схема линейного декодера Декодер состоит из тех же блоков, что и кодер. В регистре сдвига последовательный код преобразуется в параллельный, а затем символы кодовых комбинаций записываются в запоминающее устройство. В соответствии с этими комбинациями на схему суммирования подаются сигналы от соответствующих эталонных источников. На выходе схемы суммирования образуется АИМ сигнал. Нелинейное кодирование и декодирование Нелинейные кодер и декодер сочетают функции собственно преобразователей с функцией компандера. Схема и принцип действия аналогичны линейным кодекам. Разница заключается в несколько иной последовательности включения эталонных источников, благодаря чему можно кодировать дискрет с достаточной степенью точности при восьми символах (эквивалентная кодовая комбинация при линейном кодировании требует двенадцати символов). Структурная схема нелинейного кодера представлена на рис. 2.3. Рис. 2.3. Схема нелинейного кодера В первом такте при поступлении нулевого сигнала от схемы суммирования определяется первый символ комбинации. Компаратор, или схема решения, дает однозначный ответ: является ли входной сигнал положительным или отрицательным; при этом на их выходе имеют место символы соответственно 1 или 0. При определении следующих символов кодовой комбинации положительные и отрицательные дискреты кодируются одинаково, но для кодирования положительных отсчетов используются 14 эталонные источники с положительной полярностью, а для кодирования отрицательных – эталонные источники с отрицательной полярностью. В течение второго, третьего и четвертого тактов определяется сегмент, в котором находится АИМ отсчет. Границы этих сегментов находятся в предположении, что максимальный дискрет соответствует 2048 единицам, следующие создает напряжение величиной 128 единиц. На выходе схемы решения получают результат сравнения дискрета с этим напряжением в виде 1 или 0 и одновременно второй символ кодовой комбинации. За третий такт, в зависимости от результатов второго сравнения, схема суммирования для сравнения с дискретом создает напряжение величиной 32 или 512 единиц, а результат сравнения дает третий символ кода. За четвертый такт, по аналогии с предыдущими, получают четвертый символ кода, с той разницей, что эталон для сравнения выбирается из значений: 16, 64, 256, 1024. Можно запомнить, что после определения полярности отсчета первым включается эталонное значение напряжения 128, затем, в третьем такте, значения эталонных напряжений включаются через сегмент, а после этого, начиная с четвертого такта, уже в соседнем сегменте. В течение этих четырех тактов определяется сегмент, в котором находится отсчет. P XYZ. Каждый из сегментов делится на 16 одинаковых шагов квантования, величина которых изменяется от единицы (для сегментов 0…16) и от 16…32 до 64 (для сегментов 1024 - 2048). Для дальнейшего кодирования подключается эталон с величиной, равной 1/2, 1/4, 1/8 и 1/16 сегмента. Путем сравнения дискрета с этими напряжениями, аналогично тому, как это делается в линейном кодере, определяются четыре последних символа кодовой комбинации, ABCD. Структурная схема нелинейного кодера отличается от схемы линейного кодера, преобразующего дискреты методом взвешивания, наличием блока преобразования кода. Способ образования кода иллюстрируется табл. 1.2. Таблица 1.2 Следует учесть, что нумерация сегментов при кодировании в трехразрядную кодовую группу следует от 0 до 7 (значения для XYZ), всего 8 сегментов для положительных сигналов и 8 – для отрицательных. Следующие биты кодируются в четырехразрядной кодовой группе (значения номера шага квантования внутри сегмента – ABCD). 15 Нелинейный декодер, представленный на рис. 2.4, по принципу действия весьма близок к линейному декодеру. Последовательный код преобразуется в параллельный, а затем записывается в устройстве памяти. Рис. 2.4. Схема нелинейного декодера III. Цифровые методы модуляции К системам с цифровой модуляцией относится рассмотренная ранее система передачи с ИКМ, в которой информация о мгновенной величине дискрета передается с помощью кодовых комбинаций, состоящих из символов нуль- единица (принятые МККТТ кодовые комбинации содержат восемь символов), а также система передачи с дельтамодуляцией (ДМ), являющейся одноразрядной кодовой системой. 3.1. Дифференциальная импульсно-кодовая модуляция При дифференциальной импульсно-кодовой модуляции (ДИКМ) передается информация о квантованном значении приращения напряжения. В отличие от ИКМ здесь кодируются не квантованные значения отсчетов, а их квантованная разность. Диапазон изменения разности отсчетов меньше динамического диапазона изменения исходных сигналов. Поэтому при одинаковом интервале квантования d число уровней квантования по сравнению с ИКМ можно уменьшить, что позволяет соответственно снизить число разрядов кодовых групп, а, следовательно, и тактовую частоту группового цифрового сигнала. Если же выбрать значение тактовой частоты, равное частоте ИКМ-сигнала, то применение ДИКМ позволит снизить количество ошибок квантования уменьшением интервалов d. Известно много вариантов технической реализации ДИКМ. Одна из возможных схем приведена на рис. 3.1. В этой схеме кодируется разность между значением данного отсчета и квантованным значением предыдущего, передаваемым по цепи обратной связи кодера. Кодер ДИКМ включает в себя: ФНЧ, ограничивающий спектр передаваемого сигнала; узел вычитания; АИМ-модулятор; ИКМ кодер К, осуществляющий квантование и кодирование разностного сигнала; ИКМ декодер Д, в котором кодовые группы, 16 сформированные в кодере, преобразуются в дискретные отсчеты разностного сигнала, и интегратор И, преобразующий амплитудные отсчеты сигнала, поступающие на его вход, в ступенчатую фракцию. Так как отсчеты, сформированные в цепи обратной связи, приходят на узел вычитания с задержкой на один такт, разностный сигнал на входе АИМмодулятора формируется из двух соседних отсчетов. В декоре ДИКМ принятая цифровая последовательность поступает в ИКМ декодер Д, где восстанавливается последовательность квантовых значений разностного сигнала, а затем они путем суммирования в интеграторе И преобразуются в последовательность квантовых отсчетов сигнала и далее ФНЧ в исходный аналоговый сигнал. Рис. 3.1. Схема кодека ДИКМ ДИКМ применяется для повышения пропускной способности цифровых ИКМтрактов, так как, уменьшая разрядность кода, можно увеличить число кодовых комбинаций, переданных в единицу времени. На принципах ДИКМ разработана и используется многими странами мира аппаратура, позволяющая увеличить пропускную способность телефонных ИКМ-каналов в два раза. 3.2. Дельта-модуляция. Дельта-модуляция с компандированием Принцип работы системы с ДМ состоит в том, что передается не информация о мгновенной величине отсчета, а только сообщение о том, больше или меньше данный дискрет по отношению к предшествующему переданному значению сигнала. Поскольку существует одна из двух указанных возможностей (случай идеального равенства как маловероятный не принимается во внимание), то информация об этом может быть передана с помощью одного элемента – единицы (импульса), если данный дискрет больше предыдущего, или нуля, если он меньше. Очевидно, что указанная информация должна передаваться значительно чаще по сравнению с дискретами в системе передачи с ИКМ. Обобщенная структурная схема кодека ДМ приведена на рис. 3.2 Кодек состоит из узла вычитания порогового формирователя импульсов (ПФИ) и предсказателя (П) на передаче, а также предсказателя и фильтра нижних частот на приеме. 17 Рис. 3.2. Схема кодека ДМ Пороговый формирователь импульсов управляется импульсной последовательностью с частотой fg. Если в момент поступления управляющего импульса напряжение на выходе узла вычитания оказалось положительным: u 3 = u1- u2 > 0, что равносильно u1 > u2, то на выходе ПФИ появляется кодовый импульс положительной полярности, если u3 0 (u2 u1), то - отрицательной полярности (длительность импульсов t << 1/fg). Чем меньшеt , тем больше сигналов можно передать в течение одного цикла Тц = Тg = 1/fg, т.е. тем большее число организуемых каналов. В качестве предсказателя в такой схеме используется интегратор, который можно рассматривать как простейший сумматор поступающих на него кодовых импульсов. Если постоянная времени интегратора равна бесконечности, то он считается идеальным. В интеграторах, использующихся в ДМ, постоянная времени конечна, поэтому в случае возникновения ошибки импульса ошибка восстановления исходного сигнала имеет форму экспоненциально-спадающего напряжения, что препятствует накоплению ошибок по амплитуде. Восстановленный сигнал лишь с некоторым приближением воспроизводит исходный. Точность восстановления зависит от частоты дискретизации, шага квантования и крутизны исходного сигнала. Очевидно, что уменьшение шага ступенчатой кривой позволит лучше аппроксимировать исходный сигнал, однако это потребует такого же увеличения частоты дискретизации. Если максимальная крутизна функции исходного сигнала не превышает крутизну ступенчатой функции, которая определяется величиной d /Тд, то искажения при ДМ подобны искажениям квантования в системах с ИКМ. Если это условие не выполняется, то сигнал на выходе интегратора не успевает повторить закон изменения исходного сигнала, и в системе с ДМ возникают шумы перегрузки. В зоне перегрузки ошибки превышают величину d . 18 Таким образом, при ДМ в отличие от ИКМ, где происходит амплитудное ограничение сигнала, имеет место ограничение допустимой скорости изменения (крутизны) исходного сигнала. В системах с ДМ частота дискретизации fД определяет тактовую частоту цифрового потока fТ. В системах с ИКМ частота цифрового потока, необходимая для ограничения одного канала тональной частоты, равна произведению частоты дискретизации на число разрядов кода: fТ = fД n. Чтобы обеспечить качество передачи, эквивалентное восьмиразрядной ИКМ, fТ = 8 x 8 = 64 кГц, частота цифрового потока fТ в системе с ДМ должна быть примерно в 2,5 раза выше (более 150 кГц). Тактовая частота в системах передачи с ДМ может быть существенно уменьшена, если для устранения перегрузки по крутизне шаг квантования менять в зависимости от характеристик передаваемых сигналов. По инерционности методы компандирования делятся на два типа. При мгновенном компандировании управляемый параметр ДМ может быстро изменяться от такта к такту, а при инерционном компандировании время регулирования соизмеримо с длительностью слогов речевого сообщения. Компандирование позволяет не только уменьшить тактовую частоту, но и поддерживать постоянным отношение сигнал- шум квантования при изменении мощности сигнала в достаточно широких пределах и, тем самым, расширять динамический диапазон канала. В зависимости от характеристик передаваемых сигналов может применяться тот или иной вид компандирования. Обычно считают, что мгновенное компандирование целесообразно использовать при передаче сообщений с резкими изменениями значения (например, сигналов телевидения), тогда как инерционное компандирование более эффективно при передаче речевых сообщений. Это направление развития дельта-модуляции привело к ее многочисленным разновидностям. Большинство вариантов и разновидностей ДМ отличаются друг от друга алгоритмом работы предсказателей. Каждому типу исходных сигналов может быть поставлен соответствующий предсказатель, при использовании которого достигается наивысшая защищенность передачи от шумов квантования. Существенное повышение качества передачи речи достигается при использовании дельта-модуляции со слоговым компандированием, в которой шаг квантования изменяется в зависимости от слоговой мощности телефонного сигнала. Отличительная особенность ЦСП с компандированной дельта-модуляцией - наличие дополнительной цепи обратной связи в D -кодере и D -декодере. На рис. 3.3 приведена структурная схема кодека, в котором дополнительная цепь обеспечивает изменение шага квантования в зависимости от структуры передаваемого цифрового сигнала. С этой целью сигнал с выхода порогового формирователя импульсов подается на анализатор плотности единиц (АПЕ), фиксирующий наличие определенного числа следующих подряд единиц в цифровом сигнале. Импульсная последовательность, формируемая АПЕ, поступает на вход интегратора И2, сигнал с выхода которого управляет модулятором амплитуды импульсов (МИ). Изменение амплитуды импульса на входе интегратора И1 приводит к изменению шага квантования, в соответствии с которым формируется сигнал, поступающий на вход вычитающего устройства, что, в свою очередь, приводит к изменению шага квантования 19 кодируемого сигнала. Аналогичные изменения шага квантования осуществляется и в D декодере. Рис. 3.3. Структурная схема кодека с компандированной дельта-модуляцией Компандированная дельта-модуляция позволяет не только обеспечить изменение шага квантования в большем диапазоне, улучшить защищенность сигнала от шума квантования, значительно снизить скорость цифрового потока, но и получить качество передачи, сравнимое с качеством ИКМ. По сравнению с ДМ ДИКМ имеет преимущество при передаче таких сигналов, у которых возможны резкие (длительностью 1/fmax) скачки мгновенных значений. Например, при передаче телевизионных и видеосигналов, где резкие изменения соответствуют границам между темными и яркими деталями на изображении. В этих условиях повышение частоты дискретизации не гарантирует снижения разницы соседних отсчетов до значения шага квантования. При ДИКМ частота дискретизации обычно выбирается такой же, как и при ИКМ. Каждый из методов аналого-цифрового преобразования имеет свои преимущества и недостатки. Однако практическое применение дифференциальных методов ограничено по сравнению с ИКМ, которое является основным на сетях связи. На современном этапе развития интегральной техники новые исследования в этой области показывают; что цифровые системы на основе дифференциальных методов модуляции в перспективе могут успешно конкурировать с системами ИКМ. Изобретены методы ДМ, позволяющие значительно снизить искажения сигнала, устранить накопление ошибок восстановления при однократных ошибках в линейном сигнале. В то же время еще далеко не исчерпаны возможности систем передачи с ИКМ. Практика их эксплуатации как за рубежом, так и в нашей стране, подтвердила высокое качество, стабильность характеристик и хорошую помехозащищенность организуемых каналов. Системы передачи с ИКМ служат основой для создания интегральной сети связи, они легко сопрягаются с электронными 20 коммутационными станциями. Постоянно ведется совершенствование существующих цифровых сетей, а также разработка аппаратуры, расширяющей их возможности. Лекция 2. Формирование цифровых потоков в иерархиях PDH и SDH IV. Структура первичного цифрового потока Первичный цифровой поток формируется в аппаратуре первичной телекоммуникационной системы. Формирование потока соответствует стандартам МСЭТ, рекомендации G.704. Обозначаются PCM30, PCM31, PCM30C, PCM31C. Цикловой сигнал со скоростью 2048 кбит/с имеет во времени цикловую структуру. Структура первичного цифрового сигнала построена на следующих элементах (рис. 4.1):  циклах (Ц);  канальных интервалах  разрядах (Р). (КИ); Совокупность 32 КИ образует цикл передачи. Между циклами, канальными интервалами и разрядами выдерживаются следующие соотношения:  информационная емкость Р – 1 бит;  частота повторения КИ – 256 кГц, Р - 2048 кГц;  номинальная длительность Р – 488 нс;  количество Р в КИ – 8;  нумерация Р – Р1-Р8;  номинальная длительность КИ – 3,9 мкс;  количество КИ в Ц – 32;  частота повторений Ц – 8 кГц;  номинальная длительность Ц – 125 мкс. Циклы первичного цифрового сигнала чередуются по типам Ц1 и Ц2, которые отличаются использованием нулевого канального интервала КИ0. Цикловой синхросигнал передается в КИ0 в нечетных циклах на позициях Р2-Р8 и имеет вид 0011011, а в четных циклах на позиции Р2 передается 1. Разряд Р3 КИ0 Ц2 предназначен для передачи сигнала аварии на противоположную станцию, причем значение "0" соответствует нормальному состоянию, а "1" – аварийному. Разряд Р7 КИ0 Ц2 используется для передачи сигнала ВЫЗОВ (служебной связи) на противоположную станцию. В канальных интервалах КИ1…КИ15 и КИ17…КИ31 передается информация, соответствующая 30 каналам ТЧ. Канальный интервал КИ16 может быть использован либо для передачи дискретной информации со скоростью 64 кбит/с, либо для организации общего канала сигнализации 21 (ОКС). Сигнал сверхцикловой синхронизации передается в Ц0 в 16 КИ на позициях Р1– Р4. Рис. 4.1. Структура цикла и сверхцикла аппаратуры АКУ-30 Формирование первичного цифрового потока Оборудование цифровых систем передачи состоит из оборудования формирования (приема) цифрового сигнала и оборудования линейного тракта (рис. 4.2). В состав оборудования формирования (приема) цифрового сигнала входят: - аппаратура цифрового каналообразования (АЦК), которое осуществляет преобразование аналоговых сигналов основного цифрового канала (64 кбит/с) и формирование группового первичного потока; - оборудование временного группообразования (вторичное, третичное и т.д.), предназначенное для объединения нескольких цифровых потоков. В состав линейного оборудования входит оборудование линейного тракта (ОЛТ) на оконечных станциях, назначение которого - согласование линейного тракта с ОВГ или АЦК, дистанционное питание регенераторов, обеспечение телеконтроля тракта и служебной связи. 22 Станция А передающее оборудование 1 2 N Линейный тракт Станция Б приемное оборудование Гр.СУВ Гр.СУВ Пер. СУВ Гр.ИКМ сигнал Гр.АИМ ФНЧ Гр.ИКМ сигнал Гр.АИМ Линейный ИКМ сигнал M 1 2 N Пр. СУВ ВС ФНЧ u1(t) u1(t) Кодер 1 УО ПКпер РС ПКпр УР Декодер fд ФНЧ 1 fд M Пер. СС u2(t) 2 ВС Пр. СС u2(t) 2 ГОпер fд ФНЧ ГОпр fд fт ФНЧ M ВТЧ ВС ФНЧ uN(t) uN(t) N N fд fд Рис. 4.2. Формирование и передача информации в первичном цифровом потоке Оборудование линейного тракта соединяется между собой линиями связи (кабельными, радиорелейными, волоконно-оптическими и т.д.) с включенными обслуживаемыми ОРП и необслуживаемыми НРП усилительными пунктами. Аппаратура ЦСП выпускается в стоечном исполнении (САЦК, СВВГ, СТВГ, СОЛТ). Кроме оборудования оконечных станций и линейного тракта имеется дополнительное оборудование - аппаратура выделения (АВ) цифровых потоков и каналов для вторичных и третичных цифровых трактов. Для реализации функций выделения- ввода используются мультиплексоры типа “add/drop- мультиплексоры” (ADM – мультиплексоры вводавывода) или мультиплексоры с функцией “drop/insert”, оконечные мультиплексоры – терминальные (TM). Для переключения каналов между различными цифровыми трактами используется аппаратура кроссовой коммутации – кросс-коннекторы. Для управления данными устройствами (мультиплексорами и кросс-коннекторами) оборудование линейного тракта оснащается специальной системой сетевого управления NM (Network Management). Кроме того, современные цифровые сети PDH не могут нормально функционировать без обеспечения равенства скоростей обработки сигналов во всех узлах и оконечных устройствах, поэтому важной составной частью первичной сети стала система единой тактовой синхронизации. Таким образом, комплекс оборудования первичной сети связи ПЦИ это совокупность:  первичных мультиплексоров для АЦ преобразования и объединения низкоскоростных цифровых сигналов в первичный цифровой сигнал 2048 кбит/с; 23  гибких мультиплексоров, осуществляющих временное группообразование вторичных, третичных и четверичных трактов, а в случае необходимости – их выделение, т.е. ввод на промежуточных или узловых станциях;  оборудования линейного тракта, кросс-коннекторов;  системы управления и системы сетевой тактовой синхронизации. В качестве аппаратуры АЦК в настоящее время используют аппаратуру ИКМ-30, тогда как в аппаратуре "Сопка" могут использоваться и стойки аналого-цифрового каналообразования (САЦК-1). Для вторичного группообразования может использоваться аппаратура ИКМ-120 или стойка вторичного временного группообразования (СВВГ-1У). В приложении 1 подробно рассмотрена аппаратура «Сопка», материал для самостоятельного изучения. Следует обратить особое внимание на терминологию, используемую в технической литературе по данным вопросам. Так, в технологии PDH и SDH применяется много новых терминов, не характерных для других сетевых технологий, кроме того, часто в различных информационных источниках для одного и того же понятия используются разные термины. Ниже приводятся используемые термины и их аналоги: аварийный (тревожный) сигнал - сигнал аларм (alarm); блок - юнит (unit); информационный или нагрузочный сигнал - триб (trib); стык - интерфейс (interface); уплотнение канала (группообразование) - мультиплексирование (multiplexing); цикл (кадр) - фрейм (frame). V. Иерархия цифровых систем передачи Системы передачи плезиохронной цифровой иерархии Цифровые системы передачи информации стандартизируются по определенной иерархической структуре, основным принципом которой является кратность скоростей обработки и передачи сигналов на различных ступенях иерархии. Таким образом, число каналов тональной частоты или основных цифровых каналов (ОЦК) (64 кбит/с), которые можно организовать с использованием различных систем кратно (что упрощает разделение, объединение, транзит передаваемых сигналов), способствует рациональному построению первичной сети связи. Различают два типа цифровых иерархий: плезиохронную (ПЦИ) и синхронную (СЦИ). 5.1. Плезиохронная цифровая иерархия Исторически первой появилась плезиохронная цифровая иерархия, которая была единственной с начала 60-х до конца 80-х гг., и поэтому свое теперешнее название она получила только с возникновением и началом использования систем передачи, основанных на принципах синхронной иерархии. Первой системой передачи информации с ИКМ, выпущенной предприятием фирмы Белл в 1961 г., была 24-канальная система со скоростью передачи цифрового сигнала в линии 1544 Кбит/с. Она послужила основой для североамериканского стандарта PDH, который получил признание Международного Союза Электросвязи в области 24 телекоммуникаций (МСЭ-Т, ITU-Т) и используется по настоящее время. Однако для Европейского региона ITU принял другой стандарт иерархии (ЕС), который основывается на первичной ЦСП типа ИКМ-30 со скоростью передачи цифрового сигнала 2048 Кбит/с (рис. 5.1). В нашей стране в соответствии с этим стандартом используется аппаратура ИКМ-30, ИКМ-120, ИКМ-480, ИКМ-1920 и ее современные аналоги. Первичная ЦСП ИКМ-30 используется на телефонных сетях в основном с целью организации соединительных линий между АТС, а также как каналообразующая аппаратура для аналого-цифрового преобразования в системах передачи более высоких ступеней иерархии. Основные ее параметры, установленные в соответствии с рекомендациями ITU таковы:  количество телефонных каналов – 30 при 32  частота дискретизации – 8 КГц;  число разрядов кодека – 8;  скорость передачи 32* 8* 8 - 2048 Кбит/с. канальных интервалах; Два дополнительных канальных интервала предусмотрены синхросигналов и сигналов управления и взаимодействия между АТС. для передачи Рис. 5.1. Формирование потоков в ПЦИ (PDH) В современной терминологии все чаще вместо ИКМ-30 применяется понятие “первичный мультиплексор”, так как назначением первого этапа иерархического преобразования сигналов является мультиплексирование различных сигналов, поступающих на вход мультиплексора в первичный цифровой канал (ПЦК) Е1 - 2048 Кбит/с на передаче, демультиплексирование и обратное преобразование на приеме. При этом объединяемые сигналы могут быть как аналоговыми, так и цифровыми, а в качестве аналого-цифрового преобразования может использоваться не только ИКМ. Оборудование второй ступени PDH предназначено для объединения четырех первичных цифровых каналов (ПЦК) с пропускной способностью 2048 Кбит/с в один групповой вторичный цифровой канал (ВЦК) с пропускной способностью 8448 Кбит/с. Основным оборудованием ИКМ-120 является оборудование вторичного временного группообразования (ВВГ), в котором на последующих ступенях PDH используется посимвольный метод объединения цифровых сигналов. 25 Третичные ЦСП рассчитаны на объединение сигналов четырех вторичных систем и, в случае использования стандартного ИКМ-преобразования, могут обеспечить на первой ступени иерархии передачу до 480 телефонных каналов. Пропускная способность третичного цифрового канала (ТЦК) 34 368 Кбит/с. Четверичные ЦСП, осуществляющие объединение сигналов четырех третичных систем, позволяют организовать 1 920 телефонных каналов. В четвертичном цифровом канале с пропускной способностью 139 264 Кбит/с можно обеспечить высококачественную передачу телевизионных сигналов и сигналов других широкополосных систем. Представляет интерес сравнение действующих в настоящее время уровней цифровой иерархии в Европе, Северной Америке и Японии (табл. 5.1). Таблица 5.1 Уровни цифровой иерархии: АС-американский стандарт; ЯС-японский стандарт; ЕС-европейский стандарт Уровень цифровой иерархии Скорости передач, соответствующие различным схемам цифровой иерархии AC: 1544 kbit/s ЯС: 1544 kbit/s EC: 2048 kbit/s 64 64 64 1 1544 1544 2048 2 6312 6312 8448 3 44736 32064 34368 4 --- 97728 139264 Дальнейшее объединение цифровых потоков четырех систем передачи позволяет получить более мощные пятеричные цифровые системы, которые не нашли широкого применения, так как не выдержали конкуренции с новыми принципами организации СЦИ - синхронной цифровой иерархии. К недостаткам плезиохронной цифровой иерархии следует отнести невозможность управления из единого пункта сетью и передачей информации, отслеживание аварийных ситуаций. Процедура увеличения скоростей требует применения каскадного мультиплексирования (рис. 5.2). При этом на транзитных пунктах достаточно выделять низкоскоростные потоки, уровня E1. Для этого необходимо применять каскадное демультиплексирование, что усложняет процесс выведения потоков и применяемую аппаратуру. В дальнейшем использование оптических волокон и стремительный рост скоростей передачи привело к необходимости применения новых технологий, был разработан стандарт американской синхронной иерархии – SONET (Synchronous Optical NETwork), а в Европе и в нашей стране был принят свой стандарт – СЦИ (SDH – Synchronous Didital Hierarhi) – синхронной цифровой иерархии. SDH-иерархия позволяет передавать информацию до 2500 Мбит/с и может быть расширена вплоть до 13 Гбит/с. SDH предоставляет существенно улучшенную схему 26 мультиплексирования каналов для быстродействующих интерфейсов с полосой 150 Мбит/с и выше:  обеспечивается единый стандарт для мультиплексирования и межсетевого соединения;  прямой доступ к низкоскоростным каналам без необходимости полного демультиплексирования сигнала;  простая схема управления сетью;  возможность использования новых протоколов, по мере их появления. Рис. 5.2. Каскадное мультиплексирование и демультиплексирование цифровых потоков в ПЦИ (PDH) В таблице ниже приведены скорости передачи информации в сетях SDH. Таблица 5.2 Уровень SDH. Скорость передачи, Мбит/с STM-1 155,520 STM-4 622,080 STM-8 1244,160 STM-12 1866,240 STM-16 2487,320 По своей сути сети, использующие синхронную цифровую иерархию, являются транспортными сетями, надежно передающими речевой трафик в настоящее время, хотя в данных сетях можно передавать информацию, используя различные технологии. Для сравнения ниже приводятся скорости описанных выше стандартов. Таблица 5.3 Скорости передачи информации в сетях с технологиями SDH и SONET 27 Увеличение скорости передачи в данных сетях происходит при формировании синхронного транспортного модуля (СТМ, STM) по определенной схеме, показанной на рис. 5.3. Самый низкоскоростной поток образуется при формировании STM-1 модуля, имеющего скорость передачи 155 Мбит/с, далее скорости растут все время в четыре раза. В схеме мультиплексирования применены следующие обозначения: С-n VC-n TU-n TUG-n AU-n AUG Контейнер уровня n (n=1,2,3,4); Виртуальный контейнер уровня n (n=1,2,3,4); Трибные блоки уровня n (n=1,2,3); Группа трибных блоков n (n=2,3); Административные блоки уровня n (n=3,4); Группа административных блоков (стандарт G.709). Рис. 5.3. Процесс формирования синхронных транспортных модулей Контейнеры С-n используются для инкапсуляции сигналов каналов доступа или трибов (нагрузочных блоков, информационных каналов), при этом уровни n соответствуют уровням PDH. Контейнер С-1 может нести в себе контейнер С-11, 28 который содержит триб Т1=1,54 Мбит/с, и контейнер С-12, несущий триб Е1=2 Мбит/с. Контейнер С-2 разбивается на контейнер С-21, содержащий триб Т2=6 Мбит/с и контейнер С-22 с трибом Е2=8Мбит/с. Контейнер С-3 разбивается на контейнер С-31 (триб Е3=34 Мбит/с) и контейнер С-32 с трибом Т3=45Мбит/с. С-4 не имеет подуровней и несет в себе триб Е4=140 Мбит/с. Виртуальный контейнер VC-3 делится на два виртуальных контейнера VC-31 и VC-32, полезная нагрузка VC-3 образуется из одного контейнера С-3 или с помощью мультиплексирования нескольких групп TUG-2. Виртуальный контейнер VC-4 с полезной нагрузкой в виде контейнера С-4 или путем мультиплексирования нескольких групп TUG-2 и TUG-3. Административный блок AU-3 разбивается на подуровни AU-31 и AU-32, поле данных которых формируется из виртуального контейнера VC-31 или VC-32 соответственно. Административный блок AU-4 не имеет подуровней, его поле данных формируется из виртуального контейнера VC-4 или комбинаций других блоков: 4*VC31 или 3*VC-32 или 21*TUG-21 или 16*TUG-22. При передаче по сети SDH информация вкладывается в специальные структуры, называемые виртуальными контейнерами (VC – Virtual Conteiner). Эти контейнеры состоят из двух частей: 1. собственно контейнер (от сокращения Conteiner), где лежит передаваемая информация; 2. заголовок (path overhead - POH), который содержит вспомогательную информацию о канале, управляющую информацию, связанную с маршрутом передачи. В табл. 5.4 приведено несколько типов виртуальных контейнеров для использования в различных каналах. Таблица 5.4 Виды виртуальных контейнеров Виртуальный контейнер Поддерживаемые услуги VC-11 1.544 Мбит/с североамериканские каналы VC-12 2.048 Мбит/с европейские каналы VC-2 6.312 Мбит/с каналы (используются редко). VC-2 могут также объединяться для достижения больших скоростей VC-3 34.368 Мбит/с и 44.736 Мбит/с каналы VC-4 139.264 Мбит/с каналы и другие высокоскоростные услуги На рис. 5.4. отображена иерархия мультиплексирования потоков информации в SDH. На рисунке не показана возможность вложения контейнера VC-11 в TU-12. 29 Рис. 5.4. Иерархия мультиплексирования SDH SDH-сигнал состоит из STM-1 кадров (Synchronous Transport Module уровень 1). Этот сигнал обеспечивает интерфейс для обмена со скоростью 155.52 Мбит/c, что является базовым блоком, из которого строятся интерфейсы с более высоким быстродействием. Для более высоких скоростей может быть использовано n STM-1 кадров с перекрытием байтов (byte interleave). Согласно требованиям CCITT n может принимать значения 1, 4 и 16, предоставляя интерфейс для каналов с полосой 155.52, 622.08 и 2488 Мбит/с. Каждый STM-1 кадр содержит 2430 байтов, передаваемых каждые 125 мкс. Для удобства такой кадр можно отобразить в виде блока, содержащего 9 строк по 270 байт. Структура кадра STM-1 Рис. 5.5. Структура кадра STM-1 Первые 9 колонок кадра, исключая строку 4, используются в качестве заголовка. Регенераторная часть (заголовок регенерационной секции) служит для передачи сигнала между линейным оборудованием и несет в себе флаги разграничения кадров, средства для обнаружения ошибок и управления телекоммуникационным каналом. 30 Мультиплексорный заголовок используется мультиплексорами, обеспечивая детектирование ошибок и информационный канал с пропускной способностью 576 Кбит/с. AU (administrative units) - предлагает механизм эффективной транспортировки информации STM-1. Административный блок перераспределяет информацию внутри виртуального контейнера. Начало виртуального контейнера индицируется указателем au, в котором содержится номер байта, с которого начинается контейнер. Таким образом, начала STM-1 и VC не обязательно совпадают. VC-4 (см. рис. 5.7) позволяет реализовать каналы с быстродействием 139.264 Кбит/с. Более высокая скорость обмена может быть достигнута путем соединения нескольких VC-4 вместе. Для более низких скоростей (около 50 Мбит/с) предлагается структура AU-3. Три VC-3 помещаются в один кадр STM-1, каждый со своим au-указателем. Когда три VC-3 мультиплексируются в один STM-1, их байты чередуются, то есть за байтом первого VC-3 следует байт второго vc-3, а затем третьего. Чередование байтов (byte interleaving) используется для минимизации задержек при буферизации. Каждый VC-3 имеет свой AU-указатель, что позволяет им произвольно размещаться в пределах кадра STM-1. Вложение виртуальных контейнеров друг в друга Рис. 5.6. Вложение виртуального контейнера VC-4 в STM-1 Рис. 5.7. VC-4, вложенный в AU-4 31 Рис.5.8. Три VC-3 в STM-1 кадре Каждому VC-3 при занесении в STM-1 добавляется 2 колонки заполнителей, которые размещаются между 29 и 30, а также между 57 и 58-ой колонками контейнера VC-3. VC, соответствующие низким скоростям, сначала вкладываются в структуры, называемые TU (tributary units - вложенные блоки), и лишь затем в более крупные - VC-3 или VC-4. TU-указатели позволяют VC низкого уровня размещаться независимо друг от друга и от VC высокого уровня. VC-4 может нести в себе три VC-3 непосредственно, используя TU-3 структуры, аналогичные AU-3. Однако транспортировка VC-1 и VC-2 внутри vc-3 несколько сложнее. Необходим дополнительный шаг для облегчения процесса мультиплексирования VC-1 и VC-2 в структуры более высокого уровня (см. рис. 5.9). Рис. 5.9.Транспортировка VC при низких скоростях с использованием TU-структур Так как VC-1 и VC-2 оформляются как TU, они вкладываются в TUG (Tributary Unit Group). TUG-2 имеет 9 рядов и 12 колонок, куда укладывается 4 VC-11, 3 VC-12 или один VC-2. Каждый TUG-2 может содержать VC только одного типа. Но TUG-2, содержащие различные VC, могут быть перемешаны произвольным образом. Фиксированный размер TUG-2 ликвидирует различия между размерами VC-1 и VC-2, упрощая мультиплексирование виртуальных контейнеров различных типов и их размещение в контейнерах более высокого уровня. Данная схема мультиплексирования 32 требует более простого и дешевого оборудования для осуществления мультиплексирования, чем PDH. Если в SDH управление осуществляется на скоростях в несколько килобайт, в ATM оно реализуется на скорости канала, что влечет за собой определенные издержки. Для управления SDH/SONET используется протокол SNMP (см. RFC-1595, “Definitions of Managed Objects for the SONET/SDH Interface Type”) и база данных MIB. Архитектура сети, базирующейся на SDH, может иметь кольцевую структуру или схему точка-точка. На рис. 5.10 представлена в разных видах схематично передача информации по сетям SDH и тракт передачи от оконечного мультиплексора к другому оконечному – терминальному мультиплексору (Terminal Multiplexer – TM). Показаны мультиплексорная и регенерационная секции данной транспортной сети. Рис. 5.10. Схематическое изображение передачи информации в сетях SDH 33 Лекция 3. Волоконно-оптические системы передачи. Коды в оптических системах связи VI. Структура оптических систем передачи Технологии волоконно-оптических линий и сетей связи, помимо вопросов волоконной оптики и оптических методов передачи информации, включают вопросы, касающиеся электронного передающего оборудования, стандартизации оборудования, протоколов передачи, технологии линий и сетей и общие вопросы их построения. Оптические системы передачи имеют следующие преимущества по сравнению с системами, использующими кабельные линии связи: 1. Высокая помехоустойчивость, так как на передаваемые сигналы не влияют внешние электронные магнитные или радиочастотные помехи. Таким образом, волоконно-оптические кабели полностью не восприимчивы к помехам, вызываемыми молниями или источниками высокого напряжения, оптическое волокно не испускает излучения, что удовлетворяет требованиям современных стандартов к компьютерным приложениям. 2. Передатчик и приемник электрически изолированы друг от друга и свободны от проблем, связанных с возникновением паразитных токовых петель вследствие оптических сигналов, не требующих наличия системы заземления. 3. Безопасность работы волоконно-оптической связи в детонирующих, воспламеняющихся или электро-небезопасных средах и условиях. Например, при использовании ВОЛС отсутствие сдвига потенциалов в системе заземления между двумя терминалами исключает искрение или электрические разряды. 4. Большая ширина спектра оптического кабеля позволяет повысить емкость канала передачи. Кроме того, при использовании ВОЛС более длинные отрезки связи требуют меньшего количества регенераторов, так как оптический кабель (ОК) обладает чрезвычайно низкими уровнями затухания. 5. ВОЛС имеют меньшие габариты и вес, так как у ОК меньший диаметр и вес по сравнению с системами связи, использующими обычные коаксиальные кабели с равной пропускной способностью, а это означает сравнительно более легкий монтаж, особенно в заполненных трассах. Например, 300 м одноволоконного кабеля весят около 2,5 кг, а 300 м аналогичного коаксиального кабеля весят 32 кг, то есть приблизительно в 13 раз больше. 6. Волоконно-оптические системы связи обеспечивают секретность передаваемой информации, так как электронные методы подслушивания основаны на электромагнитном взаимодействии, к которому оптические системы не восприимчивы. Однако волоконно-оптические системы (наряду с достоинствами) имеют также и недостатки, к основным из которых относятся:  дороговизна прецизионного монтажного оборудования;  относительно высокая стоимость лазерных источников излучения;  требования специальной защиты волокна. 34 Тем не менее, преимущества от применения волоконно-оптических линий связи очевидны. Началом эры волоконно-оптической связи можно считать 1970 г., когда компанией Corning Glass Inc. был разработан стеклянный волоконный световод с низкими потерями, позволяющий передавать информацию без усилителей и ретрансляторов на расстояния, составляющие несколько километров. Спустя несколько лет удалось снизить потери (затухание) до 0,2 дБ/км. Это позволило передавать информацию на 50—100 км без дополнительных устройств усиления. Принцип передачи информации по световоду основан на законе полного внутреннего отражения. Пучок света, проходящий по сердцевине волоконного световода, полностью отражается от его оболочки, имеющей меньший показатель преломления. Рис. 6.1. Распространение света в волоконном световоде Современный волоконный световод представляет собой нить из кварцевого стекла диаметром 0,125 мм. Снаружи она закрыта полимерной оболочкой. Центр нити представляет собой сердцевину из стекла с определенными добавками (как правило, германия) для повышения показателя преломления. Диаметр сердцевины, в зависимости от типа световода, может меняться в широких пределах. Так, для локальных волоконнооптических сетей и волоконных соединителей он составляет 0,05—0,06 мм. Для дальних линий связи используется оптическое волокно с диаметром сердцевины 0,004— 0,006 мм, то есть 4-6 мкм. Световоды с такой сердцевиной получили название одномодовых световодов. Они используются для передачи информации в основном на большие расстояния. Стоимость изготовления подобного волокна несколько ниже. Более того, в нем сведен к минимуму такой негативный фактор, как дисперсия, то есть временное уширение передаваемого импульса. С другой стороны, световоды с толстой сердцевиной, так называемые многомодовые световоды, более удобны для стыковки. И поэтому они преимущественно используются на коротких расстояниях. Здесь повышенной дисперсией можно пренебречь или, при необходимости, свести ее к минимуму. Также оптическое волокно с толстой сердцевиной имеет ряд специальных применений, например, передача мощного излучения лазеров. Такое волокно, например, используется в медицине. Основным преимуществом волоконно-оптических линий связи перед электрическими проводными является выигрыш в скорости передачи информации. Один световод способен легко заменить целый кабель, содержащий несколько сотен проводов. Скорость передачи информации по оптическому каналу сейчас превышает 40 Гбит/с (4×1010 Mбит/с). Использование сразу нескольких оптических каналов позволяет в разы повысить пропускную способность световода. В настоящее время удалось получить суммарную информационную емкость одной линии связи более 1 Тбит/с (1012 бит/с). 35 Представленная ниже обобщенная структурная схема волоконно-оптической системы передачи (рис. 6.2) предусматривает следующие основные процессы преобразования сигнала: 1. Сообщение в аналоговой или цифровой форме поступает от источника сообщений на преобразователь, где формируется первичный электрический сигнал. 2. Наиболее распространенным способом цифрового преобразования аналоговых сигналов является импульсно-кодовая модуляция. Она используется во всех разработках аппаратуры каналообразования цифровых систем передачи (ЦСП) и обеспечивает высокое качество передачи сигналов. 3. Затем формируется групповой цифровой сигнал из нескольких цифровых сигналов с более низкой скоростью передачи (мультиплексирование). Полученный сигнал передается в кодер канала, в котором осуществляется избыточное кодирование, необходимое для обеспечения требуемой помехоустойчивости, удобств синхронизации приемных устройств (регенераторов) и др. 4. Далее электрический сигнал осуществляет модуляцию оптического излучения, которое обычно генерируется источником света. В качестве источников света используются лазеры или светодиоды: - полупроводниковые; - с двойной гетероструктурой; - для одномодовых оптических волокон; - с распределенным брегговским отражением; - светоизлучающие диоды; - суперлюминисцентные диоды и др. Процесс модуляции осуществляется модуляторами, использующими различные физические эффекты. базовые методы модуляции будут рассмотрены в соответствующей главе. Рис. 6.2. Обобщенная структурная схема волоконно-оптической системы передачи: а - структурная схема тракта передачи ВОСП; б - структурная схема тракта приема ВОСП 36 5. Модулированное оптическое излучение с помощью согласующих устройств (СУ) вводится в волоконный световод оптического кабеля. Передающие и приемные согласующие устройства формируют и согласовывают диаграммы направленности (диаграмма направленности – это телесный угол, в котором действует максимальная интенсивность излучения) и апертурный угол между приемопередающими устройствами и кабелем. 6. Через определенные расстояния (от 80-100 км), обусловленные энергетическим потенциалом аппаратуры и величиной потерь в ОК, вдоль оптической линии располагаются регенераторы, в которых сигнал восстанавливается и усиливается до требуемого значения. 7. В оптическом приемнике выполняются "обратные" преобразования. С помощью демодулятора, использующего приемник излучения, оптический сигнал преобразуется в электрический. В ВОСП в качестве приемника излучения используют фотодиоды (ФД), которые могут быть различных типов. Наиболее простым по конструкции являются ФД, содержащие, как и обычный диод, p- n переход. Чтобы обеспечить высокую чувствительность к излучению, такой ФД работает без внешнего напряжения, либо при обратном внешнем напряжении. К применяемым в волоконно-оптических системах передач фотодиодам предъявляются такие основные требования, как: - высокая чувствительность; - определенная спектральная характеристика и широкополосность; - низкий уровень шумов; - требуемое быстродействие; - большой срок службы. Установлено, что всем этим требованиям в настоящее время лучше всего удовлетворяют p- i- n ФД и лавинные фотодиоды. 8. В декодере осуществляется восстановление первичного (модулирующего) сигнала, который с помощью преобразователя приобретает необходимую для получателя информации форму (печатный текст, звук, изображение и т.п.) По существу оптические системы передачи содержат функциональные узлы, присущие любым радиотехническим системам связи. При формировании сигналов в оптических системах возможно использование тех же способов кодирования и видов модуляции, что и в кабельных системах. Однако особенности оптического диапазона и особенность используемой в ВОЛС элементной базы накладывают свои ограничения на реализационные возможности ОСП и приводят к техническим решениям, отличным от традиционных в технике связи. Коды для волоконно-оптических систем передачи Для корректной передачи по линейному тракту (ЛТ), будь то ЛТ по электрическим кабелям, либо волоконно-оптические линии связи, необходимо производить дополнительное преобразование группового цифрового сигнала, т.е., получать линейный цифровой сигнал (ЛЦС). Данные преобразования происходят в преобразователях кода передачи, обратное преобразование – восстановление формы цифрового сигнала – в преобразователях кода приема. Вопросы кодирования ИКМ сигнала в ЛЦС при передаче по электрическим кабелям рассматривается в программе бакалавриата. 37 Основные характеристики волоконно-оптических сетей (длина регенерационного участка, метод обработки сигналов, система контроля ошибок в регенераторах, система синхронизации, помехозащищённость, искажение сигналов в сегментах и др.) в значительной степени зависят от выбора кода в линии. Особенности построения линейных кодов для цифровых волоконно-оптических систем связи зависят от физических свойств среды распространения сигналов. Оптическое волокно как среда передачи сигналов, а также источник излучения в передающем и фотоприёмник в приёмном оптических модулях предъявляют специфические требования к свойствам цифрового сигнала. Поскольку импульсные посылки излучаемой оптической мощности могут быть только положительными или нулевыми (интенсивность оптического излучения является по самой природе положительной величиной), невозможно непосредственное использование биполярных кодов, применяемых при передаче информации по электрическим кабелям связи. При реализации цифровых систем связи в общем случае устанавливается n возможных значений уровня цифрового сигнала (n = 2, 3, 4...). Однако в цифровых ВОСП использование кода с основанием n > 2 (многоуровневые коды) не нашло широкого применения. Причиной является нелинейность модуляционной характеристики и температурная зависимость мощности излучателя, например лазерного диода, что приводит к необходимости использования двухуровневых кодов. Таким образом, в ВОСП с прямым детектированием и применением модуляции по интенсивности света линейный сигнал в большинстве случаев представляет собой дискретное сообщение, выраженное в двоичном коде (n = 2, символы кода “1” и “0”), представляющее случайную последовательность импульсов одинаковой формы, следующих друг за другом через постоянные интервалы времени, длительностью Т, называемые тактовыми интервалами. Такие сигналы носят название случайных сигналов с детерминированными тактовыми интервалами. Линейное кодирование должно обеспечить:  минимальную спектральную плотность на нулевой частоте и ее ограничение на нижних частотах;  информацию о тактовой частоте передаваемого сигнала в виде дискретной составляющей, легко выделяемой на фоне непрерывной части спектра;  непрерывный спектр должен быть достаточно узкополосным для передачи через канал связи без искажений;  малую избыточность для снижения относительной скорости передачи в канале связи;  минимально возможные длины блоков повторяющихся символов ("1" или "0") и диспаритетность (неравенство количества "1" и "0" в кодовых комбинациях). Классификация кодов Применяемые для ВОСП линейные коды условно можно разделить на две группы: коды со случайной последовательностью символов и коды с квазислучайной последовательностью символов – это так называемые скремблированные бинарные коды. Ниже приведены расшифровки сокращений и краткие определения алгоритмов формирования кодов, наиболее широко используемых в практике ВОСП. 38 Рис. 6.3. Классификация линейных кодов для ВОСП К безызбыточным кодам относятся линейные коды NRZ- L (Non return to zero – код без возврата к нулю) и относительные NRZ- М, NRZ- S коды. Информационные импульсы этих кодов имеют длительность Т; при этом “1” - активная длительность и “0” -пауза, простирающаяся на весь тактовый интервал T1 = Т0. Очевидно, что скорость передачи в линии при использовании этих кодов не изменяется. Под линейными кодами класса 1В2В понимают коды, в которых осуществляется преобразование одного бита исходного ИКМ–сигнала длительностью Т в комбинацию из двух символов, каждый из которых имеет длительность Т/2 (следовательно, тактовая частота линейного сигнала вдвое больше тактовой частоты исходного ИКМ–сигнала, и скорость передачи в линии в 2 раза выше скорости исходной последовательности). Двоичное основание счисления, используемое как в исходной, так и в преобразованной последовательности, обозначается латинской буквой В (Вinary). Заметим, что единой системы наименований линейных кодов не отработано, и ниже применяются обозначения, которые сравнительно широко используются в литературе. К классу блочных кодов mВnВ с m 2 принадлежит большое количество различных линейных кодов, алгоритмы формирования которых обычно даются кодовыми таблицами (алфавитами). Чаще всего используются две кодовые таблицы, что позволяет обеспечить равенство (балансирование) количества "1" и "0" в коде. В кодах этого класса последовательность исходного ИКМ-сигнала разбивается на отрезки (блоки), состоящие из m бит, и каждый из них преобразуется в определённую последовательность (блок) кодовых символов (из n бит). К кодам этого класса относятся коды 2ВЗВ, 2В4В, ЗВ4В, 5В6В и др. Отдельно выделяются коды со вставками (mВ1С, mВ1Р, DmВ1М). При формировании кодов mВ1С к информационным символам добавляется один дополнительный (инвертированный) символ-вставка, обозначаемый С. Если последний переданный символ является “1”, то символ С примет значение “0”, если же m-й символ имел значение “0”, то символ С примет значение “1”. Используются следующие коды этого класса: ЗВ1С, 8В1С и др. При m = 1 (как частный случай) получается биимпульсный код В1-L класса 1В2В, который можно записать в виде 1В1С. В кодах mВ1Р (mВР) m – число информационных символов. Р – дополнительный символ. Если число единиц в блоке из m символов нечётное, то символ Р принимает значение “1”, если чётное, то символ Р принимает значение “0”. Наиболее часто из кодов mВ1Р используются коды 10В1Р, 17В1Р, 24В1 Р. Иногда в обозначениях символ Р 39 отсутствует, и тогда это можно записать так: mВnВ. Например, код 10В1Р запишется: 10В11 В. Если требуется выявить ошибки в линейном коде и одновременно обеспечить служебную связь, то исходная двоичная последовательность кодируется по правилам алгоритма кода mВ1Р (проверка на чётность), а затем добавляется ещё один бит - R для служебной связи. Получается линейный код mВ1Р1R (например, 10В1Р1R). Если кроме обнаружения ошибки требуется устранять последовательности одинаковых символов, то исходная двоичная последовательность кодируется по правилам алгоритма кода mВ1Р, а полученный код – по алгоритму кода mВ1С. В результате получается линейный код mВ1Р1С. В кодах DmВ1М к информационным символам бит-вставка в виде единицы добавляется после каждого блока, а затем полученный код перекодируется методом относительного кодирования. Получается дифференциальный биполярный код с одной вставкой. Применяются следующие коды такого типа, как: DЗВ1М, D5В1М, D7В1М, D15В1М. Коды класса 1Т2В используются в случаях, когда ВОСП сопрягается с существующим оконечным оборудованием проводной связи. В связи тем, что по правилам МККТТ не разрешается вносить какие-либо изменения в оконечное оборудование, возникает задача перекодирования квазитроичных трёхуровневых сигналов в двухуровневые. Особенность линейных сигналов с позиционно-импульсной модуляцией (ПИМ) заключается в том, что для передачи m бит исходной информационной последовательности используются разрешённые комбинации с единственным импульсом, временное положение (позиция) которого соответствует передаваемой исходной кодовой комбинации. Применению кодов с использованием ПИМ сопутствует ряд трудностей технического характера, особенно при больших значениях m. Поэтому эти коды не нашли практического применения в ВОСП. Анализ и сравнение кодов Для сравнения кодов используются как временные, так и энергетические характеристики (ширина энергетического спектра, отношение величин мощностей дискретной и непрерывной составляющих энергетического спектра в полосе пропускания фильтра выделителя тактовой частоты, величина проигрыша по мощности избыточного кодирования по сравнению с непосредственной или скремблированной передачей и др.). При рассмотрении структуры линейного кода легко заметить, что осуществить выделение тактовой частоты тем проще, чем больше число переходов уровня в цифровом сигнале, то есть чем больше переходов “10” или “01”, при которых синусоидальное колебание тактовой частоты легко “вписывается” в структуру кода. Если же в коде имеются длинные последовательности со значительным преобладанием одинаковых символов, спектр будет содержать низкочастотные составляющие, что затруднит обработку сигнала в приёмных устройствах и регенераторах. Такой случай неизбежен при безызбыточном кодировании (NRZ- L, NRZ- М, NRZ- S). Достоинством этих кодов являются простота, относительная узость спектра и высокая энергетическая эффективность. Однако эти коды характеризуются такими существенными недостатками, как высокий уровень низкочастотных составляющих, невозможность контроля ошибок, отсутствие дискретных составляющих в энергетическом спектре. Поэтому указанные 40 линейные коды применяются редко: лишь при небольших расстояниях связи. Для улучшения статистических свойств цифровых сигналов используют скремблирование исходного двоичного сигнала для превращения его в сигнал, близкий к случайному, имеющему биномиальное распределение вероятностей появления любой комбинации (при равновероятном появлении символов “1” и “0”). К достоинствам скремблированного сигнала можно отнести: 1. непроизвольное появление серии нулей в линии после скремблирования, определяемое в соответствии с биномиальным законом вероятности появления одного символа и длинной серии; 2. возможность сквозной передачи скремблированного сигнала по сети связи по любым цифровым трактам, так как исходный двоичный сигнал скремблируются без преобразования в другой вид и выделяется только в приёмном оборудовании оконечной станции; 3. стабильность скорости передачи по линии; 4. возможность достаточно точного расчёта выделителя тактовой частоты регенераторов, поскольку может быть определена вероятность появления любой комбинации в коде; 5. уменьшение влияния статистических параметров исходного сигнала на фазовое дрожание цифрового сигнала. К существенному недостатку скремблирования относится размножение ошибок при восстановлении сигнала в дескремблере на приёмной стороне, что ограничивает область применения данного метода. К достоинствам кодов класса 1В2В относятся: малое (2-4) число последовательных одинаковых символов; небольшие размеры схем кодера-декодера и хорошая сбалансированность. К недостатку этих кодов относится увеличение скорости передачи (тактовой частоты) в 2 раза, что исключает их применение на высоких скоростях (рост скорости передачи создаёт трудности при реализации электронных схем в передающей и приёмной частях ВОСП). Блочные коды класса mВnВ находят широкое применение в ВОСП на средних и высоких скоростях. К недостаткам блочных кодов можно отнести сложность кодера, так как для их построения требуется блок памяти, что ограничивает их применение на высоких скоростях передачи. Кроме того, увеличение в блочных кодах m приводит к задержкам в передаче и заметно усложняет кодирующие устройства. Основные характеристики кодов mВ1С, DmВ1М, mВ1Р: 1. возможность применения в высокоскоростных ВОСП; 2. код DmВ1М в среднем имеет хорошо сбалансированную сигнальную последовательность; 3. размеры кодера и декодера сравнительно небольшие, так как правила их кодирования и декодирования несложные; 4. линейная скорость в кодах: B1 = [(m+1)/m]В, где В – скорость передачи исходного двоичного кода; 41 5. при малых значениях m (m = 1,2,3) в кодах подавлены низкочастотные и высокочастотные составляющие, а при больших значениях m (m = 6, 7, ...) спектральная плотность непрерывных составляющих приблизительно такая же, как у блочного кода типа 7B8B, и имеет широкую плоскую характеристику, хотя на высоких и низких частотах отмечается резкий спад; 6. оба кода характеризуются высоким качеством подавления дрожания фаз. Это связано с тем, что в коде mВ1С соотношение “1” и “0” близко к состоянию баланса, при этом чем меньше m, тем больше увеличивается этот эффект. Для обоих кодов особенно хороший результат с целью подавления дрожания фаз даёт предварительное скремблирование информационного сигнала; 7. контроль линейной ошибки в кодах mВ1С и DmВ1М осуществляется с помощью меток; 8. с точки зрения подавления размножения ошибок в кодах типа mВ1С, то они остаются в своих пределах, а в кодах типа DmВ1М ошибка в одном бите вызывает ещё одну ошибку; 9. коды со вставками имеют высокий уровень интеграции. Предъявляемые требования к параметрам кодов для оценки их характеристик и анализ алгоритмов преобразования показывают, что вопрос о выборе линейного кода в линии не имеет однозначного решения для всех возможных вариантов ВОСП. Для каждой ВОСП необходим тщательный и всесторонний анализ временных и спектральных параметров линейных кодов с учётом технико-экономических факторов. Для внутриобъектовых и городских ВОСП на низких скоростях передачи (до 34 Мбит/с) наиболее рациональным является применение кодов класса 1В2В (ВI-Д, ВI-М, СМI). Для более высоких скоростей передачи целесообразно применять блочные коды mВnВ (2ВЗВ, ЗВ4В, 5В6В). Для зоновых и магистральных сетей выгоднее использовать блочные коды с меньшей избыточностью (7В8В, 17В18В), что усложняет оконечное оборудование, но позволяет сэкономить полосу пропускания линейного тракта ВОСП. На скоростях передачи 140 и 565 Мбит/с наиболее перспективными являются коды со вставками mВ1С, DmВ1М, mВ1Р1С, mВ1Р1К с большими значениями m, которые, по сравнению с кодами класса mВnВ, имеют ряд преимуществ, отмеченных выше. В настоящее время блочные коды и коды со вставками применяются в основном на магистральных высокоскоростных ВОСП с кабелями на одномодовом волокне. Алгоритмы формирования кодов Безызбыточные коды и коды класса 1В2В Рассматривая алгоритмы кодов класса 1В2В, примем, что элементарные импульсы имеют прямоугольную форму и их длительность Т или Т/2 (за исключением кода RZ- 25 %, в котором длительность элементарного импульса равна Т/4). Безусловно, элементарные импульсы в линии заметно отличаются от идеальной прямоугольной формы, и их часто аппроксимируют в виде гауссовской, трапециидальной и других форм. В этих кодах передний фронт импульсов совпадает с границей либо с серединой тактового интервала. В ВОСП, когда код в линии представляет собой двухуровневый сигнал с амплитудой А, возможное число разнотипных элементов видеоимпульсных сигналов равно четырем (рис. 6.4). 42 Рис. 6.4. Возможные комбинации представления двухуровневого сигнала При передаче "0" и "1" исходной информации можно использовать комбинации любых элементов видеоимпульсного сигнала. Позиции 1 и 4 относятся к кодам NRZ. Позиции 2 и 3 – RZ (Return to zero – код с возвратом к нулю). Тогда число двоичных сигналов, составленных из элементов S1(t) …. S4(t), С42 = 6. На этом основании линейный код в зависимости от алгоритма формирования состоит из сочетания элементов S i(t) и Sj(t). Формировать в кодере линейный код из элементов S1(t) …. S4(t) можно абсолютным или относительным методами преобразований. При абсолютном методе устанавливается однозначное соответствие между элементами линейного кода и элементами исходной последовательности, т.е. "1" и "0" исходной последовательности представляются соответственно верхними и нижними уровнями сигнала. При относительном методе формирования значение данного элемента линейного кода обусловлено значением элемента исходной последовательности и одним из предшествующих элементов этой же последовательности. Например, символу "1" соответствует повторение предыдущего элемента сигнала (сохранение состояния, уровня), символу "0" -появление альтернативного сигнала. Возможно и наоборот - повторение предыдущего элемента соответствует символу "0", а появление альтернативного сигнала - символу "1". Исходя из этого, число относительных двоичных символов также равно шести. Диаграммы формирования линейных кодов заданной последовательности приведены на рис. 6.5. На диаграмме рассмотрены алгоритмы формирования следующих кодов. Алгоритм формирования безызбыточных кодов NRZ (однополярного) и NRZ (двухполярного, или симметричного телеграфного кода) приведен на рис. 6.5, б, в. В таких кодах все комбинации допустимы, поэтому обнаружение ошибок в работе регенератора по его выходному сигналу исключено. NRZ – Non Return to Zero code – основополагающий двухуровневый код без возвращения к нулю. В отличие от безызбыточных кодов типа NRZ при формировании кода RZ – 50 % (RZ – Return to Zero code – основополагающий трехуровневый код с возвращением к нулю, рис. 6.5, г) для защиты от межсимвольных помех между элементами сигнала формируют защитные промежутки. Длительность импульса выбирают равной ~Т/2. Этот код можно рассматривать как избыточный двоичный код с тактовой частотой, равной f т = 2/Т, в котором из четырех возможных двоичных блоков 00, 01, 10 и 11 кодов класса 1 В2В используются только два - 00 и 10. 43 Рис. 6.5. Алгоритмы формирования линейных кодов: а – исходная двоичная последовательность; б – однополярный код без возвращения к нулю – NRZ; в – двухполярный NRZ или симметричный телеграфный код; г – двухполярный код с возвращением к нулю – RZ; д – код с поразрядно-чередующейся инверсией – ADI; е – код с чередующейся инверсией на "1" – AMI; ж – код с инверсией кодовых комбинаций – CMI; з – двухполярный двухуровневый код Миллера; и – биполярный код высокой плотности порядка 3 – HDB3; к – однополярный эквивалент кода HDB3 в оптической линии связи ADI – Alternate Digit Inversion code – двоичный код с инверсией полярности сигнала на каждом втором двоичном разряде (не важно, какой он: "1" или "0"); в результате формируется двухполярный двухуровневый код (рис. 6.5, д). AMI – Alternate Mark Inversion code – двоичный код RZ с инверсией на каждой "1", может быть получен из кода ADI путем инверсии каждой четной "1"; в результате формируется двухполярный трехуровневый код (рис. 6.5, е). На рис. 6.5, ж представлен код с инверсией кодовых комбинаций CMI (Coded Mark Inversion),в котором символы “1” исходной комбинации передаются чередующимися блоками 11 и 00, а символы “0” - одним из блоков 01 и 10. На рис. 6.5, з, приведены временные диаграммы кода Миллера (Miller code – двухполярный двухуровневый код Миллера класса 1В2В, имеющий множество состояний {00, 01, 10, 11}. Код HDB3 (рис. 6.5, и) – High-Density Bipolar code of order 3 – двухполярный код высокой плотности порядка 3-код с инверсией на "1", в котором каждый блок "0000" 44 заменяется на блок "000V" или "B00V" , где В – вставка импульса "1", выполняемая так, чтобы число В импульсов между последовательными V импульсами было нечетным. В результате формируется трехуровневый код на рис. 6.5. Лекция 4. Виды современных сетей связи, основы построения VII. Методы мультиплексирования информационных потоков Мультиплексирование (уплотнение, объединение компонентных, или нагрузочных потоков, низкоуровневых, трибутарных в один высокоскоростной, агрегатный, или групповой поток) - это процесс формирования группового цифрового сигнала из нескольких цифровых сигналов с более низкой скоростью передачи. Для увеличения пропускной способности систем передачи существует несколько способов. Процесс их реализации, чаще всего, сводится к одному из методов уплотнения информационных потоков в один групповой, который передается по линии связи. Для дальнейшего наращивания информационной емкости систем передачи широко применяется сочетание одновременно двух или более методов. Рассматривая методы уплотнения групповых информационных потоков в ВОСП, можно выделить два типа: электронное уплотнение и оптическое уплотнение. Так как большинство из методов уплотнения находит широкое применение в современных системах связи, рассмотрим Частотное мультиплексирование При частотном методе мультиплексирования (FDM - Frequency Division Multiplexing) каждый информационный поток передается по физическому каналу на соответствующей частоте - поднесущей. Если в качестве физического канала выступает оптическое излучение - оптическая несущая, то она модулируется по интенсивности групповым информационным сигналом, спектр которого состоит из ряда частот поднесущих, которые равны числу компонентных информационных потоков. Частота поднесущей каждого канала выбирается, исходя из условия fПН 10 fвчп, где fПН - частота поднесущей, fвчп - верхняя частота спектра информационного потока. Частотный интервал между поднесущими D fпН выбирается из условия D fПН fвчп. Для уменьшения перекрестных помех при модуляции оптического излучения групповым сигналом передаточная характеристика электронного устройства частотного уплотнения и ваттамперная характеристика лазера должны иметь повышенную линейность в широком диапазоне уровней. При этом коэффициент модуляции оптического излучения зависит от количества уплотняемых каналов и обычно не превышает 10 %. На приемной стороне оптическая несущая попадает на фотодетектор, на нагрузке которого выделяется электрический групповой поток. Затем, после усиления в широкополосном усилителе приема, этот поток поступает на входы узкополосных фильтров, центральная частота пропускания которых равна одной из поднесущих частот. В качестве компонентных потоков могут выступать как цифровые, так и аналоговые сигналы. В настоящее время в кабельных системах передачи частотное уплотнение применяется в многоканальном кабельном телевидении, где для этой цели отведен диапазон частот от 47 до 860 МГц, т.е. как метровый, так и дециметровый диапазоны ТВ. 45 Временное мультиплексирование В настоящее время метод временного уплотнения информационных потоков (ТDМ Time Division Multiplexing) является наиболее распространенным. Он применяется при передаче информации в цифровом виде (системы ИКМ). Этот метод представляет собой разделение каналов с помощью коммутатора, который поочередно подключает входной канал на определенный временной интервал (называемый "тайм- слот" или "цикл"), необходимый для посылки выборки. Таким образом формируется составной сигнал. Существует три способа получения составного сигнала: 1. 2. 3. чередование символов (посимвольный); чередование канальных временных интервалов (поканальный); чередование циклов. Наиболее распространенным является посимвольный способ объединения. Он обладает такими преимуществами, как:  емкость памяти, которую необходимо использовать для каждого входного сигнала намного меньше, чем в двух других случаях;  равномерной расположенностью информационных символов низкоскоростных сигналов в цикле системы высшего порядка, что позволяет при нарушении в какой-либо из систем низшего порядка, не препятствовать передаче остальных сигналов;  независимость структуры цикла системы высшего порядка от структуры цикла систем низшего порядка;  чередование символов, обеспечивающее равномерное размещение информационных символов, даже и в случае неполного использования пропускной способности системы высшего порядка. Принцип посимвольного объединения поясняется схемой и временной диаграммой (рис. 7.1) на примере формирования группового сигнала из четырех, поступающих в схему объединения. Цифровые сигналы ЦС1- ЦС4 подаются в схемы совпадения И1- И4, которые поочередно открываются сигналами с выходов кольцевого регистра сдвига РС, управляемого импульсной последовательностью тактовой частоты от задающего генератора (генераторного оборудования передачи ГО пер.). На выходе схемы или появляется групповой цифровой сигнал, длительность символов которого укорачивается по сравнению с входными сигналами в 4 раза (tср = tи/4). Очевидно, что необходимыми условиями такого объединения является синхронность и синфазность объединяемых потоков. При разделении группы сигналов каждый четвертый символ направляется в свой приемник, где формируются исходные потоки ЦС1- ЦС4. При разделении необходимо осуществить начальную установку фазы кольцевого регистра РС относительно приходящего группового ЦС. различают синхронное и асинхронное объединение цифровых сигналов, так как объединяемые сигналы формируются в аппаратуре первичных систем передачи, задающие генераторы которых, как правило, не синхронизированы между собой и с генератором оборудования временного группообразования. 46 Рис. 7.1. Схема и временная диаграмма посимвольного объединения При синхронном объединении необходимо установить лишь временные соотношения между входными сигналами, т.е. обеспечить синфазность, поэтому оно проще асинхронного. В случае асинхронного объединения необходимо вначале преобразовать тактовые частоты входных сигналов так, чтобы они были кратны тактовой частоте группового сигнала, а затем установить их необходимые временные соотношения. Тактовые частоты определяют скорость передачи символов цифрового сигнала, поэтому преобразование тактовых частот перед объединением называется согласованием скоростей входных и группового ЦС. При согласовании скоростей с целью обеспечения синхронности и синфазности нескольких цифровых сигналов необходимо проводить запись символов этих потоков в запоминающие устройства (ЗУ) (рис. 7.2) частотами записи (fз1 - fзn), равными тактовым частотам ЦП1- ЦПn, а также считывание информации из ЗУ с помощью сигналов считывания, следующих с частотой fс и получаемых от одного генераторного оборудования. При этом частоты записи и считывания могут находиться в разных соотношениях между собой. Если fз = fс, то на каждый записанный символ формируется импульс считывания, и входная и выходная импульсные последовательности ЗУ не отличаются между собой. Временной интервал между моментами записи и считывания - постоянная величина D t. Согласования скоростей в этом случае не нужно, так как скорость входного потока соответствует частоте считывания, а, следовательно, она кратна скорости группового ЦС. 47 Рис. 7.2. Асинхронное объединение сигналов с помощью запоминающего устройства Если fс > fз, то временной интервал между моментами записи и считывания уменьшается после каждого считывания на D t = Тз- Тс, где Тз и Тс - периоды записи считывания информационных символов (рис. 7.3). Рис. 7.3. Временная диаграмма записи и считывания символов при fс > fз Уменьшение будет происходить до тех пор, пока не наступит момент, когда при очередном считывании на выходе ЗУ новой информации не появится, так как в интервале Тс информационные символы не записывались. В этом случае в считанной импульсной последовательности произойдет повторение предыдущего символа, т.е. положительный временной сдвиг (ВС). Длительность временного сдвига - интервала времени, свободного от новой информации, равно периоду следования считывающих импульсов. После появления временного сдвига вновь начинается процесс уменьшения интервала. Частота формирования временных сдвигов зависит от отношения частот записи и считывания. Число информационных символов между соседними временными сдвигами будет равно округленному до ближайшего целого значения: , а период возникновения временных сдвигов . 48 При синхронном объединении отношение ТС / (ТЗ- ТС) или 1 / (fC / fЗ- 1) - целое число. В этом случае период временных сдвигов будет постоянным (Твс = = const), а считанная последовательность импульсов будет называться однородной. При fз > fс временной интервал между моментами записи и считывания увеличивается до такого момента, когда за один период считывания в ячейку памяти будут записываться два символа (рис. 8.4). Рис. 7.4. Временная диаграмма записи и считывания символов при fс < fз При поступлении второго импульса записи в течение Тс ранее записанный в ЗУ символ стирается, т.е. в считанной последовательности появится отрицательный временной сдвиг. (На рис. 7.4 импульсы входного сигнала, не попадающие в ЗУ, заштрихованы.) Появление положительных и отрицательных ВС нарушает структуру передаваемого ЦС, так как в первом случае в нем появляются дополнительные информационные символы, а во втором - пропадает часть информационных символов. Во избежание этих нарушений требуется проводить коррекцию импульсных последовательностей или согласование скоростей. При положительных ВС, когда fс > fз, выполняется положительное согласование скоростей, т.е. в информационную последовательность на место ВС вводятся дополнительные символы, которые на приеме при восстановлении исходного сигнала изымаются. При отрицательных ВС, когда fз > fс, осуществляется отрицательное согласование скоростей, при котором "лишние" информационные символы изымаются и передаются на приемную станцию по отдельному служебному каналу, после чего они вводятся в принятый по основному тракту цифровой сигнал на прежнее место. При синхронном согласовании скоростей импульсная последовательность на выходе ЗУ однородная, т.е. период возникновения временных сдвигов постоянный, они находятся на строго определенных местах и повторяются через определенное число информационных символов. Это упрощает поиск ВС на приеме, и поэтому коррекцию ЦС в этом случае можно проводить без передачи специальных команд, управляющих процессом согласования скоростей. В отличие от ВС, возникающих при синхронном согласовании скоростей, временные сдвиги при асинхронном согласовании скоростей, зависящие от нестабильности частот генераторов, не имеют постоянного периода следования и возникают в произвольные 49 моменты времени, поэтому коррекция цифровых потоков проводится специальными командами согласования скоростей (КСС), которые формируются при возникновении ВС на передающей станции, расшифровываются на приемной, где по КСС проводится коррекция принимаемых цифровых потоков (ЦП). Поскольку объединяемые ЦП, как правило, не синхронизированы между собой в аппаратуре временного группообразования (мультиплексирования), основным режимом работы является асинхронный. На практике применяется положительное и двустороннее (положительно-отрицательное) согласование скоростей. Пропускная способность тракта при асинхронном объединении ЦП несколько хуже, чем при синхронном, за счет передачи КСС. Волновое мультиплексирование оптических несущих Наряду с временным мультиплексированием, широко используемым в цифровых ВОСП, в оптических системах связи в последнее время стал использоваться метод мультиплексирования с разделением по длине волны, иногда называемый также волновым мультиплексированием. Этот метод в настоящее время получил широкое распространение в оптических системах передачи в связи с распространением технологии WDM (WDM Wavelength Division Multiplexing). Суть метода волнового мультиплексирования заключается в объединении нескольких оптических несущих li (на передающей стороне) и передаче полученного сигнала S li по одному ОВ с последующим выделением (демультиплексированием) отдельных несущих, например путем их фильтрации на приемной стороне. Структурная схема однонаправленной WDM системы линии связи представлена на рис. 7.5. Схема включает в себя терминальные мультиплексоры ТМ (MUX WDM) (аппаратуры SDH или ATM и другой), передатчик, состоящий из набора лазеров L (по одному на каждую длину волны), подключенных к оптическому мультиплексору, выполняющему объединение излучаемых волн в передающее оптическое волокно. При этом для увеличения дальности связи на выходе передатчика устанавливается усилитель оптической мощности, а с некоторым интервалом вдоль волокна - линейные оптические усилители. Рис. 7.5. Структурная схема WDM системы (ВОСП со спектральным разделением) 50 Причем, в зависимости от расстояния, битовой скорости и типа используемого волокна, сигнал может направляться через модуль компенсации дисперсии, предусматриваемый, как правило, на каждой ступени усиления. На приемной стороне сигнал с выхода оптического волокна может быть усилен оптическим предусилителем, включенным на входе оптического демультиплексора (DMUX) и служащим для разделения сигналов по длине волны, направляя их на соответствующие фотодиоды FD, а затем – на принимающие мультиплексоры SDH или ATM, другие. Принятые обозначения на рис. 7.5: ОФМС - оборудование формирования многоканального сигнала, представляющего совокупность каналообразующего оборудования (КОО) и оборудования сопряжения (ОС), предназначенного для формирования электрического сигнала, параметры которого согласованы с оптическим передатчиком (ОПер) и оптическим приемником (ОПр); УСО (или MUX - мультиплексор WDM) - устройство спектрального объединения, осуществляющее ввод различных оптических несущих в одно волокно (ОВ); УСР (или DMUX - демультиплексор WDM) - устройство спектрального разделения, где оптические несущие разделяются и поступают на оптические приемники. На передающей станции имеется п систем передачи (однотипных или разнотипных), сигналы которых подаются на п оптических передатчиков, излучающих различные оптические несущие оптических сигналов в ОВ. помощью УСО осуществляется ввод различных На приемной стороне в УСР оптические несущие разделяются и подаются на оптические приемники и далее на ОФМС. Таким образом, по одному ОВ организуется п спектрально разделенных оптических каналов, т. е. пропускная способность ОВ увеличивается в п раз по сравнению с традиционным построением оптических систем передачи. Кроме того, этот метод позволяет обеспечить развитие сетей связи без проведения дополнительных строительных работ, а также создавать разветвленные сети любой структуры с пассивными элементами спектрального уплотнения в местах разделения или выделения световых потоков. Для объединения и разделения оптических несущих могут использоваться различные оптические спектральные устройства: мультиплексоры, демультиплексоры, работа которых основана на явлениях физической оптики: дисперсии, дифракции и интерференции. В основе структуры мультиплексоров и демультиплексоров может быть оптическая призма, многослойный диэлектрик, дифракционная решетка и др. Такая система передачи (точка-точка) обеспечивает увеличение пропускной способности линии связи между двумя узлами. Однако возможности и преимущества технологии WDM в еще большей степени раскрываются в сложных насыщенных сетях связи, содержащих много различных узлов. На промежуточных узлах некоторые каналы могут быть добавлены или выделены из составного сигнала посредством мультиплексоров ввода/вывода, а остальные каналы проходят через узел без преобразования в электрический сигнал. В некоторых узлах устройства оптической кросскоммутации позволяют перенаправлять каналы по новым направлениям. Самая простейшая система WDM уплотнения может быть представлена в виде параллельного соединения оптических каналов, отличающихся длиной световой волны и характеризующихся единым способом передачи. Такое построение системы, даже без 51 учета взаимодействия сигналов, требует нового подхода к критерию выбора компонентов, таких, как мультиплексоры и демультиплексоры, дифракционные решетки, оптические фильтры и особенно активные компоненты - оптические усилители. Особое внимание к оптическим усилителям продиктовано тем, что в рассматриваемых системах первостепенное значение приобретает их влияние на качество и целостность канала. Учитывая, что интервал между каналами в 100 ГГц предполагает очень узкий диапазон рабочих частот, то смещение и спектр излучения лазеров, используемых на передающей стороне, могут оказывать отрицательное воздействие на уровень принимаемого сигнала. Поэтому стабильность источника и чистота спектра излучения лазеров имеют огромное значение. В соответствии с рекомендациями G.692, к системам передачи с WDM предъявляются требования совместимости по оптическим интерфейсам с аппаратурой существующих одноволновых систем передачи SDH. Оптические параметры систем WDM регламентируются рекомендациями G.692, в которых определены длины волн и оптические частоты для каждого канала. Согласно этим рекомендациям, многоволновые системы передачи работают в 3-ем окне прозрачности ОВ, т.е. в диапазоне длин волн 1530...1565 нм. Для этого установлен стандарт длин волн, представляющий собой сетку оптических частот, в которой расписаны регламентированные значения оптических частот от 196,1 ТГц до 192,1 ТГц (1 ТГц = 1012 Гц) с интервалами 100 ГГц и длинами волн от 1528,77 нм до 1560,61 нм с интервалом 0,8 нм. Стандарт состоит из 41 длины волны, т.е. рассчитан на 41 спектральный канал. Однако на практике используется 39 каналов из представленной сетки частот, поскольку два крайних не используются, так как они находятся на склонах частотной характеристики оптических усилителей, применяемых в системах WDM, о чём более подробно будет сказано далее. Классификация WDM-систем В последнее время установилась четкая тенденция уменьшения частотного интервала между спектральными каналами – до 50 ГГц, и даже до 25 ГГц, что приводит к более плотному расположению спектральных каналов в отведенном диапазоне длин волн (1530...1565 нм). В настоящее время принято выделять три типа WDM-мультиплексоров: обычные (WDM), плотные (DWDM), высокоплотные (HDWDM). Хотя точные границы между этими классами пока четко не определены, рассмотрим вариант классификации, основанный на исторической практике разработки WDM-систем и указанном ранее стандарте G.692 с его канальным планом. WDM-системы – имеют частотный разнос каналов не менее 200 ГГц, которые сейчас позволяют мультиплексировать не более шестнадцати каналов. DWDM-системы – обеспечивают разнос каналов не менее 100 ГГц и дают возможность мультиплексировать не более 64 каналов; HDWDM-системы – поддерживают разнос каналов 50 ГГц и менее, в настоящее время позволяют мультиплексировать более 64 каналов. Технология DWDM оказалась незаменимой в линиях дальней связи, в которых необходимо передавать огромные потоки информации на большие расстояния, требующие применения оптических усилителей. Кроме того, в последнее время активно развиваются городские сети и сети доступа, в которых также целесообразно применение технологий спектрального мультиплексирования. В некоторых из них не требуются столь высокие суммарные потоки информации, которые обеспечивает технология DWDM. 52 Поэтому вновь возродился интерес к WDM-системам с менее плотным расположением спектральных каналов. Такие системы называются системами с грубым спектральным мультиплексированием, и для них принято международное обозначение CWDM (Coarse WDM). Международным стандартом ITU G.694.2 установлена спектральная сетка для центральных длин волн CWDM-каналов. Соседние каналы разделены спектральным интервалом 20 нм в диапазоне длин волн от 1270 до 1610 нм. Стандарт определяет и область применения технологии CWDM - городские сети с расстоянием до 50 км. Основное преимущество технологии CWDM перед технологией DWDM - меньшая стоимость. Оценки, сделанные различными авторами, показывают, что цены на CWDM-системы в 1,5-2,5 раза ниже цен на аналогичные DWDM-системы. Снижение цены обусловлено меньшей стоимостью компонентов. В частности, используемые в CWDM-системах оптические передатчики не требуют температурной стабилизации (в системах DWDM температурная стабилизация лазеров обязательна), стоимость CWDM-мультиплексоров ниже стоимости DWDM-мультиплексоров. Главный недостаток технологии CWDM заключается в ограниченных возможностях масштабирования т.е. увеличения суммарного по всем каналам потока передаваемой информации по мере роста потребностей заказчика. Однако, следует отметить увеличение числа сетей CWDM в городских районах, произошедшее в последнее время. В таблице 7.1 представлены параметры WDM сетей. Таблица 7.1 Примечание: В соответствии с рекомендацией ITU T G.694.2, в таблице использованы следующие обозначения спектральных диапазонов: О - начальный, первичный (Original, 1260... 1360 нм); Е - расширенный (Extended, 1360... 1460 нм); S - коротковолновый (Short wavelength, 1460... 1530 нм); С - обычный, стандартный (Conventional, 1530... 1570 нм); L - длинноволновый (Long wavelength, 1570... 1625 нм). 53 Варианты технической реализации Первые мультиплексоры класса WDM использовались для мультиплексирования двух несущих из второго и третьего окон прозрачности – 1310 нм и 1550 нм, значительное расстояние между которыми позволяло обойтись без специальных фильтров для их разделения. Дальнейшие усилия, направленные на улучшение селективности (уменьшение разноса каналов) при использовании традиционной технологии оптических фильтров на базе дискретной оптики, привели к следующим результатам: разнос каналов 20…30 нм, переходное затухание между каналами 20 дБ, уровень вносимых потерь 2…4 дБ. Это позволило с 1987 г. до середины 90-х гг. формировать не более четырех каналов во втором окне. В 1996–1998 гг. произошел существенный прорыв в технологии мультиплексирования, обусловленный, с одной стороны, переходом к интегральным оптическим технологиям, а с другой – миниатюризацией и повышением качества элементов традиционной дискретной оптики. В настоящее время используются три конкурирующие технологии выделения каналов (демультиплексирования). Две из них, основанные на применении интегральной оптики (интегральных оптических микросхем), выделяют каналы с помощью волновых фильтров на решетке массива волноводов (Array Waveguide Gratings, AWG) либо вогнутой дифракционной решетки (Concave Gratings, CG); третья, базирующаяся на миниатюрной дискретной оптике, выделяет их с помощью трехмерного оптического мультиплексирования (3-D Optics WDM). Ниже представлены варианты реализации сетей связи с использованием различных технологий. 54 55 Лекция 5. Применение протокола передачи информации IP в цифровых сетях связи VIII. Переход от телефонных сетей общего пользования к мультимедийным сетям связи Процессы конвергенции сетей связи проходит с разительными изменениями по потреблению услуг, предоставляемых в настоящее время. Системы массового обслуживания развиваются столь стремительно, мы уже называем сети связи общего 56 пользования инфокоммуникационными, имея в виду многоплановость воспринимаемой информации. На наших глазах приобрели чрезвычайную популярность беспроводные сети – сотовые (от цифровых систем сотовой связи 1 поколения – NMT (Nordic Mobaile Telephone System), далее сети, использующие стандарт GSM , UMTS, LTE, LTE-Advanced, WiMAX), сети Wi-Fi; волоконно-оптические системы передачи (включают передачу информации по технологиям xWDM, xPON, Ethernet. NGN), развиваются кабельное телевидение, спутниковое вещание, цифровое телевидение, продолжают работать локально-вычислительные компьютерные сети. И мы можем охарактеризовать все разнообразие трафика как передачу информации по технологии Triple Play – т.е. одновременно передается голос, видео и данные. Сейчас многие специалисты говорят об объединении всех видов трафика для передачи по всем сетям связи с помощью интернет протокола, причем, есть сведения, что объединяющей технологией может выступить технология IMS (IP Multimedia Subsystem спецификация передачи мультимедийного содержимого в электросвязи на основе протокола IP. Изначально разрабатывалась только как мультимедийная платформа предоставления услуг (SDP, англ. Service Delivery Platform). Но позднее превратилась в архитектуру, полностью контролирующую соединение и работающую с различными сетями доступа). В любом случае применяются способы передачи гшолоса поверх протокола IP. Многие сети используют протокол IP для передачи всех трех типов информации, к ним относятся NGN, LTE, LTE-A, Ethernet и т.п. сети. Волоконнооптические системы передачи также переносят цифровую информацию, предварительно обработанную и преобразованную в пакеты. Поэтому необходимо ознакомиться с основами самого протокола IP/ 8.1 Основы протокола IP Описание протокола IP дано в документе RFC 791. IP (Internet Protocol) является базовым протоколом всего стека TCP / IP - он отвечает за передачу информации по сети. Информация передается блоками, которые называются дейтаграммами. IP является протоколом сетевого уровня, при этом для каждой среды передачи данных, например Ethernet и ATM , определен свой способ инкапсуляции IP -дейтаграмм. Маршрутизаторы пересылают инкапсулированные дейтаграммы по различным сетям, образуя объединение IP-сетей, в пределах которого каждая рабочая станция может поддерживать связь по протоколу IP с любой другой рабочей станцией. Услуги, предлагаемые протоколом IP, сводятся к негарантированной доставке дейтаграмм. Протокол IP не исключает потерь и дублирования дейтаграмм, доставки дейтаграмм с ошибками, а также нарушения порядка следования дейтаграмм, заданного при их отправлении. Протокол IP выполняет фрагментацию и сборку дейтаграмм, если принятый размер кадров в рабочей сети (или участке распределенной сети) отличается от размера исходных дейтаграмм. В протоколе IP отсутствуют механизмы повышения достоверности передачи данных, управления протоколом и синхронизации, которые обычно предоставляются в протоколах более высокого уровня. Протокол IP получает информацию для передачи от протоколов, расположенных по сравнению с ним на более высоком уровне. К этим протоколам, прежде всего, относятся протоколы TCP и UDP. После получения информации протокол IP передает дейтаграммы через распределенную сеть, используя 57 сервисы локальных сетей. Дейтаграмма состоит из заголовка и поля данных, которое следует сразу за заголовком. Длина поля данных определяется полем «Общая длина» в заголовке. На рис. 8.1 показан формат заголовка IP -дейтаграммы. Рис. 8.1. Формат заголовка дейтаграммы протокола IP - Поле “Версия” (Version) указывает на версию используемого протокола IP . В настоящее время распространена версия 4, но принята и версия 6. В этой книге в основном рассматривается версия 4, поскольку версия 6 еще не нашла широкого распространения и предполагается, что этого не произойдет в течение продолжительного времени. - Поле “Длина заголовка” (Header Lenght) определяет длину заголовка в 32разрядных словах. Минимальный размер заголовка - 5 слов (20 байт). Следует отметить, что при увеличении объема служебной информации эта длина может быть увеличена за счет поля “Опции”. - Поле “Приоритет и тип обслуживания” (Type of Service) определяет способ обслуживания дейтаграммы. Протокол IP обрабатывает каждую дейтаграмму независимо от ее принадлежности к тому или иному пакету. При этом используются четыре основных механизма: установка типа сервиса, установка времени жизни, установка опций и вычисление контрольной суммы заголовка. Типом сервиса характеризуется набор услуг, которые требуются от маршрутизаторов в распределенной сети. Эти параметры должны использоваться для управления выбором реальных рабочих характеристик при передаче дейтаграмм. В некоторых случаях передача дейтаграммы осуществляется с установкой приоритета, который дает данной дейтаграмме некоторые преимущества при обработке по сравнению с остальными. - Поле “Время жизни” (Time to live). При определенных условиях IP - дейтаграммы могут попасть в замкнутый логический контур (петлю), образованный некоторой группой маршрутизаторов. Иногда такие логические контуры существуют в течение короткого промежутка времени, но иногда они оказываются достаточно долговечными. Чтобы избавить сеть от дейтаграмм, циркулирующих в логических контурах слишком долго, протоколом IP устанавливается предельный срок пребывания дейтаграммы в сети. Он 58 задается в секундах и максимальное значение поля равно 255. В действительности пакет никогда не достигнет такого предела, поскольку каждое устройство, функционирующее на уровне 3 и выше, вдоль маршрута следования, должно уменьшать значение TTL хотя бы на единицу, даже если пакет находился в этом устройстве меньше одной секунды. После того как значение поля TTL достигнет нуля, пакет отбрасывается. Таким образом пакет, попавший в маршрутный цикл, не будет циркулировать до бесконечности. - Поле «Идентификатор» (Identification) используется для распознавания дейтаграмм, образованных в результате фрагментации. Все части фрагментированной дейтаграммы должны иметь одинаковое значение этого поля. Рис. 8.2. Идентификаторы поля “Протокол” Таблица 8.1 Значения поля “ Протокол ” Код протокола Интернет 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 Сокращенное название протокола Описание ICMP IGMP GGP IP ST TCP UCL EGP IGP BBN-MON NVP-II PUP ARGUS Emcon Xnet Chaos Зарезервировано Протокол контрольных сообщений [rfc792] Групповой протокол управления [rfc1112] Протокол маршрутизатор-маршрутизатор [RFC-823] IP поверх IP (инкапсуляция/туннели) Поток [rfc1190] Протокол управления передачей [RFC-793] UCL Протокол внешней маршрутизации [RFC-888] Протокол внутренней маршрутизации BBN-RCC мониторирование Сетевой протокол для голосовой связи [RFC-741] PUP argus emcon Перекрестный сетевой отладчик [IEN158] Chaos 59 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 49 50 52 53 54 55-60 61 62 63 64 65 66 67 UDP MUX DCN-MEAS HMP PRM XNS-IDP Trunk-1 Trank-2 Leaf-1 Leaf-2 RDP IRTP ISO-TP4 Netblt MFE-NSP Merit-INP SEP IDRP XTP DDP IDPR-CMTP TP++ IL SIP SDRP SIP-SR SIP-Frag IDRP RSVP GRE BNA SIPP-ESP I-NLSP Swipe NHRP CFTP Sat-Expak MIT-Subn RVD IPPC Протокол дейтограмм пользователя [RFC-768] Мультиплексирование [IEN90] DCN измерительные субсистемы Протокол мониторирования ЭВМ (host [RFC-869]) Мониторирование при передаче пакетов по радио Xerox NS IDP Trunk-1 Trunk-2 Leaf-1 Leaf-2 Протокол для надежной передачи данных [RFC-908] Надежный TP для Интернет [RFC-938] iso транспортный класс 4 [RFC-905] Массовая передача данных [RFC-969] Сетевая служба MFE Межузловой протокол Merit Последовательный обмен не определен Междоменный протокол маршрутизации Xpress транспортный протокол Протокол доставки дейтограмм IDPR передача управляющих сообщений TP++ транспортный протокол IL-транспортный протокол Простой Интернет-протокол Протокол маршрутных запросов для отправителя SIP исходный маршрут SIP-фрагмент Интер-доменный маршрутный протокол Протокол резервирования ресурсов канала Общая инкапсуляция маршрутов BNA SIPP ESЗ Интегрированная система безопасности сетевого уровня IP с кодированием nbma протокол определения следующего шага не определены Любой внутренний протокол ЭВМ CFTP Любая локальная сеть Satnet и Expak Поддержка субсетей MIT Удаленный виртуальный диск MIT IPPC 60 68 69 70 71 75 76 78 79 80 88 89 92 101-254 255 Sat-Mon IPCV PVP BRsat-Mon Wb-mon Wb-expak ISO-IP IGRP OSPFIGP MTP Любая распределенная файловая система Мониторирование Satnet не определен Базовая пакетная утилита Пакетный видео-протокол Резервное мониторирование Satnet Мониторирование Expak Широкополосная версия Expak iso Интернет протокол IGRP (Cisco) - внутренний протокол маршрутизации OSPFIGP - внутренний протокол маршрутизации Транспортный протокол мультикастинга не определены зарезервировано - Поле «Общая длина» (Total Length) указывает общую длину дейтаграммы (заголовок и поле данных). Максимальный размер дейтаграммы может составлять 65 535 байт. В подавляющем большинстве сетей такой размер дейтаграмм не используется. По стандарту RFC 791 все устройства в сети должны быть готовы принимать дейтаграммы длиной 576 байт. Эти ограничения необходимы для передачи дейтаграмм в физических кадрах. Передача дейтаграммы в кадре называется инкапсуляцией. С точки зрения низших уровней дейтаграмма выглядит так же, как и любое другое сообщение в сети. Сетевое оборудование не работает с дейтаграммами, поэтому дейтаграмма является частью области данных кадра. Функции фрагментации и сборки также возложены на протокол IP. Фрагментация это разделение большой дейтаграммы на несколько отдельных частей. В большинстве локальных и глобальных сетей есть ограничения на максимальный размер единицы передаваемой информации. Эту величину называют максимальной единицей передачи (MTU — Maximum Transfer Unit). Например, в сетях Ethernet данная величина составляет 1500 байт, а в сетях FDDI - 4096 байт. Когда маршрутизатор переправляет дейтаграмму из одной сети в другую, может оказаться, что размер дейтаграммы окажется недопустимым в новой сети. Спецификация IP предусматривает следующее решение этой проблемы: маршрутизатор может разбить дейтаграмму на мелкие фрагменты, приемлемые для выходной среды, а в пункте назначения эти фрагменты будут объединены в дейтаграмму исходного вида. Формируемые маршрутизатором фрагменты идентифицируются смещением относительно начала исходной дейтаграммы. Дейтаграмма идентифицируется по отправителю, пункту назначения, типу протокола высокого уровня и 16-разрядному полю «Идентификатор». Все это в совокупности должно образовывать уникальную комбинацию. Следует подчеркнуть связь между полями «Время жизни» и «Идентификатор». Действительно, во избежание смешивания фрагментов двух разных дейтаграмм отправитель IP-данных обязан исключить ситуацию, когда в один пункт назначения по одному и тому же протоколу в течение жизненного цикла дейтаграммы будут отправлены две дейтаграммы с совпадающими идентификаторами. В связи с тем, что идентификатор 16-разрядный, а наибольшее время жизни дейтаграммы исчисляется минутами (будем считать, что оно порядка 2 минут), получаем скорость передачи - 546 дейтаграмм в 61 секунду. При максимальном размере дейтаграммы, результирующую скорость около 300 Мбит/с. равном 64 Кбайт, имеем Проблема эффективного использования битов идентификатора оказалась практически решенной с появлением метода MTU Discovery, позволяющего определить значения MTU на всем пути к пункту назначения. Фрагментация и сборка производятся автоматически и не требуют от отправителя специальных действий. Каждая фрагментированная часть имеет тот же формат, что и исходная дейтаграмма. Факт фрагментации повышает вероятность потери исходной дейтаграммы, так как утрата даже одного фрагмента приводит к потере всей дейтаграммы. Сборка дейтаграммы осуществляется на месте назначения. Такой метод позволяет маршрутизировать фрагменты независимо. - Поле «Флаги» (Flags) используется при фрагментации. Нулевое значение первого бита разрешает фрагментацию, а единичное - запрещает. Единичный второй бит указывает на последний фрагмент дейтаграммы. - Поле «Смещение фрагмента» служит для указания смещения данных во фрагменте относительно начала исходной дейтаграммы. Чтобы получить смещение в байтах, надо умножить значение этого поля на 8. Первый фрагмент всегда имеет нулевое смещение. Поле задействуется при сборке фрагментов дейтаграммы после передачи по сетям с различными MTU. - Поле «Протокол» (Protocol) идентифицирует протокол верхнего уровня, которому принадлежит дейтаграмма. При поступлении дейтаграммы это поле указывает, какому приложению следует ее передать. Таблица 8.1 содержит перечень возможных протоколов. - Поле “ Контрольная сумма” рассчитывается по всему заголовку. Так как некоторые поля заголовка меняют свое значение, например “Время жизни”, при прохождении дейтаграммы через маршрутизаторы контрольная сумма проверяется и повторно рассчитывается при каждой модификации заголовка. Определение контрольной суммы заголовка обеспечивает безошибочность передачи дейтаграммы через сеть. Перед отправкой дейтаграммы вычисляется контрольная сумма, которая вносится в ее заголовок. При получении дейтаграммы вычисляется ее контрольная сумма, которая сравнивается с соответствующим значением заголовке. При несовпадении дейтаграмма отбрасывается. Контрольная сумма заголовка дейтаграммы применяется и во многих других протоколах, таких как UDP , TCP , ICMP и OSPF . - Поля “Адрес отправителя” и “Адрес получателя” (Source Address , Destination Address) имеют одинаковую длину и структуру. Поля содержат 32-разрядные IP-адреса отправителя и получателя дейтаграммы. - Поле “Опции” (Options) не обязательно и обычно используется при настройке сети. В этом поле может быть указан точный маршрут прохождения дейтаграммы в распределенной сети, данные о безопасности, различные временные отметки и т. д. Поле не имеет фиксированной длины, поэтому для выравнивания заголовка дейтаграммы по 32разрядной границе предусмотрено следующее поле - поле “Выравнивание” (Padding). При выравнивании поле заполняется нулями. 8.2 Адресация IPv4 62 Прежде чем использовать в сети (подключенной к Интернету) протоколы стека TCP/IP, необходимо получить один или несколько официальных сетевых адресов. Все адреса присваивает одна организация - Internet Network Information Centre (InterNIC), что обеспечивает их уникальность. До апреля 1993 года назначением IP-адресов занималась организация Network Information Center (NIC). В настоящее время эта организация выполняет запросы только для сетей Defense Data Network (DDN), для военных целей. Организация InterNIC назначает только сетевую часть адреса, или сетевой префикс, оставляя ответственность за определение номеров хостов в этой сети самой организации, запросившей адрес. Основы IP -адресации Рассмотрим основные компоненты IP -адресации, а именно: двоичная арифметика, применение операции "И" и классы адресов. Это - абсолютно необходимые компоненты, которые следует изучить, чтобы понять принципы организации подсетей, поэтому следует постараться приобрести твердые знания этих основных понятий перед переходом к изучению организации подсетей. Основы двоичной арифметики Поскольку в основе функционирования компьютеров лежит двоичная, а не десятичная система исчисления (система исчисления по основанию 10), необходимо, прежде всего, освежить в памяти основные сведения из области двоичной арифметики. Функционирование компьютеров основано на использовании двоичной системы исчисления (системы исчисления по основанию 2). По этой причине в основе IP -адресов лежат двоичные числа. Понять основные принципы двоичного исчисления несложно. Для этого вначале рассмотрим, какое значение имеют позиции числа. Возьмем, например, десятичное число 762. Означает ли эта запись двести шестьдесят семь, семьсот шестьдесят два или пятнадцать (7 + 6 + 2)? Следует учитывать положение цифр в числе. Семерка находится на месте сотен, шестерка - на месте десяток, а двойка - на месте единиц. По такому же принципу организованы и двоичные числа; их отличие от десятичных состоит только в том, что знаковые позиции имеют другие значения. В десятичных числах каждая позиция слева от рассматриваемой цифры является в десять раз более значимой по сравнению с позицией, находящейся справа от нее (иными словами, число 10 в десять раз больше числа 01); а в двоичных числах значимость каждой позиции по мере перехода влево по цифрам числа возрастает в два раза. Кроме того, в двоичных числах каждую позицию может занимать только одна из двух цифр - 1 или 0. Это связано с тем, что в системе исчисления, основанной на использовании степеней числа 2, в каждой позиции может присутствовать только одна из двух цифр (0 или 1), поэтому двоичное число может, например, иметь вид 100010100, а поскольку все изучают системы исчисления на примере десятичной системы, чтобы понять, чему равно это двоичное число, стоит преобразовать его в десятичное. Эта задача также является несложной. Вначале рассмотрим, как определить, чему фактически равно десятичное представление некоторого числа. Иными словами, откуда нам известно, что число 762 равно семистам шестидесяти двум? Мы знаем, что любая цифра, находящаяся в позиции сотен, должна быть умножена на 100. Таким образом, первая цифра дает нам 700. А цифра в позиции десяток умножается на 10. Это дает нам 60. Наконец, любая цифра в позиции единиц умножается на 1. Это дает нам 2. После сложения всех этих чисел (700 + 60 + 2) получаем все число - 762. 63 Двоичные числа сформированы по такому же принципу. Рассматривая, например, двоичное число 1100, мы знаем, что с учетом значимости позиций цифра в позиции восьмерок умножается на 8 (1 * 8 = 8), цифра в позиции четверок умножается на 4 (1*4 = 4), цифра в позиции двоек умножается на 2 (0 * 2 = 0) и цифра в позиции единиц умножается на 1 (0 * 1 = 0). После сложения всех этих чисел (8 + 4 + 0 + 0) получим 12. Поэтому число 1100 в двоичном коде равно 12 в десятичном (рис. 8.3). Рис. 8.3. Пример преобразования двоичного числа в десятичное Необходимо знать, как определить значимость позиций для любого числа. В двоичной системе исчисления при переходе на каждую следующую позицию влево значение текущей позиции просто умножается на 2. (Как на рисунке 8.3: значимость позиции 0 равна 1, позиции 1 – 2, позиции 2 – 4, позиции 3 – 8. (В общем случае значимость n -ой позиции K -ичной системы счисления равна K n ). Можно представлять разряды двоичных чисел, начиная с самого меньшего, справа, затем, переходя к более старшему влево, умножать на 2. Вообще можно представить значения таких разрядов от 20 , 21 и так далее, помня значения основания 2 в степени. Наконец, рассмотрим некоторые упрощенные способы преобразования двоичных чисел. Прежде всего, чтобы определить, какое наибольшее число может быть представлено с помощью некоторого количества двоичных цифр, или битов (bit-— сокращение от английского binary digit ), следует просто умножить значение старшего бита (Most Significant Bit- MSB ) на 2. Старшим битом называется бит, находящийся в крайней левой позиции числа, а младшим битом (Least Significant Bit - LSB) называется наименее значимый бит. Определив наибольшее число, вы сможете также узнать, какое количество разных чисел может быть представлено с помощью этого количества битов. Общее число битов дает разрядность двоичного числа (трехразрядная кодовая группа, четырех-, пяти- и т.п., один байт – это восьмиразрядная кодовая группа). Следует помнить, что нуль, который в арифметике натуральных чисел обозначает отсутствие значения, в вычислительной технике представляет отдельное состояние и считается значимым. Поэтому числа от 0 до 6 фактически представляют семь, а не шесть отдельных чисел. Это связано с тем, что считается значимым и первое число, от которого начинается отсчет. Поэтому с помощью чисел, состоящих из восьми битов (с которыми мы будем сталкиваться чаще всего), фактически можно представить 256 возможных значений, начиная от 0 и заканчивая 255. Теперь, после знакомства с основами двоичной арифметики, рассмотрим структуру IP -адреса. Структура IP -адреса При стандартизации протокола IP в сентябре 1981 года его спецификация требовала, чтобы каждое устройство, подключенное к сети, имело уникальный 32-разрядный адрес. Этот адрес разбивается на две части. Первая часть адреса идентифицирует сеть, в которой 64 располагается устройство. Вторая часть однозначно идентифицирует само устройство. Такая схема создает двухуровневую адресную иерархию (рис. 4.4). Рис. 8.4. Структура IP -адреса На рис. 8.5 показаны две формы записи IP -адреса Рис. 8.5. Формы записи IP -адреса Межсетевая схема адресации протокола IP описана в документах RFC 990 и RFC 997. При разработке протоколов стека TCP/IP рассматривался целый ряд методов идентификации конечных устройств в сети. Окончательным стало решение о присвоении адреса как сети, так и устройствам в этой сети. Основными доводами в пользу такого подхода явились: возможность задания номеров сетей и устройств в них в широком диапазоне значений и возможность реализации маршрутизации. При этом адреса должны назначаться упорядоченно, для того чтобы сделать маршрутизацию более эффективной. В сети, построенной на базе протокола TCP/IP, конечные устройства получают уникальные адреса. Эти устройства могут быть персональными компьютерами, коммуникационными серверами, маршрутизаторами и т. д. Некоторые устройства, которые имеют несколько физических интерфейсов, например маршрутизаторы, должны иметь уникальный адрес для каждого из своих интерфейсов. Исходя из схемы адресации и возможности того, что некоторые устройства в сети будут обладать несколькими адресами, напрашивается вывод, что такая схема адресации описывает не само устройство в сети, а определенное соединение этого устройства с сетью. Это приводит к ряду неудобств. Одним из них является необходимость замены адреса устройства при перемещении его в другую сеть. Основной же недостаток в том, что для работы с устройствами, имеющими несколько подключений в распределенной сети, необходимо знать все его адреса, идентифицирующие эти подключения. Незнание хотя бы одного адреса может привести к тому, что эти устройства не получат необходимую информацию при отказе других соединений. 65 Поле номера сети в адресе называется сетевым префиксом. Это связано с тем, что первый квадрант каждого IP-адреса идентифицирует номер сети. Все хосты в определенной сети имеют один и тот же сетевой префикс, но при этом номера хостов обязаны быть уникальны. Аналогично, два любых хоста, расположенные в разных сетях, должны иметь различные сетевые префиксы, но при этом допускаются одинаковые номера хостов. Кроме того, что для каждого соединения IP требуется, по меньшей мере, один уникальный IP -адрес, обычно для установления связи по протоколу IP требуются еще два дополнительных компонента: маска подсети и адрес шлюза, применяемого по умолчанию. Маска подсети необходима во всех реализациях протокола IP . Она определяет, какая часть адреса относится к хосту, и какая - к сети. Для этого используется логическая операция "И" (AND). Операция "И" в двоичной арифметике выполняется очень просто. Она, по сути, представляет собой умножение значений в одинаковых позициях. Например, на рис. 8.6 показаны IP-адрес и маска подсети. Чтобы определить адрес сети (ту часть IP адреса, которая определяет, к какой сети он относится), достаточно просто перемножить значения позиций двоичного представления IP-адреса и значения соответствующих позиций двоичного представления маски подсети. Результатом является двоичное число, которое нужно снова преобразовать в десятичное, чтобы узнать адрес сети. После этого появляется возможность применить маршрутизацию. Маршрутизацией называется действие по перенаправлению пакета из одной логической сети (или подсети) в другую. А маршрутизатор - это просто устройство, выполняющее такое действие. Рис. 8.6 . Основной принцип применения операции "И" При возникновении необходимости передать информацию с одного хоста на другой, в хосте отправителя берется IP-адрес хоста получателя и собственный IP-адрес, после чего с обоими адресами выполняется операция "И". Если полученный результат для обоих адресов является одинаковым, хост отправителя принимает предположение, что он находится в той же логической сети, что и хост получателя, и между ними возможно непосредственное взаимодействие. А если результаты окажутся разными, то предполагается, что хосты находятся в разных логических сетях (т.е. разделены маршрутизатором) и поэтому должны использовать маршрутизатор, чтобы связаться друг с другом. Если хосты находятся в одной и той же логической сети, в них должны совпадать не только части IP-адресов с обозначением сети, но и маски подсети. Если эти компоненты адреса не совпадают, операция "И" выполняется неправильно и связь нарушается. 66 Классы IP-адресов и правила их применения Для обеспечения гибкости в присвоении адресов компьютерным сетям разработчики определили, что адресное пространство протокола IP должно быть разделено на три основных различных класса - А, В и С. Каждый из этих основных классов фиксирует границу между сетевым префиксом и номером хоста в различных точках 32-разрядного адресного пространства. На рис. 8.7 показаны форматы основных классов. Рис. 8.7. Форматы классов IP -адресов Принцип деления IP-адресов на классы показан на рис. 8.8. Одно из основных достоинств использования классов заключается в том, что каждый адрес содержит ключ, который идентифицирует точку, расположенную между сетевым префиксом и номером хоста. Например, если старшие два бита адреса установлены в 1 и 0, то линия раздела пролегает между 15 и 16-м битами. Рис. 8.8. Деление IP -адресов на классы 67 В десятичной форме деление IP-адресов на классы приведены в таблице 8.2. В таблице также обозначено количество сетей и хостов в каждом из классов, и их назначение. Таблица 8.2. Итоговые сведения о классах IP-адресов Пределы значений Класс первого октета A 1-126 B 128-191 C 192-223 D 224-239 E 240-255 Общее количество сетей Общее Применяемая по количество умолчанию хостов в сети маска Назначение 126 16,7 млн 255.0.0.0 Стандартный класс 16 384 65 534 255.255.0.0 Стандартный класс 2 млн 254 255.255.255.0 Стандартный класс Не Не Многоадресатная 224.0.0.0 рассматривается рассматривается рассылка Не Не Не Экспериментальный рассматривается рассматривается рассматривается класс Недостатком этого метода является потребность изменения сетевого адреса, когда в сетях класса С число устройств становится больше 255. В этом случае возникает необходимость замены адресов класса С на адреса класса В. Изменение сетевых адресов может потребовать от администратора сети больших усилий и достаточно много времени для проведения работ по отладке. Ввиду того что существует четкая граница между классами адресов, администраторы сетей не могут заранее спланировать плавный переход изменения адресов. Вместо этого приходится достаточно жестко вмешиваться в работу сети: вводится запрет на использование некоторых сетевых адресов, производится одновременное изменение всех адресов устройств в этой сети. И только тогда сеть вновь включается в работу. Еще одним недостатком классификации адресов является значительное уменьшение числа теоретически возможных индивидуальных адресов. В текущей версии протокола IP (версия 4) общее их число может составлять 2 32 (4 294 967 296), так как протокол предусматривает только 32 разряда для задания адреса. Использование части битов в служебных целях уменьшает доступное количество индивидуальных адресов. Адреса класса А поддерживают свыше 16 миллионов хостов в каждой сети (2 24 - 2 = 16 777 214). Очевидно, что такой класс может применяться только для очень больших сетей (как правило, сетей провайдеров Internet верхнего уровня). Количество действительных сетей класса А равно 126, и все эти адреса давным-давно распределены. Открытые IP-адреса должны быть зарегистрированы в организации IANA (Internet Assigned Numbers Authority - Агентство по выделению имен и уникальных параметров протоколов Internet , которая контролирует использование достижимых через Internet или открытых IP-адресов. В адресах класса А старший бит первого октета всегда имеет значение о. Это означает, что наименьший номер сети при использовании адреса такого класса равен 00000000 (0), а наибольший равен 01111111 (127). Но в этом случае необходимо учитывать некоторые ограничения. Во-первых, адрес сети класса А, равный 0, является зарезервированным. Он используется для обозначения так называемой "данной сети", или сети к которой фактически подключен передающий хост. Во-вторых, адрес сети класса А, 68 равный 127, применяется для создания петли обратной связи. С помощью такой петли программное обеспечение набора протоколов TCP/IP просто выполняет самопроверку. Передавая пакеты по адресу получателя, обозначенному как петля обратной связи, это программное обеспечение фактически не передает пакеты в сеть, а просто возвращает их по петле самому себе для проверки того, что стек TCP/IP не искажает данные. (Отправка пакетов эхо-тестирования по адресу петли обратной связи является обычным этапом поиска неисправностей.) Поэтому при передаче любого пакета с адресом сети, состоящим из одних битов 0, фактически происходит его передача на локальные хосты. А при отправке любой информации в сеть с номером 127 фактически применяется петля обратной связи. В связи с наличием зарезервированной сети 0 и петли обратной связи практически применимые адреса класса А сводятся к тем, которые содержат в первом октете число от 1 до 126. В адресах класса А используется маска подсети 255.0.0.0, известная также как восьмибитовая маска подсети, поскольку она состоит из восьми расположенных подряд единиц, а затем из одних нулей (11111111.00000000.00000000.00000000). Это означает, что в обычной сети класса А первый октет адреса предназначен для обозначения адреса сети, а последние три октета - адреса хоста, как показано на рис. Сети класса А также обозначаются записью /8, так как адреса этого класса имеют 8-разрядный сетевой префикс. Так как адресный блок класса А способен содержать максимум 2 31 (2 147 483 648) индивидуальных адресов, а в протоколе IP версии 4 под них отведено максимум 2 32 (4 294 967 296) адресов, то адресный диапазон класса А занимает 50% предусмотренного адресного пространства. Адреса класса В поддерживают 65 534 хостов в каждой сети (2 16 - 2 = 65 534). Адреса этого класса предназначены для меньших (но все еще достаточно крупных) сетей. Существует чуть больше 16 000 сетей класса В и все они уже зарегистрированы. Адреса класса В всегда начинаются с двоичных цифр 10 (например, 10101100.00010000.00000001.00000001 или 172.16.1.1). Это означает, что первый октет должен находиться в пределах от 128 (10000000) до 191 (10111111). Таких сетей класса В, которые не могли бы использоваться обычным образом (подобных двум сетям класса А 0 и 127), не существует. Сети класса В имеют 16-битовую маску, применяемую по умолчанию (255.255.0.0). Это означает, что первые 16 битов соответствуют адресу сети, а последние 16 битов адресу хоста. Сети класса В также обозначаются записью /16. Так как весь адресный блок класса В может содержать максимум 2 30 (1 073 741 824) индивидуальных адресов, то он занимает 25% предусмотренного адресного пространства. Сети класса С могут поддерживать только 254 хоста в каждой сети (2 8 - 2 = 254). Адреса этого класса предназначены для небольших сетей. Существует свыше двух миллионов сетей класса С, причем большинство из них уже зарегистрировано. Адрес сети класса С должен начинаться с двоичных цифр 110 (например, 11000000.10101000.00000001.00000001, или 192.168.1.1). Сетей класса С, которые не могли бы применяться на практике, также не существует. Сети класса С имеют по умолчанию 24-битовую маску. Это означает, что 24 бита используются для обозначения части сети и 8 битов - для обозначения части хоста. Сети класса С также обозначаются записью /24. Так как весь адресный блок класса С может содержать максимум 2 29 (536 69 870 912) индивидуальных адресов, он оккупирует 12,5% предусмотренного адресного пространства. В дополнение к этим трем наиболее популярным классам адресов существуют еще два класса. В классе D старшие четыре бита установлены в 1110. Этот класс используется для поддержки групповой передачи данных. В классе Е старшие четыре бита установлены в 1111, и этот класс является зарезервированным для экспериментальных целей. Видно, что в каждой сети отсутствует часть IP -адресов (а именно два). Например, IP -адреса класса С допускают применение в каждой сети только 254 хостов, тогда как их должно быть 256 (если руководствоваться формулой 2 n или 2 8). Это связано с тем, что некоторые IP-адреса зарезервированы для определенных целей и не могут присваиваться конечным устройствам в сети.. В каждой сети зарезервировано два адреса хоста, а именно: наибольший адрес (состоящий из одних единиц) и наименьший адрес (состоящий из одних нулей). Адрес хоста, состоящий из одних единиц, обозначает широковещательную рассылку, адрес, состоящий из одних нулей, обозначает "данную сеть". Два указанных адреса не могут использоваться в качестве адресов хостов. Это - еще одно ограничение TCP/IP. Вначале рассмотрим адрес, состоящий из одних нулей. После применения операции "И" к паре чисел, состоящей из IP-адреса и маски подсети, часть с обозначением хоста будет содержать одни нули. Например, после применения операции "И" к IP-адресу 200.156.1.1 с применяемой по умолчанию маской подсети, равной 255.255.255.0, будет получен адрес сети 200.156.1.0. Итак, адрес 200.156.1.0 представляет собой адрес сети и не может использоваться в качестве адреса хоста. Адрес, состоящий из одних единиц, зарезервирован для широковещательной рассылки уровня 3. Например, в IP-адресе 12.255.255.255 адрес хоста состоит из одних единиц (00001110.11111111.11111111.11111111). Он обозначает все хосты в данной сети, т.е. служит для широковещательной рассылки. Таким образом, для расчета допустимого количества хостов в сети применяется выражение 2 n - 2, а не просто 2 n . Например, если известно, что для обозначения хоста применяются десять битов, необходимо вычислить значение 2 10, а затем вычесть 2 из полученного результата (1024 - 2 = 1022). В табл. 8.2 перечислены также другие зарезервированные (или “специальные”) IP адреса. Таблица 8.2 Специальные IP -адреса. Идентификатор сети Идентификатор сети Идентификатор сети 11111111 00000000 00000000 127 Идентификатор хоста 00000000 11111111 11111111 00000000 Идентификатор хоста Произвольно Значение адреса Адресация сети Направленное широковещание Ограниченн ое широковещание Нулевой IP-адрес IP-адрес хоста в текущей сети Обратная связь 70 В зарезервированных IP-адресах все установленные в ноль биты соответствуют либо конкретному устройству, либо определенной сети. IP-адреса, все биты которых установлены в 1, предназначены для широковещательной передачи информации. Для ссылки на всю IP-сеть в целом используется адрес с номером хоста, у которого все биты установлены в 0. Сетевой адрес класса А 127.0.0.0 зарезервирован для обратной связи и введен для тестирования взаимодействия процессов на одной машине. Когда приложение использует адрес обратной связи, стек TCP/IP возвращает эти данные приложению, ничего не посылая по сети. В сетях, построенных на базе протокола IP, запрещается присваивать устройствам IP-адреса, начинающиеся с числа 127. Все вышесказанное о классах адресов в протоколе IP и их свойствах можно обобщить в одной таблице (табл. 8.2). Обратите внимание на формат записи адреса для соответствующего класса: N обозначает адрес сети, а Н - адрес хоста в этой сети. Как уже отмечено, класс D используется для групповой доставки информации, а Е экспериментальный класс. Помимо возможности направленной передачи информации определенному хосту существует широковещательная передача (broadcasting), при которой сообщения получают все хосты в указанной сети. В протоколе IP существуют два типа широковещания: направленное (directed) и ограниченное (limited). Направленное широковещание позволяет хосту удаленной сети передавать одну дейтаграмму, которая будет доставлена всем хостам в адресованной сети. Дейтаграмма с направленным широковещательным адресом может проходить через маршрутизаторы в распределенной сети, при этом исходная дейтаграмма будет доставлена всем хостам только в нужной сети, а не в промежуточных сетях. При направленном широковещании адрес получателя содержит корректный номер сети и номер хоста, все биты которого установлены в единицы. Например, адрес 185.100.255.255 и будет рассматриваться как адрес направленного широковещания для сети 185.100. xxx . xxx класса В. Таким образом, направленные широковещательные адреса обеспечивают мощный механизм, позволяющий удаленному устройству посылать одну IP -дейтаграмму, которая будет доставлена в режиме широковещания в указанную сеть. Для получения более подробной информации о направленном широковещании можно обратиться к документу RFC 1812. Главным недостатком направленного широковещания является то, что требуется знание номера целевой сети, Вторая форма широковещания, называемая ограниченной, обеспечивает широковещательную передачу для сети отправителя независимо от указанного IP -адреса. Дейтаграмма с ограниченным широковещательным адресом никогда не сможет пройти через маршрутизаторы - последние не пропустят ее дальше себя в остальные части распределенной сети. При ограниченном широковещании биты номера сети и номера хоста состоят из одних единиц. Таким образом, дейтаграмма с адресом получателя 255.255.255.255 будет рассматриваться как дейтаграмма с ограниченным широковещанием. Далее рассмотрим основные вопросы о сетях следующего поколения, в которых применяется преобразование информации в пакеты с помощью IP протокола и дальнейшая передача по сетям связи. 71 Лекция 6. Переход к новой версии IP протокола В конце 1992 года сообщество Интернет для решения проблем адресного пространства и ряда смежных задач разработало три проекта протоколов: “TCP and UDP with Bigger Addresses (TUBA)”; “Common Architecture for the Internet (CatnIP)” и “Simple Internet Protocol Plus (SIPP). После анализа всех этих предложений был принят новый протокол IPv6 с IP-адресами в 128 бит вместо 32 для IPv4. Внедрение этого нового протокола представляет отдельную серьезную проблему, так как этот процесс не предполагает замены всего программного обеспечения во всем мире одновременно. Адресное пространство IPv6 будет распределяться IANA(Internet Assigned Numbers Authority - комиссией по стандартным числам в Интернет [RFC-1881]). В качестве советников будут выступать IAB (Internet architecture board - совет по архитектуре Интернет) и IESG (Internet Engineering Steering Group - инженерная группа управления Интернет). IANA будет делегировать права выдачи IP-адресов региональным сервиспровайдерам, субрегиональным структурам и организациям. Отдельные лица и организации могут получить адреса непосредственно от регионального распределителя или сервис провайдера. Передача адресного пространства от IANA не является необратимой. Если по мнению IANA распорядитель адресного пространства допустил серьезные ошибки, IANA может аннулировать выполненное ранее выделение. IANA в этом случае должна сделать все возможное, чтобы не отзывать адреса, находящиеся в активном использовании, за исключением случаев, когда это диктуется техническими соображениями. Оплата за распределение адресов должна использоваться исключительно на деятельность, непосредственно связанную с выделением адресов, поддержанием соответствующих баз данных и т.д. Адресное пространство само по себе не должно стоить ничего. Следует избегать монополизации и любых злоупотреблений при распределении IPv6 адресов. IANA разработает план первичного распределения IPv6 адресов, включая автоматическое выделение адресов индивидуальным пользователям. IPv6 представляет собой новую версию протокола Интернет (RFC-1883), являющуюся преемницей версии 4 (IPv4; RFC-791). Изменения IPv6 по отношению к IPv4 можно поделить на следующие группы: o Расширение адресации В IPv6 длина адреса расширена до 128 бит (против 32 в IPv4), что позволяет обеспечить больше уровней иерархии адресации, увеличить число адресуемых узлов, упростить авто-конфигурацию. Для расширения возможности мультикастингмаршрутизации в адресное поле введено субполе "scope" (группа адресов). Определен новый тип адреса "anycast address" (эникастный), который используется для посылки 72 запросов клиента любой группе серверов. Эникаст адресация предназначена для использования с набором взаимодействующих серверов, чьи адреса не известны клиенту заранее. o Спецификация формата заголовков Некоторые поля заголовка IPv4 отбрасываются или делаются опционными, уменьшая издержки, связанные с обработкой заголовков пакетов с тем, чтобы уменьшить влияние расширения длины адресов в IPv6. o Улучшенная поддержка расширений и опций Изменение кодирования опций IP-заголовков позволяет облегчить переадресацию пакетов, ослабляет ограничения на длину опций, и делает более доступным введение дополнительных опций в будущем. o Возможность пометки потоков данных Введена возможность помечать пакеты, принадлежащие определенным транспортным потокам, для которых отправитель запросил определенную процедуру обработки, например, нестандартный тип TOS (вид услуг) или обработка данных в реальном масштабе времени. o Идентификация и защита частных обменов В IPv6 введена спецификация идентификации сетевых объектов или субъектов, для обеспечения целостности данных и при желании защиты частной информации. Формат и семантика адресов IPv6 описаны в документе RFC-1884. Версия ICMP IPv6 рассмотрена в RFC-1885. Таблица 1 Терминология Оборудование, использующее IPv6. Узел, который переадресует пакеты ipv6, которые не адресованы ему непосредственно. Любой узел, который не является маршрутизатором. хост Верхний уровень Протокольный уровень, расположенный непосредственно поверх. В качестве примеров можно привести транспортные протоколы TCP и UDP, протокол управления ICMP, маршрутные протоколы типа OSPF (RFC2740), а также интернетовские или другие протоколы нижнего уровня инкапсулированные в IPv6, например, IPX, Appletalk, или сам IPv6. Средство коммуникации или среда, через которую узлы могут Канал взаимодействовать друг с другом на связном уровне, т.е., уровень непосредственно под IPv6. Примерами могут служить Ethernet; PPP; X.25, Frame Relay, или ATM; а также Интернет "туннели", такие как туннели поверх IPv4 или IPv6. Узлы, подключенные к общему каналу. Соседи Узел Маршрутизатор 73 Средство подключения узла к каналу. Интерфейс Идентификатор IPv6-уровня для интерфейса или набора интерфейсов. Адрес Заголовок и поле данных IPv6. Пакет Максимальный размер пакета в канале MTU канала Минимальный MTU канала для пути от узла источника до получателя. MTU пути Эникастный адрес Идентификатор набора интерфейсов (обычно принадлежащих разным узлам). Пакет, посланный по такому адресу, доставляется ближайшему интерфейсу (согласно метрики маршрутного протокола) из числа идентифицированных этим адресом. Замечание: допустимо (хотя и необычно), что устройство с несколькими интерфейсами может быть сконфигурировано для переадресации пакетов, приходящих через один или несколько интерфейсов. Пакеты, приходящие через остальные интерфейсы, могут при этом отбрасываться. Такие устройства должны выполнять требования протоколов маршрутизации. При получении пакетов, адресованных этому устройству, оно должно вести себя как обычный хост. Формат заголовка IPv6 Рис. Формат заголовка пакета IPv6 Версия Приоритет Метка потока Размер поля данных Следующий заголовок Предельное число шагов Адрес отправителя 4-битный код номера версии Интернет протокола (версия Интернет протокола для IPv6= 6) 4-битный код приоритета 24-битный код метки потока (для мультимедиа) 16-битовое число без знака. Несет в себе код длины поля данных в октетах, которое следует сразу после заголовка пакета. Если код равен нулю, то длина поля данных записана в поле данных jumbo, которое в свою очередь хранится в зоне опций. 8-битовый разделитель. Идентифицирует тип заголовка, который следует непосредственно за IPv6 заголовком. Использует те же значения, что и протокол IPv4 [RFC-1700]. 8-битовое целое число без знака. Уменьшается на 1 в каждом узле, через который проходит пакет. При предельном числе шагов, равном нулю, пакет удаляется. 128-битовый адрес отправителя пакета. См. RFC-1884. 74 Адрес 128-битовый адрес получателя пакета (возможно не конечный получатель, получателя если присутствует маршрутный заголовок). См. RFC-1884. В документе RFC-2460, который появился спустя три года после RFC-1883, поле приоритет заменено на поле класс трафика. Это поле имеет 8 бит (против 4 в поле приоритет). При этом размер поля метка потока сократился до 20 бит. Это было продиктовано требованиями документа RFC-2474 "Definition of the Differentiated Services Field (DS Field) in the IPv4 and IPv6 Headers", ориентированного на решение задач управления QoS. IP v 6 : архитектуры адресации Существует три типа адресов: Идентификатор одиночного интерфейса. Пакет, посланный по уникастному адресу, доставляется интерфейсу, указанному в адресе. anycast: Идентификатор набора интерфейсов (принадлежащих разным узлам). Пакет, посланный по эникастному адресу, доставляется одному из интерфейсов, указанному в адресе (ближайший, в соответствии с мерой, определенной протоколом маршрутизации). multicast: Идентификатор набора интерфейсов (обычно принадлежащих разным узлам). Пакет, посланный по мультикастинг-адресу, доставляется всем интерфейсам, заданным этим адресом. unicast: В IPv6 не существует широковещательных адресов, их функции переданы мультикастингадресам. В IPv6, все нули и все единицы являются допустимыми кодами для любых полей, если не оговорено исключение. Модель адресации IPv6 адреса всех типов ассоциируются с интерфейсами, а не узлами. Так как каждый интерфейс принадлежит только одному узлу, уникастный адрес интерфейса может идентифицировать узел. IPv6 уникастный адрес соотносится только с одним интерфейсом. Одному интерфейсу могут соответствовать много IPv6 адресов различного типа (уникастные, эникастные и мультикстные). Существует два исключения из этого правила: - Одиночный адрес может приписываться нескольким физическим интерфейсам, если приложение рассматривает эти несколько интерфейсов как единое целое при представлении его на уровне Интернет. - Маршрутизаторы могут иметь ненумерованные интерфейсы (например, интерфейсу не присваивается никакого IPv6 адреса) для соединений точка-точка, чтобы исключить необходимость вручную конфигурировать и объявлять (advertise) эти адреса. Адреса не нужны для соединений точка-точка маршрутизаторов, если эти 75 интерфейсы не используются в качестве точки отправления или назначения при посылке IPv6 дейтограмм. Маршрутизация здесь осуществляется по схеме близкой к используемой протоколом CIDR в IPv4. IPv6 соответствует модели IPv4, где субсеть ассоциируется с каналом. Одному каналу могут соответствовать несколько субсетей. Представление записи адресов (текстовое представление адресов) Существует три стандартные формы для представления ipv6 адресов в виде текстовых строк: - Основная форма имеет вид x:x:x:x:x:x:x:x, где 'x' шестнадцатеричные 16-битовые числа. Примеры : fedc:ba98:7654:3210:FEDC:BA98:7654:3210 1080:0:0:0:8:800:200C:417A Заметьте, что ненужно писать начальные нули в каждом из конкретных полей, но в каждом поле должна быть, по крайней мере, одна цифра (за исключением случая, описанного в пункте 2.). - Из-за метода записи некоторых типов IPv6 адресов, они часто содержат длинные последовательности нулевых бит. Для того чтобы сделать запись адресов, содержащих нулевые биты, более удобной, имеется специальный синтаксис для удаления лишних нулей. Использование записи "::" указывает на наличие групп из 16 нулевых бит. Комбинация "::" может появляться только при записи адреса. Последовательность "::" может также использоваться для удаления из записи начальных или завершающих нулей в адресе. Например: 1080:0:0:0:8:800:200c:417a уникаст-адрес ff01:0:0:0:0:0:0:43 мультикаст адрес 0:0:0:0:0:0:0:1 адрес обратной связи 0:0:0:0:0:0:0:0 неспецифицированный адрес - может быть представлено в виде: 1080::8:800:200c:417a уникаст-адрес ff01::43 мультикаст адрес ::1 адрес обратной связи :: не специфицированный адрес - Альтернативной формой записи, которая более удобна при работе с ipv4 и IPv6, является x:x:x:x:x:x:d.d.d.d, где 'x' шестнадцатеричные 16-битовые коды адреса, а 'd' десятичные 8битовые, составляющие младшую часть адреса (стандартное IPv4 представление). Например: 76 0:0:0:0:0:0:13.1.68.3 0:0:0:0:0:FFFF:129.144.52.38 или в сжатом виде: ::13.1.68.3 ::FFFF:129.144.52.38 Представление типа адреса Специфический тип IPv6 адресов идентифицируется лидирующими битами адреса. Поле переменной длины, содержащее эти лидирующие биты, называется префиксом формата (Format Prefix - FP). Исходное назначение этих префиксов следующее (табл. 2.): Таблица 2 Назначение Зарезервировано Не определено Зарезервировано для NSAP Зарезервировано для IPX Не определено Не определено Не определено Не определено Провайдерские уникаст-адреса Не определено Зарезервировано для географических уникаст-адресов Не определено Не определено Не определено Не определено Не определено Не определено Не определено Локальные канальные адреса Локальные адреса (site) Мультикаст-адреса Префикс (двоичный) 0000 0000 0000 0001 0000 001 0000 010 0000 011 0000 1 0001 001 010 011 100 Часть пространства 1/256 1/256 1/128 1/128 1/128 1/32 1/16 1/8 1/8 1/8 1/8 101 110 1110 1111 0 1111 10 1111 110 1111 1110 0 1111 1110 10 1111 1110 11 1111 1111 1/8 1/8 1/16 1/32 1/64 1/128 1/512 1/1024 1/1024 1/256 адресного Замечание : Не специфицированные адреса, адреса обратной связи и IPv6 адреса со встроенными IPv4 адресами, определены вне “0000 0000” префиксного пространства. Данное распределение адресов поддерживает прямое выделение адресов провайдера, адресов локального применения и мультикастинг-адресов. Зарезервировано место для адресов NSAP, IPX и географических адресов. Оставшаяся часть адресного пространства 77 зарезервирована для будущего использования. Эти адреса могут использоваться для расширения имеющихся возможностей (например, дополнительных адресов провайдеров и т.д.) или новых приложений (например, отдельные локаторы и идентификаторы). Пятнадцать процентов адресного пространства уже распределено. Остальные 85% зарезервированы. Уникастные адреса отличаются от мультикастных значением старшего октета: значение FF (11111111) идентифицирует мультикастинг-адрес; любые другие значения говорят о том, что адрес уникастный. Эникастные (anycast) адреса берутся из уникастного пространства, и синтаксически неотличимы от них. Уникастные адреса IPv6 уникастный адреса, сходны с традиционными IPv4 адресами при бесклассовой междоменной маршрутизации (Class-less InterDomain Routing - CIDR). Существует несколько форм присвоения уникастных адресов в IPv6, включая глобальный уникастный адрес провайдера (global provider based unicast address), географический уникастный адрес, NSAP адрес, IPX иерархический адрес, Site-local-use адрес, Link-local-use адрес и IPv4-compatible host address. В будущем могут быть определены дополнительные типы адресов. Узлы IPv6 могут иметь существенную или малую информацию о внутренней структуре IPv6 адресов, в зависимости от выполняемой узлом роли, (например, хост или маршрутизатор). Как минимум, узел может считать, что уникастный адрес (включая его собственный адрес) не имеет никакой внутренней структуры. То есть представляет собой 128 битовый неструктурированный образ. Хост может дополнительно знать о префиксе субсети для каналов, c которыми она соединена, где различные адреса могут иметь разные значения n: Более сложные хост могут использовать и другие иерархические границы в уникастном адресе. Хотя простейшие маршрутизаторы могут не знать о внутренней структуре IPv6 уникастных адресов, маршрутизаторы должны знать об одной или более иерархических границах для обеспечения работы протоколов маршрутизации. Известные границы для разных маршрутизаторов могут отличаться и зависят от того, какое положение занимает данный прибор в иерархии маршрутизации. Примеры уникастных адресов Примером уникастного адресного формата, который является стандартным для локальных сетей и других случаев, где применимы MAC адреса, может служить: 78 где 48-битовый идентификатор интерфейса представляет собой IEEE-802 MAC адрес. Использование IEEE 802 mac адресов в качестве идентификаторов интерфейсов будет стандартным в среде, где узлы имеют IEEE 802 MAC адреса. В других средах, где IEEE 802 MAC адреса не доступны, могут использоваться другие типы адресов связного уровня, такие как E.164 адреса, в качестве идентификаторов интерфейсов. Включение уникального глобального идентификатора интерфейса, такого как IEEE MAC адрес, делает возможным очень простую форму авто-конфигурации адресов. Узел может узнать идентификатор субсети, получая информацию от маршрутизатора в виде сообщений оповещения, которые маршрутизатор посылает связанным с ним партнерам, и затем сформировать IPv6 адрес для себя, используя IEEE MAC адрес в качестве идентификатора интерфейса для данной субсети. Другой формат уникастного адреса относится к случаю, когда локальная сеть или организация нуждаются в дополнительных уровнях иерархии. В этом примере идентификатор субсети делится на идентификатор области и идентификатор субсети. Формат такого адреса имеет вид: Эта схема может быть развита с тем, чтобы позволить локальной сети или организации добавлять новые уровни внутренней иерархии. Может быть, желательно использовать идентификатор интерфейса меньше чем 48-разрядный IEEE 802 MAC адрес, с тем, чтобы оставить больше места для полей, характеризующих уровни иерархии. Это могут быть идентификаторы интерфейсов, сформированные администрацией локальной сети или организации. Не специфицированный адрес Адрес 0:0:0:0:0:0:0:0 называется не специфицированным адресом. Он не должен присваиваться какому-либо узлу. Этот адрес указывает на отсутствие адреса. Примером использования такого адреса может служить поле адреса отправителя любой IPv6 дейтограммы, посланной инициализируемой хост до того, как она узнала свой адрес. Не специфицированный адрес не должен использоваться в качестве указателя места назначения IPv6 дейтограмм или в IPv6 заголовках маршрутизации. Адрес обратной связи Уникастный адрес 0:0:0:0:0:0:0:1 называется адресом обратной связи. Он может использоваться для посылки IPv6 дейтограмм самому себе. Его нельзя использовать в качестве идентификатора интерфейса. Адрес обратной связи не должен применяться в качестве адреса отправителя в IPv6 дейтограммах, которые посылаются за пределы узла. IPv6 дейтограмма с адресом обратной связи в качестве адреса места назначения не может быть послана за пределы узла. 79 IPv6 адреса с вложенными IPv4 адресами Алгоритмы IPv6 включают в себя механизм (для хост и маршрутизаторов) организации туннелей для IPv6 пакетов через маршрутную инфраструктуру IPv4. Узлам IPv6, которые используют этот метод, присваиваются специальные IPv6 уникастные адреса, которые в младших 32 битах содержат адрес IPv4. Этот тип адреса называется "IPv4-compatible IPv6 address" и имеет формат, изображенный на рис. 4.19: Определен и второй тип IPv6 адреса, который содержит внутри IPv4 адрес. Этот адрес используется для представления IPv6 адресов узлам IPv4 (тем, что не поддерживают IPv6). Этот тип адреса называется "IPv4-mapped IPv6 address" и имеет формат показанный на рис. 4.20: NSAP адреса Соответствие NSAP адреса IPv6 адресам выглядит следующим образом (рис. 4.21): IPX Адреса Соответствие IPX и IPv6 адресов показано ниже на рис.: 80 Провайдерские глобальные уникаст-адреса Глобальный уникаст-адрес провайдера имеет назначение, описанное в [ALLOC]. Исходное назначение этих уникаст-адресов аналогично функции IPv4 адресов в схеме CIDR [см. CIDR]. Глобальный IPv6 уникаст-адрес провайдера имеет формат, отображенный ниже на рис. Ниже: Рис.. Глобальный адрес провайдера Старшая часть адреса предназначена для определения того, кто определяет часть адреса провайдера, подписчика и т.д. Идентификатор регистрации определяет регистратора, который задает провайдерскую часть адреса. Термин "префикс регистрации" относится к старшей части адреса, включая поле идентификатор регистрации (ID). Идентификатор провайдера задает специфического провайдера, который определяет часть адреса подписчика. Термин "префикс провайдера" относится к старшей части адреса включая идентификатора провайдера. Идентификатор подписчика позволяет разделить подписчиков, подключенных к одному и тому же провайдеру. Термин "префикс подписчика" относится к старшей части адреса, включая идентификатор подписчика. Часть адреса интра-подписчик определяется подписчиком и организована согласно местной топологии Интернет подписчика. Возможно, что несколько подписчиков пожелают использовать область адреса интра-подписчик для одной и той же субсети и интерфейса. В этом случае идентификатор субсети определяет специфический физический канал, а идентификатор интерфейса - определенный интерфейс субсети. Локальные уникаст-адреса IPv6 Существует два типа уникастных адресов локального использования. Имеется локальные адреса сети и канала. Локальный адрес канала предназначен для работы с одним каналом, а локальный адрес сети - с одной локальной сетью (site). Локальный IPv6 уникаст-адрес канала имеет формат, отображенный ниже на рис.: 81 Рис. Локальный адрес канала Локальные адреса канала предназначены для обращения через определенный канал, например, для целей авто-конфигурации адресов, поиска соседей или в случае отсутствия маршрутизатора. Маршрутизаторы не должны переадресовывать пакеты с локальными адресами отправителя. Локальный адрес сети имеет формат, показанный на рис. 4. 25 : Рис. Локальный адрес сети Локальные адреса сети могут использоваться для локальных сетей или организаций, которые (пока еще) не подключены к глобальному Интернет. Им не нужно запрашивать или “красть” префикс адреса из глобального адресного пространства Интернет. Вместо этого можно использовать локальный адрес сети IPv6. Когда организация соединяется с глобальным Интернет, она может сформировать глобальные адреса путем замещения локального префикса сети префиксом подписчика. Маршрутизаторы не должны переадресовывать пакеты с локальными адресами сети отправителя. Эникаст-адреса Эникаст-адрес IPv6 является адресом, который приписан нескольким интерфейсам (обычно принадлежащим разным узлам), при этом пакет, посланный по эникастному адресу, будет доставлен ближайшему интерфейсу в соответствии с метрикой протокола маршрутизации. Эникастные адреса выделяются из уникастного адресного пространства, и используют один из известных уникастных форматов. Таким образом эникастные адреса синтаксически неотличимы от уникастных адресов. Когда уникастный адрес приписан более чем одному интерфейсу, он превращается в эникастный адрес и узлы, которым он приписан, должны быть сконфигурированы так, чтобы распознавать этот адрес. Для любого эникастного адреса существует адресный префикс P, который определяет топологическую область, где находятся все соответствующие ему интерфейсы. В пределах области, заданной P, каждый член эникастной (anycast) группы должен быть объявлен, как отдельный вход в маршрутной системе; вне области, заданной P, эникастный адрес может быть занесен в маршрутную запись для префикса p. Заметим, что в худшем случае префикс P эникастной группы (anycast set) может быть нулевым, т.e., члены группы могут не иметь никакой топологической локальности. В этом случае эникастный адрес должен объявляться как отдельная маршрутная единица 82 (separate routing entry) по всему Интернет, что представляет собой серьезное ограничение, так как число таких "глобальных" эникастных адресов не может быть большим. Одним ожидаемым приложением эникастных адресов является идентификация набора маршрутизаторов, принадлежащих Интернет сервис провайдеру. Такие адреса в маршрутном заголовке IPv6 могут использоваться в качестве промежуточных, чтобы обеспечить доставку пакета через определенного провайдера или последовательность провайдеров. Другим возможным приложением может стать идентификация набора маршрутизаторов, связанных с определенной субсетью, или набора маршрутизаторов, обеспечивающих доступ в определенный домен. Существует ограниченный опыт широкого применения эникастных Интернет адресов, некоторые возможные осложнения и трудности рассмотрены в [anycst]. Имеются следующие ограничения при использовании эникастных IPv6 адресов: Эникастный адрес не может использоваться в качестве адреса отправителя в ipv6 пакете. o Эникастный адрес не может быть приписан хост IPv6, таким o образом, он может принадлежать только маршрутизатору. o      Необходимые эникаст-адреса Эникаст-адрес маршрутизатора отображенный на рис.: субсети предопределен и имеет формат, Префикс субсети в эникастном адресе является префиксом, который идентифицирует определенный канал. Этот эникастный адрес является синтаксически идентичным уникастному адресу для интерфейса канала с идентификатором интерфейса равным нулю. Пакеты, посланные группе маршрутизаторов с эникастным адресом, будут доставлены всем маршрутизатам субсети. При этом все маршрутизаторы субсети должны поддерживать работу с эникастными адресами. Реальный обмен будет осуществлен лишь с тем маршрутизатором, который ответит первым. Эникастный адрес маршрутизатора субсети предполагается использовать в приложениях, где необходимо взаимодействовать с одним из совокупности маршрутизаторов удаленной субсети. Например, когда мобильный хост хочет взаимодействовать с одним мобильным агентом в его “домашней” субсети.  Мультикаст-адреса Мультикастинг-адрес IPv6 является идентификатором для группы узлов. Узел может принадлежать к любому числу мультикастинг групп. Мультикастинг-адреса имеют следующий формат: 83 11111111 в начале адреса идентифицирует адрес, как мультикастинг-адрес. Старшие 3 флага зарезервированы и должны быть обнулены. t = 0 указывает на то, что адрес является стандартным ("well-known") мультикастным, официально выделенным для глобального использования в Интернет.  T = 1 указывает, что данный мультикастинг-адрес присвоен временно ("transient").  Поле scope представляет собой 4-битовый код мультикастинга, предназначенный для определения предельной области действия мультикастинг-группы. Допустимые значения:  0 зарезервировано 1 Область действия ограничена локальным узлом 2 Область действия ограничена локальным каналом 3 (не определено) 4 (не определено) 5 Область действия ограничена локальной сетью 6 (не определено) 7 (не определено) 8 Область действия ограничена локальной организацией 9 (не определено) A (не определено) B (не определено) C (не определено) D (не определено) E глобальные пределы (global scope) F зарезервировано Идентификатор группы идентифицирует мультикастинг-группы, постоянной или переходной (transient), в пределах заданных ограничений (scope). Значение постоянно присвоенного мультикастинг-адреса не зависит от значения поля scope. Например, если "NTP servers group" присвоен постоянный мультикастинг адрес с идентификатором группы 43 (hex), тогда: ff01:0:0:0:0:0:0:43 означает, что все ntp серверы одного и того же узла рассматриваются как отправители. FF02:0:0:0:0:0:0:43 означает, что все NTP серверы работают с тем же каналом, что и отправитель. FF05:0:0:0:0:0:0:43 означает, что все NTP серверы принадлежат той же сети, что и отправитель. FF0E:0:0:0:0:0:0:43 означает, что все NTP серверы находятся в Интернет. Непостоянно выделенные мультикаст-адреса имеют значение только в пределах данного ограничения (scope). Например, группа, определенная непостоянным локальным мультикаст-адресом FF15:0:0:0:0:0:0:43, не имеет никакого смысла для другой локальной сети или непостоянной группы, использующей тот же групповой идентификатор с другимscope, или для постоянной группы с тем же групповым ID.          84                 Мультикастинг адреса не должны использоваться в качестве адреса отправителя в IPv6 дейтограммах или встречаться в любых заголовках маршрутизации.  Предопределенные мультикаст-адреса Приведенные ниже мультикаст-адреса являются зарезервированными (предопределенными): ff00:0:0:0:0:0:0:0 FF01:0:0:0:0:0:0:0 FF02:0:0:0:0:0:0:0 FF03:0:0:0:0:0:0:0 FF04:0:0:0:0:0:0:0 FF05:0:0:0:0:0:0:0 FF06:0:0:0:0:0:0:0 FF07:0:0:0:0:0:0:0 FF08:0:0:0:0:0:0:0 FF09:0:0:0:0:0:0:0 FF0A:0:0:0:0:0:0:0 FF0B:0:0:0:0:0:0:0 FF0C:0:0:0:0:0:0:0 FF0D:0:0:0:0:0:0:0 FF0E:0:0:0:0:0:0:0 FF0F:0:0:0:0:0:0:0 Перечисленные выше мультикаст-адреса зарезервированы и не будут присваиваться каким-либо мультикаст-группам. Адреса для обращения ко всем узлам: FF01:0:0:0:0:0:0:1 FF02:0:0:0:0:0:0:1 Приведенные выше адреса идентифицируют группу, включающую в себя все IPv6 узлы в пределах группы 1 (локальные узлы) или 2 (локально связанные узлы). Адреса всех маршрутизаторов: FF01:0:0:0:0:0:0:2 FF02:0:0:0:0:0:0:2 Приведенные выше мультикаст-адреса идентифицируют группу всех IPv6 маршрутизаторов в пределах области 1 (локальные узлы) или 2 (связанные локально узлы). DHCP server/relay-agent: FF02:0:0:0:0:0:0:C Приведенные выше мультикастинг-адреса идентифицируют группу всех IPv6 DHCP серверов и транзитных агентов в пределах области (scope) 2 (локальный канал). Адрес активного узла (solicited-node): FF02:0:0:0:0:1:xxxx:xxxx Приведенный выше мультикаст-адрес вычислен как функция уникастного и эникастного адресов узла. Мультикаст-адрес активного узла (solicited-node) сформирован из младших 32 бит адреса (уникастного или эникастного) добавлением 96 битного префикса FF02:0:0:0:0:1. В результате получен мультикастинг адрес, охватывающий интервал: ff02:0:0:0:0:1:0000:0000 до FF02:0:0:0:0:1:FFFF:FFFF Например, код мультикаст-адреса активного узла (solicited node), соответствующий IPv6 адресу 4037::01:800:200E:8C6C, равен FF02::1:200E:8C6C. IPv6 адреса, которые отличаются только старшими разрядами, например, из-за множественных старших префиксов, соответствующих разным провайдерам, будут совпадать с адресом активного узла, что сокращает число мультикаст-групп, к которым узел должен присоединиться. 85 Необходимые адреса узлов Хост должна распознавать следующие адреса, как обращенные к нему: Её локальный адрес канала для каждого из интерфейсов Выделенные уникаст-адреса Адрес обратной связи Мультикастинг-адрес для обращения ко всем узлам Мультикастинг-адрес активного узла (solicited-node multicast address) для каждого из приписанных ей уникаст и эникастных адресов o Мультикаст-адреса всех групп, к которым принадлежит хост. o o o o o Маршрутизатор должен распознавать следующие адреса (as identifying itself): Его локальный адрес канала для каждого из интерфейсов Выделенные уникаст-адреса Адрес обратной связи Эникастные адреса маршрутизатора субсети для каналов, где он имеет интерфейсы. o Все другие эникастные адреса, которые использовались при маршрутизации. o Мультикастинг-адрес для обращения ко всем узлам o Мультикастинг-адрес для обращения ко всем маршрутизаторам o Мультикаст-адрес активного узла (solicited-node multicast address) для каждого приписанного ему уникаст и эникастного адресов. o Мультикастные адреса всех прочих групп, принадлежащих маршрутизатору. o o o o Приложение должно предопределить только следующие адресные префиксы: o o o o o o Не специфицированный адрес Адрес обратной связи Мультикаст-префикс (ff) Локально используемые префиксы (link-local и site-local) Предопределенные мультикаст-адреса Префиксы, совместимые с IPv4 Приложения должны считать все остальные адреса уникастными, противоположное не оговорено при конфигурации (например, эникастные адреса). если Схема адресации IPv 6 проектировалась с расчетом на взаимодействие с системами на базе IPv 4. Таким образом, становится возможным сосуществование двух схем адресации в течение некоторого периода. Для передачи информации между сетями, работающими на базе IPv 4 и более нового протокола IPv 6, могут использоваться маршрутизаторы с поддержкой обоих протоколов. Однако, на широкое распространение новой версии IP потребуется несколько лет, поэтому в книге все примеры приводятся в схеме адресации IPv 4. 86 Многоадресатная рассылка Средства мультимедиа вносят принципиальные изменения в парадигму сотрудничества и общения в корпоративной интрасети. Объем продаж настольных систем для видеоконференций на базе ПК буквально "взлетел" вверх по сравнению с объемом продаж традиционных систем аудиторного типа, а характерная для WWW возможность поддержки средств мультимедиа "подогревает" всеобщий интерес к внедрению настольных видеокоммуникаций. Следует быть готовыми к быстрым изменениям в этой сфере, так как уже появились ключевые технологии для реализации нового поколения коммуникационных приложений, и одна из них - групповая IP-адресация. Чтобы придать этому направлению солидность, рядом разработчиков было создано Инициативное объединение по групповой IP-адресации. Список его членов включает всех основных производителей инфраструктурных сетевых компонентов (Bay Networks, Cabletron Systems, Cisco Systems, Intel и 3Com) и операционных систем (Hewlett-Packard, Microsoft, Silicon Graphics, Sun Microsystems и большинство остальных производителей ПО Unix), а также ряд других. Основы групповой рассылки Метод многоадресатной рассылки IP является очень перспективным. Назначение метода многоадресатной рассылки состоит в уменьшении потребности в пропускной способности. В отличие от одноадресатных сообщений, передаваемых на отдельный хост, или широковещательных сообщений, которые принимаются всеми хостами, многоадресатные сообщения передаются отдельной группе хостов. Такой метод передачи данных является исключительно удобным в той ситуации, когда пользователи многих хостов одновременно запрашивают получение одних и тех же данных (например, потоковой видеопередачи). При использовании для этой цели широковещательных сообщений передаваемые пакеты пришлось бы обрабатывать на всех хостах и они заполнили бы все сегменты, напрасно расходуя пропускную способность и процессорное время. Кроме того, широковещательная рассылка может применяться только в локальных сетях. С другой стороны, при использовании одноадресатной рассылки пакет обрабатывается только указанным хостом, поэтому если одни и те же данные должны поступить на несколько хостов, то необходимо отправить такое же количество одинаковых пакетов; при этом бесполезно расходуется пропускная способность. При использовании многоадресатной рассылки передается только один пакет, но этот пакет принимается и обрабатывается всеми компьютерами той группы, для которой он предназначен. Схема использования многоадресатной рассылки показана на рис. 4.29. Если бы в этом примере потоковая видеопередача осуществлялась по каналам распределенной сети с помощью одноадресатной рассылки, то пришлось бы отправлять отдельный поток данных на каждый хост, а это слишком расточительно. Если в данном случае требуется 128 Кбит/с для передачи каждого потока, то доставка информации на 100 хостов потребует общей пропускной способности 12 Мбит/с. Чтобы лишний раз подчеркнуть, почему эти расходы являются неоправданными, рассмотрим следующую ситуацию. Предположим, что все сотрудники компании смотрят в прямом эфире выступление своего старшего руководителя. Должна ли в таком случае передаваться на каждый компьютер отдельная версия этого выступления? К счастью, ответ на этот вопрос является отрицательным, и поток информации может одновременно доставляться на все 87 компьютеры с помощью многоадресатной рассылки, что позволяет сократить потребность в пропускной способности. Рис. Пример применения многоадресатной рассылки При использовании многоадресатной рассылки поток данных не передается отдельно на каждый хост, а отправляется в многоадресатную группу. Маршрутизаторы с поддержкой многоадресатной рассылки, находящиеся в пути прохождения этого потока, принимают его и разделяют в случае необходимости на отдельные потоки для обеспечения того, чтобы отдельный поток поступил во все сети, где он требуется, а коммутаторы уровня 2 с поддержкой многоадресатной рассылки передают пакеты этого потока только в те сегменты, где находятся компьютеры, ожидающие его поступления, а не рассылают лавинообразно эти пакеты по всем сегментам. Конечным итогом использования такого метода является то, что потребление пропускной способности канала распределенной сети составляет только 128 Кбит/с, а в локальных сетях 88 применяется только такая пропускная способность, которая абсолютно необходима для доставки данных. Групповая IP-адресация возможна при наличии трех компонентов, а именно: поддержки трансляции с третьего на второй уровень, динамического контроля принадлежности к группе и групповой маршрутизации. Каждый из этих компонентов обусловливает необходимость тесной кооперации и сотрудничества со стороны поставщиков ПО (операционных систем и TCP/IP-стеков), сетевых адаптеров и оборудования сетевой инфраструктуры, а именно маршрутизаторов и коммутаторов. Понимание значения этих компонентов поможет вам правильно сориентироваться при их покупке и провести соответствующие мероприятия по модернизации, для того чтобы ваша сеть была готова к поддержке режима групповой адресации. Принципы организации многоадресатной рассылки Основной принцип организации многоадресатной рассылки является весьма несложным. Хосты присоединяются к одной или нескольким многоадресатным группам с помощью межсетевого протокола управления группами (Internet Group Management Protocol - IGMP). Эти группы определяют, какой именно сеанс многоадресатного трафика им требуется (например, одна из видеопередач в прямом эфире). Любой хост, который присоединился к группе, начинает использовать многоадресатный адрес этой группы и принимает любой трафик, предназначенный для группы. Хосты могут присоединяться к группам или выходить из них динамически, поэтому состав членов группы постоянно меняется. Маршрутизаторы следят за составом группы и предпринимают попытки сформировать пути к членам многоадресатных групп, не содержащие циклов. При этом основное внимание уделяется тому, чтобы была исключена вероятность ненужного дублирования пакетов. Программное обеспечение протокола IGMP следит также за тем, чтобы при отсутствии в какой-либо сети хостов, принадлежащих некоторой многоадресатной группе, была прекращена передача в эту сеть многоадресатных пакетов. Говорят, что при этом сеть отсекается от многоадресатной передачи. Клиентская поддержка IGMP должна быть встроена в TCP/IP-стек вашего хоста (это требование выполнено в стеках Microsoft для Windows). Администратору, который готовит свою систему к внедрению новых мультимедийных коллективных приложений, в первую очередь следует поинтересоваться, обеспечивает ли предлагаемое ПО поддержку IGMP. Маршрутизаторы также должны поддерживать IGMP; большинство из них (от наиболее известных фирм) обеспечивают эту поддержку. Насчет коммутаторов поговорим чуть ниже. Для передачи многочисленным маршрутизаторам, расположенным вдоль пути многоадресатной рассылки, информации о том, какие существуют многоадресатные группы и какие оптимальные пути могут применяться для передачи данных в эти группы, предназначены такие протоколы многоадресатной маршрутизации, как DVMRP ( Distance Vector Multicast Routing Protocol - протокол дистанционно-векторной маршрутизации трафика многоадресатной рассылки), MOSPF ( Multicast Open Shortest Path First открытый протокол SPF многоадресатной рассылки) и PIM ( Protocol Independent Multicast - независимый от протокола метод многоадресатной рассылки). После поступления пакета в локальную сеть получателя может быть выполнена его лавинная рассылка по всем хостам, если в сети установлен коммутатор уровня 2 без средств поддержки многоадресатной рассылки, или выполнено перенаправление пакета только хостам, 89 участвующим в группе, поддержкой CGMP . если используется коммутатор Cisco уровня 2 с Протокол CGMP ( Cisco Group Management Protocol - протокол Cisco управления группами) используется коммутаторами Cisco уровня 2 для предотвращения лавинообразной рассылки многоадресатного трафика по всем сегментам. Поскольку IGMP - это протокол уровня 3, коммутаторы уровня 2 не могут использовать протокол IGMP для получения информации о хостах многоадресатной группы. Поэтому информация о составе многоадресатной группы передается на коммутаторы маршрутизаторами с помощью протокола CGMP . Это позволяет коммутаторам с поддержкой многоадресатной рассылки передавать многоадресатные пакеты только хостам, участвующим в группе. Групповая адресация Для сетевых протоколов необходимо отображение сетевого IP-адреса третьего уровня (согласно модели OSI) в аппаратный адрес второго уровня, в частности в MACадрес. Для правильной организации функционирования многоадресатной рассылки предусмотрен целый ряд дополнений к протоколу IP и технологиям канального уровня. В частности, для обеспечения многоадресатной рассылки по локальной сети в программное обеспечение Ethernet необходимо включить дополнительные функции. Как правило, программное обеспечение Ethernet на компьютере принимает фрейм, только если заданный в нем МАС-адрес совпадает с МАС-адресом компьютера или представляет собой широковещательный МАС-адрес. А для обеспечения многоадресатной рассылки должен поддерживаться адрес нового типа - многоадресатный адрес. Этот адрес начинается с шестнадцатеричных цифр 01-00-5Е и заканчивается числом, соответствующим последним 23 битам IP -адреса многоадресатной группы. Следует отметить, что при использовании многоадресатной рассылки собственные адреса хостов не имеют значения. Хосты получают адрес, соответствующий многоадресатной группе и используют этот адрес. IP -адреса, применяемые при многоадресатной рассылке, представляют собой адреса класса D . Некоторые адреса класса D зарезервированы, а диапазон от 226.0.0.0 до 231.255.255.255 формально не зарезервирован и может использоваться всеми. Каждый из них может быть рассмотрен в виде "канала" идентификации группы хостов, "заинтересованных" в получении конкретной информации одного и того же содержания. Например, сетевой администратор может направить видеоновости на групповой адрес 229.15.15.30, а видеоконференцию - на групповой адрес 229.15.15.31. Последние 23 бита многоадресатного IP -адреса преобразуются в последние 23 бита многоадресатного МАС-адреса. Такое преобразование позволяет легко связать друг с другом многоадресатные МАС-адреса и IP -адреса. На рабочих станциях должны быть установлены TCP/IP-стеки, поддерживающие групповую IP-адресацию и "понимающие" значение этого класса IP-адресов, а также позволяющие программировать ваш сетевой адаптер так, чтобы он правильно воспринимал запрашиваемые групповые адреса. Большинство TCP/IP-стеков (но не все) поддерживают групповую адресацию. Так, стеки Windows, как и некоторые TCP/IP-стеки ряда поставщиков ПО для Unix, поддерживают групповую адресацию. TCP/IP-стеки третьих фирм могут не поддерживать ее. Поэтому обязательно выясните, поддерживает ли ваш стек групповую адресацию. Кроме того, фактически все адаптеры Ethernet могут 90 программироваться так, чтобы "слушать" несколько MAC-адресов, в частности свой собственный адрес, а также широковещательные MAC-адреса Ethernet. Сетевые адаптеры Ethernet, идеально подходящие для использования в режиме групповой IP-адресации, должны допускать программирование TCP/IP-стека на несколько дополнительных МАС-адресов, благодаря чему компьютер может "слушать" не весь диапазон MAC-адресов, а только несколько групп одновременно. Таким образом, центральный процессор компьютера не тратит время на исключение "нежелательных" пакетов. Сами по себе сетевые адаптеры могут предоставлять такую возможность, однако из-за некачественных NDIS- или ODI-драйверов она может быть не реализована. Динамический контроль принадлежности к группе Одно из привлекательных свойств групповой IP-адресации - прохождение группового трафика только в тех подсетях, где он активно запрашивается одним или несколькими хостами. Перед передачей потока групповых сообщений в подсеть маршрутизатор "должен убедиться", что компьютеры данной подсети хотят получать его. Используя протокол управления группами Интернет (IGMP, RFC 1112), компьютеры динамически сообщают групповому маршрутизатору о том, в каких именно групповых сеансах они хотели бы участвовать. Если ни один из хостов данной подсети не зарегистрировался для участия в групповом сеансе через IGMP, трафик, переданный на этот групповой адрес, не направляется в данную подсеть, и тем самым экономится пропускная способность. Наиболее распространенным является протокол IGMP версии 1. Протокол IGMP версии 2 находится на стадии рабочего проекта IETF, однако быстро получает признание. Среди усовершенствований, содержащихся в нем, можно отметить возможность для хоста сообщить маршрутизатору об отказе принимать данный групповой трафик. В протоколе IGMP версии 1 хост мог покинуть группу, только прекратив подтверждение своего "интереса" к участию в ней. В этом случае по истечении тайм-аута маршрутизатор останавливает дальнейшую передачу трафика. Далее рассмотрим основные вопросы о сетях следующего поколения, в которых применяется преобразование информации в пакеты с помощью IP протокола и дальнейшая передача по сетям связи. Данная процедура преобразования информации существует и в беспроводных сетях связи, в том числе и в сотовых сетях последнего поколения, 4G, например LTE и LTE-Advanced. Лекция 7. Принципы построения сетей связи следующего поколения, работающих с использованием пакетной коммутации IX. Введение в сети NGN NGN (сеть следующего поколения) представляет собой универсальную многоцелевую сеть, предназначенную для передачи речи, изображений и данных с использованием пакетной коммутации. Сеть NGN обеспечивает качество обслуживания, необходимое для различных видов телекоммуникационного трафика. Особенностью сетей 91 является то, что передача и маршрутизация пакетов и элементы оборудования передачи (каналы, маршрутизаторы, коммутаторы, шлюзы) физически и логически отделены от устройств и логики управления вызовами и услугами. Использующаяся в сети логика поддерживает все типы услуг в пакетной сети, начиная от базовой телефонной связи и заканчивая передачей данных, изображений, мультимедийной информации, широкополосными приложениями и приложениями управления. Указанные особенности отличают сети NGN от обычных телефонных и IP-сетей, наиболее широко распространенных в мире телекоммуникаций. Сети NGN, будучи результатом слияния сети интернет и телефонных сетей, объединяют в себе их лучшие черты. Сети NGN обладают следующими характеристиками: Адаптируемость для передачи трафика любого вида, что можно сравнить с адаптируемостью сети интернет в противоположность отсутствию гибкости ТфОП в передаче данных (это особенно важно, если учитывать, что на передачу данных вскоре будет приходиться до 90% телекоммуникационного трафика). Гарантированное качество голосовой связи и критически важных приложений передачи данных; В этом случае сеть NGN обладает надежностью ТфОП в противоположность негарантированному качеству связи сети интернет. Низкая стоимость передачи в расчете на единицу объема информации приближается к стоимости передачи данных в сети интернет, а не ТфОП (общий объем трафика данных и голосового трафика каждый год утраивается). Основные особенности и преимущества Снижение эксплуатационных расходов (OpEX) Сети NGN дают возможность реализовать новые услуги, являющиеся источниками дополнительных доходов  Наращиваемость  Возможность предоставления пакетов услуг  Снижение расходов в расчете на порт  Открытые стандартные интерфейсы  Возможность внедрения новых услуг, созданных  Простота монтажа и обслуживания сети  Консолидация сетей сторонними поставщиками Услуги o VoIP-телефония o Голосовая почта o IP Centrex / управляемая УТС o Услуги передачи данных o Мультимедийные услуги o Виртуальные выделенные сети o Унифицированный обмен сообщениями o Мгновенный обмен сообщениями o Услуги интерактивной справочной системы o Услуги центра обслуживания вызовов (обращений) o Интерактивные игры o Распределенная виртуальная реальность o Видеоконференции o Домашний менеджер 92 Архитектура NGN  Существующие сети характеризуются вертикальной интеграцией передачи, соединений, маршрутизации и услуг: для предоставления различных услуг (телефонная связь, передача видео, данных) предназначены различные сети. В отличие от привычных сетей, сети следующего поколения (NGN) характеризуются открытой архитектурой и горизонтальной взаимосвязью на различных уровнях:  Общая инфраструктура NGN, использующаяся для предоставления различных услуг, реализуется на транспортном уровне, основанном на пакетной технологии. Обмен информацией между источником и пунктом назначения осуществляется по одному и тому же принципу вне зависимости от вида соединения (телефонный вызов, сеанс работы в интернет, передача видео, сетевая игра с несколькими игроками или трансляция фильма).  Прикладной уровень логически и физически отделен от транспортного уровня, что позволяет независимо развивать различные сегменты сети. За различные услуги (телефонную связь, электронную коммерцию, передачу видео по запросу и т.д.) отвечают различные серверы, отделенные от транспортного уровня. Для внедрения новой услуги необходимо всего лишь добавить новый сервер, который благодаря транспортному уровню становится доступным для всех подключенных к сети пользователей.  Подключение пользователей к NGN производится через интерфейсы с различными полосами частот и пропускной способностью, основанные на различных технологиях. Несмотря на то, что наиболее пригодными для подключения к NGN являются широкополосные интерфейсы (>0,5 Мб/с), всем пользователям предоставляется универсальный доступ к услугам независимо от используемого ими оборудования. ИСС Сервер приложений Сервер приложений Гибкий коммутатор SX АТС с MGC Гибкий коммутатор SX Сеть с коммутацией пакетов Шлюз 1 GW 1 IP - УПАТС Транспортная пакетная сеть Сигнал. Шлюз SG АТС Сервер приложений IAD Трансп. Шлюз MG ISDN ТА H. 323 TE Шлюз 2 GW 2 Шлюз 3 GW 3 Сеть с коммутацией каналов SIP TE Шлюз 4 GW 4 Сеть доступа Аналог. ТА Аналог. ТА ISDN ТА Аналог. ТА УПАТС ISDN ТА Рис. 9.1. На вышеприведенном рисунке (9.1) представлена возможная схема построения сетей связи NGN. Функциональная модель сетей NGN, в общем случае, может быть представлена тремя уровнями (рис.9.2): − транспортный уровень; 93 − уровень управления коммутацией и передачей информации; − уровень управления услугами. Задачей транспортного уровня является коммутация и прозрачная передача информации пользователя. Задачей уровня управления коммутацией и передачей является обработка информации сигнализации, маршрутизация вызовов и управление потоками. Уровень управления услугами содержит функции управления логикой услуг и приложений и представляет собой распределенную вычислительную среду, обеспечивающую: − предоставление инфокоммуникационных услуг; − управление услугами; − создание и внедрение новых услуг; − взаимодействие различных услуг. Данный уровень позволяет реализовать специфику услуг, и применять одну и ту же программу логики услуги вне зависимости от типа транспортной сети (IP, АТМ, FR и т.п.) и способа доступа. Наличие этого уровня позволяет также вводить на сети любые новые услуги без вмешательства в функционирование других уровней. Уровень управления услугами может включать множество независимых подсистем ("сетей услуг"), базирующихся на различных технологиях, имеющих своих абонентов и использующих свои, внутренние системы адресации. Рис. 9.2 Функциональная модель сетей NGN 94 Архитектура сети связи, построенной в соответствии с концепцией NGN Архитектура сети связи, построенной в соответствии с концепцией NGN, представлена на рис.9.3. Основу сети NGN составляет универсальная транспортная сеть, реализующая функции транспортного уровня и уровня управления коммутацией и передачей. В состав транспортной сети NGN могут входить: − транзитные узлы, выполняющие функции переноса и коммутации; − оконечные (граничные) узлы, обеспечивающие доступ абонентов к мультисервисной сети; − контроллеры сигнализации, выполняющие функции обработки информации сигнализации, управления вызовами и соединениями; − шлюзы, позволяющие осуществить подключение традиционных сетей связи (ТФОП, СПД, СПС). Контроллеры сигнализации могут быть вынесены в отдельные устройства, предназначенные для обслуживания нескольких узлов коммутации. Использование общих контроллеров позволяет рассматривать их как единую систему коммутации, распределенную по сети. Такое решение не только упрощает алгоритмы установления соединений, но и является наиболее экономичным для операторов и поставщиков услуг, так как позволяет заменить дорогостоящие системы коммутации большой емкости небольшими, гибкими и доступными по стоимости даже мелким поставщикам услуг. Назначением транспортной сети является предоставление услуг переноса. Реализация инфокоммуникационных услуг осуществляется на базе узлов служб (SN) и/или узлов управления услугами (SCP). 95 Рис. 9.3. Архитектура сети связи NGN SN является оборудованием поставщиков услуг и может рассматриваться в качестве сервера приложений для инфокоммуникационных услуг, клиентская часть которых реализуется оконечным оборудованием пользователя. SCP является элементом распределённой платформы ИС и выполняет функции управления логикой и атрибутами услуг. Совокупность нескольких узлов служб или узлов управления услугами, задействованных для предоставления одной и той же услуги, образуют платформу управления услугами. В состав платформы также могут входить узлы административного управления услугами и серверы различных приложений. Оконечные/оконечно-транзитные узлы транспортной сети могут выполнять функции узлов служб, т.е. состав функций граничных узлов может быть расширен за счет добавления функций предоставления услуг. Для построения таких узлов может использоваться технология гибкой коммутации (Softswitch). Инфокоммуникационные услуги предполагают взаимодействие поставщиков услуг и операторов связи, которое может обеспечиваться на основе функциональной модели распределённых (региональных) баз данных, реализуемых в соответствии с 96 Рекомендацией МСЭ-Т X.500. Доступ к базам данных организуется с использованием протокола LDAP (Lightweight Directory Access Protocol). Вышеуказанные базы данных позволяют решить следующие задачи: − cоздание абонентских справочников; − автоматизация взаиморасчётов между операторами связи и поставщиками услуг; − обеспечение взаимодействия между операторами связи в процессе предоставления услуг ИС; − обеспечение взаимодействия терминалов с различными функциональными возможностями на разных концах соединения. Вышеуказанные базы данных могут использоваться также поставщиками услуг для организации платных информационно-справочных услуг. Концепция NGN во многом опирается на технические решения, уже разработанные международными организациями стандартизации. Так, взаимодействие серверов в процессе предоставления услуг предполагается осуществлять на базе протоколов, специфицированных IETF (MEGACO), ETSI (TIPHON), Форумом 3GPP2 и т.д. Для управления услугами будут использованы протоколы H.323, SIP и подходы, применяемые в интеллектуальных сетях связи. В качестве технологической основы построения транспортного уровня мультисервисных сетей рассматриваются АТМ и IP с возможным применением в будущем оптической коммутации. Для доступа абонентов к услугам NGN используются: − интегрированные сети доступа, подключенные к оконечным узлам мультисервисной сети и обеспечивающие подключение пользователей как к мультисервисной сети, так и к традиционным сетям (например ТФОП); − традиционные сети (ТФОП, СДОП, СПС), абоненты которых получают доступ к мультисервисной сети через узлы, подключенные к шлюзам (Media Gateway). Сетевые характеристики и основные протоколы NGN Сети нового поколения должны предоставлять ресурсы (инфраструктура, протоколы и т.п.) для создания, внедрения и управления всеми видами услуг (существующими и будущими). Это включает в себя услуги с использованием всех видов информации (аудио, визуальной, аудиовизуальной), с использованием всех видов алгоритмов кодирования информации и услуг передачи данных, разговорных; услуги 97 одноадресной, многоадресной и широковещательной передачи, службы обмена сообщениями, услуги передачи данных, в реальном и нет масштабах времени, чувствительных и нечувствительных к задержкам времени услуг. Услуги, требующие различной пропускной способности каналов связи от нескольких кбит до сотен Мбит/с, с или без обеспечения соглашения об уровне сервиса. В рамках NGN основной упор делается на возможность адаптации услуги сервис-провайдером, многие из которых также обеспечат своим пользователям возможность адаптировать свои собственные услуги. Сети нового поколения будут включать в себя API (Application Programming Interfaces) обеспечивающие поддержку разработки, предоставления и управления услугами. Одной из основных характеристик NGN является разделения услуг и сетей, позволяющее им развиваться независимо друг от друга. На рис 9.4. показана архитектура сети NGN, предложенная МСЭ в рекомендации Y.1001. Рис. 9.4. Принципиальная архитектура сети NGN. Медиа-шлюз выполняет функции преобразования информационных потоков. Слева от медиа-шлюза показан RTP-поток, который формируется при использовании транспортного протокола реального времени (Real-Time Transport Protocol), а справа – поток, образованный системой передачи с импульсно-кодовой модуляцией (ИКМ). Медиа-шлюз в крупной сети должен обладать высокой производительностью. 98 Медиа-шлюз управляется контроллером – MGC. Контроллеры могут быть связаны между собой, что показано на рис. 9.4 пунктирной линией с надписью MGC/MGC. Контроллер взаимодействует также с интеллектуальной базой данных (Intelligent Database – ID) Над контроллером MGC показан шлюз сигнализации. Шлюз сигнализации (SG) преобразует информацию сигнализации (в обоих направлениях) на транспортном уровне между сигнализацией на базе SS7, используемой в сетях до версии 4, и сигнализацией на базе протоколов IP, которая вероятно будет использоваться в пост-R99 сетях (т.е. между SCTP/IP Sigtran и MTP SS7). SG не интерпретирует сообщений прикладного уровня (например, MAP, CAP, BICC, ISUP), но может интерпретировать нижележащий уровень SCCP (подсистема управления соединениями сигнализации) или SCTP (протокол передачи управления потоком), чтобы гарантировать правильную маршрутизацию сигнализации. Шлюз SG будет необходим для обеспечения универсальной IP-сети UMTS. Функцию шлюза сигнализации можно реализовать как отдельный элемент или внутри другого элемента Рис.9.5. Функция шлюза сигнализации. В сторону ТФОП (или сети подвижной связи) шлюз сигнализации передает и принимает информацию по ОКС (Общеканальной системы сигнализации №7. ОКС-7 представляет универсальную структуру для организации сигнализации, сообщений, сетевого взаимодействия и технического обслуживания телефонной сети. Начиная с установки соединения, протокол работает для обмена пользовательской информацией, 99 маршрутизации звонков, взаимодействия с биллингом и поддержки интеллектуальных услуг.). Для российской ТФОП в сети ОКС используется подсистема пользователя ЦСИО – ISUP. Взаимодействие с контроллером MGC осуществляется через интерфейс, обозначенный как SG/MGC. Для связи с интеллектуальной базой данных определен интерфейс ID/SG. Для поддержки услуг ИС используется прикладной протокол Интеллектуальной сети – INAP. Сеть использует ряд новых протоколов, часть из которых была разработана ранее. Протокол H.323. используется для обеспечения установления соединения и передачи голосового и видео трафика по пакетным сетям, в частности Internet и intranet, которые не гарантируют качества услуг (QoS). Используется протокол RTP, разработанный группой IETF, а также стандартные кодеки, отвечающие требованиям МСЭ, которые изложены в рекомендациях серии G. Протокол H.323 был первым в реализациях технологии VoIP, но сейчас он начал уступать позиции разработанному IETF протоколу SIP (инициирование сеансов связи), который оказался проще и лучше масштабировался. Стек протоколов H.323 приведен на нижеследующем рисунке. Рис. 9.6. Стек протоколов H.323 Протокол MGCP (Media Gateway Control Protocol) используется для управления шлюзами MG. Он разработан для архитектуры, в которой вся логика обработки вызовов располагается вне шлюзов, и управление выполняется внешними устройствами, такими, как MGC или агенты вызовов. Модель вызовов MGCP рассматривает медиа-шлюзы как набор конечных точек, которые можно соединить друг с другом. Протокол MEGACO/H.248, идущий на смену MGCP в качестве стандарта для управления медиа-шлюзами, служит общей платформой для шлюзов, устройств 100 управления многоточечными соединениями, а также устройств интерактивного голосового ответа. Модель соединений, используемая MEGACO, более проста, чем модель протокола MGCP Протокол прикладного уровня SIP (Session Initiation Protocol) описанный в IETF (Internet Engineering Task Force) RFC 2543, с помощью которого осуществляется установление, модификация и завершение мультимедийных сессий или вызовов по IPсети. В мультисервисных сетях SIP выполняет функции, аналогичные реализованным в протоколе H.323. Сессии SIP могут включать мультимедийные конференции, дистанционное обучение, Internet-телефонию и другие подобные приложения. В основу протоколана этапе его создания были заложены следующие принципы: обеспечение персональной мобильности и развитие протокола, определяющее возможность поддержки новых инфокоммуникационных приложений. Сегодня SIP рассматривается многими участниками инфокоммуникационного рынка как международный стандарт. Протокол Signalling Transport (SIGTRAN). Это стек протоколов для передачи сигнальной информации по IP-сетям. Он используется как в обоих видах шлюзов, так и в Softswitch. SIGTRAN реализует функции протокола SCTP (Simple Control Transport Protocol) и уровней адаптации (Adaptation Layers). SCTP обеспечивает передачу сигнальной информации, осуществляет управление сигнальным трафиком, обеспечивает безопасность. В функции Adaptation Layers входит передача сигнальной информации от соответствующих сигнальных уровней, использующих услуги SCTP. Эти протоколы ответственны за сегментацию и пакетирование пользовательских данных, защиту от имитации законного пользователя, изменения смысла передаваемой информации и ряд других функций. На рис. 9.7ниже показан вариант модели сети на базе концепции NGN. 101 Рис.9.7. Вариант модели сети NGN Оборудование телекоммуникационной Softswitch системе. взаимодействует В верхней со части многими рисунка компонентами показаны в такие функциональные блоки: система тарификации, платформа услуг и приложений, а также сеть ОКС. Следует только отметить возможность выхода через сеть ОКС на узел управления услугами (Services Control Point – SCP), входящий в состав ИС, что позволяет дополнить услуги и приложения, доступные абонентам непосредственно через Softswitch, услугами ИС. Логика обработки вызовов реализуется в контроллере шлюзов (Media Gateway Controller – MGC). Взаимодействие Softswitch с коммутационными станциями других осуществляется через оборудование Media Gateway (MG). Для этих целей используется протокол MGCP, разработка которого была выполнена в IETF (Инженерная группа по проблемам Internet). Группа, которая предложила этот протокол, именуется Megaco (Media Gateway Control). Поэтому протокол иногда называют по имени группы – Megaco. Протокол MGCP, в силу того, что он был разработан в IETF, ориентирован, в основном, на IP технологии. В результате работы МСЭ появился проект рекомендации H.248, который ориентирован скорее на передачу мультимедийной информации, чем передачу неструктурированного трафика данных. Пунктирной линией на рис. 9.7 показана связь Softswitch с пакетной сетью, которая, как правило, базируется на технологиях IP и ATM. Пакетная сеть обрабатывает основную часть трафика телекоммуникационной системы. Переход к сети с коммутацией пакетов 102 целесообразно осуществлять путем постепенной эволюции телекоммуникационной системы. Вышеперечисленные сетевые элементы и протоколы, составляющие основу решений, соответствующих концепции NGN, потенциально позволяют предоставлять неограниченное количество телекоммуникационных услуг нового поколения – инфокоммуникационных услуг. Здесь мы лишь перечислим основные технологические особенности, отличающие инфокоммуникационные услуги от услуг традиционных сетей связи, так, как это определено в Концептуальных положениях по построению мультисервисных сетей на ЕСЭ России: - инфокоммуникационные услуги оказываются на верхних уровнях модели ВОС (в то время как услуги связи предоставляются на третьем, сетевом уровне); - большинство инфокоммуникационных услуг предполагает наличие клиентской части и серверной; клиентская часть реализуется в оборудовании пользователя, а серверная – на специальном выделенном узле сети, называемом узлом служб; - инфокоммуникационные услуги, как правило, предполагают передачу информации мультимедиа, которая характеризуется высокими скоростями передачи и несимметричностью входящего и исходящего информационных потоков; - для предоставления инфокоммуникационных услуг зачастую необходимы сложные многоточечные конфигурации соединений; - для инфокоммуникационных услуг характерно разнообразие прикладных протоколов и возможностей по управлению услугами со стороны пользователя; - для идентификации абонентов инфокоммуникационных услуг может использоваться дополнительная адресация в рамках данной инфокоммуникационной услуги. Большинство инфокоммуникационных услуг являются "приложениями", т.е. их функциональность распределена между оборудованием поставщика услуги и оконечным оборудованием пользователя. Как следствие, функции оконечного оборудования также должны быть отнесены к составу инфокомунникационной услуги, что необходимо учитывать при их регламентации. В целом обобщенный смысл инфокоммуникационной услуги можно представлять как персонифицированный для каждого конкретного пользователя набор услуг (на 103 которые он подписан) предоставляемых ему вне зависимости от месторасположения и типа используемого терминала при некотором наборе ограничений. Одной из задач, от успеха решения которой зависит возможность предоставления современных инфокоммуникационных услуг, является задача обеспечения обобщенной мобильности. В завершении можно сказать, что развитие сетей связи идет в наше время по разным направлениям, предвидеть новые изменения невозможно и не нужно, т.к. впереди могут произойти неожиданные открытия, в корне меняющие привычные представления о возможностях передачи информации между людьми, к чему человечество и стремится на протяжении веков. В приложениях 1 и 2 приведены сведения об аппаратуре первичных сетей ПЦИ, оптических, а также небольшая информация об интерфейсах и стандартах изучаемых сетей связи. 104 Приложение 1 Аппаратура "Сопка" Плезиохронной цифровой иерархии Аппаратура "Сопка" относится к плезиохронной цифровой иерархии, она включает в себя три стойки:  стойку аналого-цифрового каналообразования (САЦК-1), предназначенную для размещения аппаратуры каналообразующей унифицированной (АКУ-30) с источником вторичного электропитания и комплекта сервисного оборудования (КСО);  стойку вторичного временного группообразования (СВВГ-1У), предназначеную для размещения секций вторичного временного группообразования и контроля за их исправностью;  стойку оборудования линейного тракта оптическую (СОЛТ-О-1), предназначенную для организации на оконечных и промежуточных пунктах передачи и приема по световодной линии цифровых потоков со скоростью 8,448 Мбит/с и сопряжения оборудования световодного линейного тракта с оборудованием вторичного временного группообразования по стандартному стыку второго порядка. Стойка аналого-цифрового каналообразования (САЦК-1) предназначена для размещения аппаратуры каналообразующей унифицированной АКУ-30 с источником вторичного электропитания и комплекта сервисного оборудования КСО. Комплект аппаратуры каналообразующей унифицированной предназначен для организации не только 30 телефонных каналов, но и для абонентского доступа к одному цифровому каналу. Стойка САЦК-1 предназначена для работы в линейно-аппаратных цехах в стационарных условиях. Электропитание стойки производится от станционной батареи с напряжением от -21,6 В до -26,4 В. Цепи сигнализации запитываются от отдельного источника питания. На стойке размещены: съемные каркасы, предназначенные для установки оборудования АКУ-30 и КСО; несъемные каркасы для устройства ввода (УВ) и установки комплектов источников электропитания (КИЭ). Каждый комплект включает в себя два источника вторичного электропитания (ИВЭП). Внешний вид стойки приведен на рис. 1.1. 105 Рис. 1.1. Внешний вид стойки САЦК-11 Устройство ввода является неотъемлемой частью несущей конструкции стойки, в которой располагается двенадцать 40-контактных соединений для подключения низкочастотных цепей и платы, на которой располагаются семь 10-контактных гребенок для подключения высокочастотных цепей основного цифрового канала, поступающих из АКУ-30. На стойке возможно размещение четырех комплектов АКУ-30, каждый из которых позволяет организовать 30 телефонных каналов и абонентский доступ к одному цифровому каналу. Для питания четырех комплектов АКУ-30 на стойке установлены два комплекта КИЭ. Платы контроля и сигнализации (КС-1, КС-2), датчики аварии, расположенные в комплекте АКУ-30, и комплект сервисного обслуживания (КСО) составляют систему автоматического контроля и аварийной сигнализации, предназначенную для обнаружения неисправностей и контроля состояния узлов в процессе эксплуатации. Переговорновызывное устройство, расположенное на плате КСС в комплекте КСО, позволяет с помощью комплекта АКУ-30 организовать канал служебной связи в групповом сигнале. Комплект АКУ-30 обеспечивает:  передачу методом ИКМ-ВД 30 телефонных каналов по первичному цифровому тракту со скоростью передачи 2048 кбит/с;  передачу одного основного цифрового канала со скоростью передачи 64 кбит/с. Комплект сервисного оборудования предназначен:  для формирования сигналов стоечной, рядовой и цеховой сигнализации;  питания схем контроля в комплекте КСО и в АКУ;  индикации о пропадании вторичного напряжения питания источника "минус 24/60 сигн.", питающего КСО;  проверки индикаторов, расположенных на самом комплекте КСО на стойке САЦК-1;  отключения с помощью кнопки акустической, рядовой и цеховой сигнализации; 106  формирования повторной сигнализации с появлением новых сигналов аварии. В состав КСО входят:  плата стабилизатора напряжения (ПСН) 24/5-0,5;  плата реле (ПР);  плата коммутатора служебной связи (КСС). Элементы индикации, коммутации и управления выведены на лицевую панель комплекта КСО. Плата стабилизатора напряжения предназначена для питания узлов КСО и платы КС-1 в комплекте АКУ-30. Плата стабилизатора напряжения имеет следующие технические данные: входное напряжение + 5 В; пульсация входного напряжения (амплитудное значение) не более 50 мВ. Плата реле предназначена для формирования и включения сигналов стоечной, рядовой и цеховой сигнализации. Плата коммутатора служебной связи предназначена:  для согласования микротелефонной трубки с каналом комплекта АКУ-30;  подачи питания на микрофон;  выбора и передачи сигнала ВЫЗОВ на один из четырех комплектов АКУ-30 на САЦК-1. Основные узлы КСС:  схема питания микрофона;  устройство согласования микрофона и телефона с приемопередатчиком АКУ-30; Питание микрофона осуществляется в момент разговора при нажатии кнопок выбора канала АКУ-30. По окончании разговора кнопки отключаются. Комплект АКУ-30 включает в себя:  приемопередатчик дискретной информации (ППДИ);  мультиплексор дискретной информации (МДИ);  устройство объединения (УО);  устройство тактовой синхронизации (УТС);  преобразователь кода (ПК);  распределитель импульсов передачи (РИ пер);  регистр кодера (РК);  кодер – аналоговая часть (Код. АЧ);  приемопередатчик (ПП2) – 10 штук;  декодер – аналоговая часть (Дек. АЧ);  декодер – цифровая часть (Дек. ЦЧ);  распределитель импульсов приема;  приемник цифрового синхросигнала.  устройство контроля и сигнализации (КС-1); 107  устройство контроля и сигнализации (КС-2). Источник вторичного электропитания предназначен для питания аппаратуры связи стабилизированным напряжением постоянного тока с возможностью заземления любого выходного контакта разъема. Входное напряжение – напряжение сети постоянного тока 24 В. Технические данные: 1. Параметры канала ТЧ: каналы имеют четырехпроводное окончание с уровнями: уровень передачи (-13 дБ), уровень приема (+4 дБ);  остаточное усиление канала, измеренное на частоте (820± 10 Гц) при уровне сигнала -13 дБ, должно быть равно 17± 0,4 дБ;  номинальная величина входного и выходного сопротивлений 600 Ом;  уровень псофометрического шума на выходе любого канала – не более 61 дБ;  защищенность от невзвешенных помех в канале, включая шум квантования в зависимости от уровня шумоподобного сигнала на входе должна быть не менее значений, указанных в табл. 5.1;  защищенность от внешних переходных помех между каналами, образованными соединением передающей и приемной частей одного АКУ-30 в диапазоне частот 0,3…3,4 кГц – не менее 65 дБ.  2. Стыковой код на скорости 2048 кбит/с – биполярный (HDB или AMI). 3. Стыковой код на скорости 64 кбит/с – ОБС. 4. Электропитание АКУ-30 осуществляется от двух источников электропитания 24 В. Таблица П.1.1 Зависимость защищенности канала от уровня шумоподобного сигнала Уровень на входе канала, дБ -16 -23 -33 -43 -53 -68 Защищенн ость, дБ 26,3 34,1 34,1 33,5 27,6 12,6 Параметры системы сигнализации. сигнализация срабатывает:  при  при аварии вторичных источников питания; выходе из строя узлов аппаратуры АКУ-30 или при выходе за пределы допустимых норм характеристик АКУ-30 (сигнал Авария) при пропадании входного цифрового потока (сигнал ИКМ-пр.);  при снижении тактовой частоты (сигнал ТАКТ); 5 3  при снижении достоверности ниже, чем 10- (или 10- ); 108  при приеме с противоположной станции сигнала индикации аварийного состояния (СИАС);  при принятии сигнала ВЫЗОВ;  при приеме сигнала ИЗВЕЩЕНИЕ с противоположной стороны;  повторно при наличии повреждения в АКУ-30 и последующем выходе из строя любого комплекта, установленного на стойке САЦК-1. Структурная схема комплекта АКУ-30 приведена на рис. 1.2. В состав комплекта входит индивидуальное оборудование, включающее в себя 30 приемопередатчиков (ПП) тональной частоты (ТЧ) и один приемопередатчик основного цифрового канала с пропускной способностью 54 кбит/с на месте 16-го канального интервала. Сопряжение сигналов ОЦК с групповым цифровым потоком 2048 кбит/с осуществляется с помощью мультиплексора дискретной информации. Рассмотрим прохождение информационного сигнала в АКУ-30. Низкочастотные аналоговые сигналы отдельных каналов объединяются на выходах приемопередатчиков в групповой АИМ-сигнал первого рода (АИМ-1) с временным уплотнением каналов. Затем сигналы АИМ-1 поступают на вход кодера, в котором осуществляется нелинейное аналого-цифровое преобразование. В аппаратуре АКУ-30 все 30 каналов ТЧ разделяются на две группы четных и нечетных каналов. Это позволяет обеспечить требуемую защищенность против внятных переходных помех между каналами и снижает влияние шумов, поступающих на вход АЦП. В соответствии с этим в АКУ-30 используется два отдельных кодера на каждую группу каналов. После аналого-цифрового преобразования сигналы двух групп каналов в цифровой форме поступают на вход устройства объединения. Кроме того, в УО объединяются в один цифровой поток также следующие сигналы:  сигнал дискретной информации от МДИ;  цикловой синхросигнал передачи;  сигнал извещение аварии, поступающий от устройства контроля и сигнализации;  сигнал ВЫЗОВ служебной связи, поступающий с КСО-1. Процессы контроля кодера и коррекции нуля осуществляются с частотой 4 кГц. С выхода УО сигнал поступает на ПК пер., в котором происходит преобразование однополярного первичного цифрового сигнала в биполярный сигнал. В устройстве выделителя тактовой частоты (ВТЧ) выделяется тактовый сигнал 2048 кГц, необходимый для запуска распределителя импульсов (РИ пр.). В устройстве приемника сигнала (ПС) анализируется первичный цифровой сигнал с целью выработки сигнала, синхронизирующего РИ пр. В декодере осуществляется декодирование сигналов, передаваемых по каналу КТЧ и запрет сигнала, передаваемого в КИ16, так как он используется для передачи дискретной информации. В АКУ-30 также входит КС. Это устройство принимает сигналы аварии, формируемые в кодеке, ПК, ГЗ, ВТЧ, ПС и на основании этих сигналов вырабатывает сигналы аварийной сигнализации. В устройствах КС формируется также сигнал блокировки ПК пер. в случае искажения циклового синхросигнала на передаче. 109 Рис. 1.2. Структурная схема комплекта АКУ-30 Стойка оборудования линейного тракта оптическая Стойка оборудования линейного тракта оптическая (СОЛТ-О-1) входит в состав оборудования обслуживаемых регенерационных пунктов (ОРП) и оконечных пунктов (ОП) комплекса зоновых волоконно-оптических систем передачи. СОЛТ-О-1 предназначена для организации на оконечных и промежуточных пунктах передачи и приема по световодной линии цифровых потоков со скоростью 8,448 Мбит/с и сопряжения оборудования световодного линейного тракта с оборудованием вторичного временного группообразования по стандартному стыку второго порядка. Оборудование СОЛТ-О-1 рассчитано на работу от источников постоянного тока с напряжением (-24± 2,4 В) с заземленным плюсом. Стойка предназначена для эксплуатации в отапливаемых помещениях при температуре окружающей среды от 5 до 40 °С и относительной влажности воздуха до 80 %. 110 Основные технические данные СОЛТ-О-1 приведены в табл.П.1.2. Таблица П.1.2 Основные технические данные стойки СОЛТ-О-1 Характеристика Норматив Отсутствие ошибок при передаче и приеме стыкового сигнала в интервале времени при затухании 0 и 6 дБ на частоте 4,224 МГц В течение 20 мин Средняя мощность оптического излучения в линию, дБм, не менее -5 Коэффициент ошибок линейного сигнала при изменении уровня оптического сигнала на входе от –27 до –47 дБ, не более 10-10 Размах сервисного сигнала с частотой 32000± 10 Гц на стыке со станционным оборудованием, В, не менее 1 Ток, потребляемый стойкой, А, при напряжении питания – 21,6 В, не более 7 Схема расположения оборудования на стойке оптического линейного тракта оконечной (СОЛТ-О) показана на рис. 1.5. Волоконно-оптическая система передачи (Сопка-2) является четырехпроводной однокабельной системой, и поэтому оборудование стойки разделено на две части и дублировано для организации тракта приема-передачи по каждой паре волокон. У обоих комплектов в верхней части стойки имеются вход и выход для подключения к стойке СВВГ–У, обозначенные соответственно "Вх. 1", "Вых. 1" и "Вх. 2", "Вых. 2". Через эти входы и выходы по электрическому кабелю передается или принимается групповой сигнал. В следующих секциях находятся платы: плата преобразования кода приема (ПКПр.) и плата преобразователя кода передачи (ПКП), плата линейного кода передачи (ПЛКП) и плата линейного кода приема (ПЛКПр.), плата передачи (ПП) и плата приема (ППр.), имеющие разъемные соединители для волоконнооптического кабеля. Рядом с платой стабилизации напряжения (ПСН) расположена плата сигнализации (ПС). На ее панели расположены:  тумблер включения фильтрации сигнала Фс, два цифровых индикатора неисправностей по одному на каждый комплект, лампочки:  "Вх. HDB" – наличия/отсутствия сигнала от аппаратуры группообразования;  "Изл." – сигнал аварийного состояния излучателя либо отсутствие сигнала в линии; " ", " " – наличие большого числа ошибок, отсутствие входного сигнала. В табл. П.1.3 приведены возможные неисправности и соответствующие им показания индикаторов. 111 Рис. 1.5. Схема расположения оборудования СОЛТ-О-1 На панели также установлены кнопки. Кнопка Контр служит для проверки индикации, кнопка ЗВ – для отключения звонка сигнализации. В нижней части стойки установлены блоки источников вторичного электропитания (ИВЭП), преобразующие напряжение 24 В в напряжение 8,1 и 4 В. Таблица П.1.3 Показания цифрового индикатора и соответствующие им неисправности Показания индикатора 1 2 Возможная неисправность Авария ПКПр. Авария ПКП, отсутствие сигнала в сторону аппаратуры группообразования 3 Авария ПЛКП 4 Авария ПЛКПр. Авария ПП 5 6 Неисправен ИВЭП (+5 В) 7 Неисправен ИВЭП (-5 В) 112 В секциях перемычек находятся выключатели S1 и S2 соответственно каждому комплекту стойки СОЛТ-О, а также по восемь перемычек: тактовой частоты (ТЧ), линейной частоты (ЛЧ), линейного сигнала (ЛС) и сигнала-ИКМ (ИКМ). Эти перемычки снимаются, когда производят измерения в нужной схеме. Функциональная схема стойки СОЛТ-О-1 приведена на рис. 1.6. Трехуровневый стыковой сигнал в коде HDB-3 по станционному кабелю от стойки СВВГ поступает на передающую часть оборудования (платы ПКПр., ПЛКП), которая преобразует цифровой сигнал вторичных ЦСП в линейный сигнал в коде 5В6В. Двухуровневый сигнал в коде 5В6В совместно с сигналом линейной частоты 10,138 МГц поступает на ПП. Одновременно на ПП от стойки телемеханики и служебной связи (СТМСС) поступает сервисный сигнал. ПП осуществляет спектральное объединение сервисного сигнала и линейного сигнала в коде 5В6В и преобразование объединенного сигнала в оптический сигнал для подачи его в линию. В направлении приема оптический сигнал поступает на ППр., где детектируется и разделяется на информационный и сервисный сигнал с дальнейшим формированием первого по амплитуде и временному положению и второго по амплитуде. С ППр. сервисный сигнал в уровнях ТТЛ (логическая “1” – 2,4–4,5; логический “0” – не более 0,4 В) подается на СТМСС, а информационный сигнал в коде 5В6В и выделенная линейная частота в уровнях ЭСЛ (логическая “1” – минус 0,8 В, логический “0” – минус 1,6 В) – на ПЛКПр. В приемной части оборудования (платы ПЛКПр., ПКП) происходит декодирование линейного сигнала 5В6В в двоичный сигнал и преобразование двоичного сигнала в стандартный стыковой сигнал второго порядка для передачи его к аппаратуре группообразования. Рис. 1.6. Функциональная схема стойки СОЛТ-О-1 Рассмотрим работу составных частей стойки. 113 Плата преобразователя кода приема Структурная схема платы преобразователя кода приема (ПКПр.) приведена на рис. 1.7. ПКПр. предназначена для преобразования сигнала вторичного стыка в коде HDB в двоичный сигнал со скоростью передачи 8,448 Мбит/с. В ПКПр. можно выделить основные функциональные узлы: o o o o o o согласующий делитель; корректирующий усилитель (КУ); декодер HDB-3; выделитель тактовой частоты (ВТЧ); схему контроля входного сигнала; схему формирования СИАС. Согласующий делитель обеспечивает совместную работу ПКПр. с различными типами стыков при установке соответствующих перемычек: 4-5, 6-8 – при приеме сигнала амплитудой 1 В на нагрузке 75 Ом; 4-5, 7-8 – при приеме сигнала амплитудой 2,4 В на нагрузке 75 Ом; 8-9 – при приеме сигнала амплитудой 3 В на нагрузке 150 Ом. Корректирующий усилитель осуществляет коррекцию и усиление стыкового сигнала, прошедшего через соединительную линию протяженностью до 600 м и состоит из двухкаскадного усилителя и схемы АРУ, предназначенной для коррекции амплитуды сигнала в зависимости от уровня сигнала на входе КУ. Рис. 1.7. Структурная схема платы преобразователя кода приема Декодер HDB-3 осуществляет преобразование трехуровневого сигнала в два бинарных сигнала, их синхронизацию тактовой частоте и стирание вставок при обнаружении нарушения чередования полярностей. ВТЧ предназначен для получения 114 сигнала тактовой частоты 8,448 МГц. Он состоит из порогового устройства (ПУ), полосового фильтра (ПФ) и дифференциальных усилителей-ограничителей (УО). Порог решения ПУ устанавливается на уровне 0,7 от амплитуды сигнала с целью получения максимальной мощности составляющей тактовой частоты. Полосовой фильтр выделяет необходимую частоту, которая затем поступает на УО, где происходит усиление сигнала до уровней ЭСЛ. Контроль входа осуществляется по отсутствию хотя бы одной полярности во входном сигнале, при этом на выходе схемы возникает сигнал Ав. вх. ПКПр. Схема формирования СИАС предназначена для подачи СИАС на выход ПКПр. по сигналу Ав. Вх. ПКПр., а также для подачи сигнала тактовой частоты на выход платы по сигналу Вкл. СИАС. Схема формирования СИАС состоит из генератора частоты 8,448 МГц и схемы блокировки, которая осуществляет блокирование сигналов ИКМ и тактовой частоты; установку на выходе “ИКМ” уровня логической “1” и подключение к выходу fт сигнала частотой 8,448 МГц, сформированного генератором по сигналу АВ. вх. ПКПр. Сигнал Ав. вых. ПКПр. формируется в случае отсутствия выхода тактовой частоты и выходного информационного сигнала при наличии сигнала на входе. Плата преобразователя линейного кода передачи Структурная схема платы преобразования линейного кода передачи (ПЛКП) приведена на рис. 1.8. Рис. 1.8. Структурная схема платы преобразователя линейного кода передачи Плата линейного кода передачи предназначена для преобразования информационного сигнала со скоростью передачи 8,448 Мбит/с в линейный сигнал – со скоростью 10,1376 Мбит/с и тактовой частоты информационного сигнала в тактовую частоту линейного сигнала. Также в схеме предусмотрен ввод калиброванных ошибок в 115 линейный сигнал. В ПЛКП можно выделить следующие функциональные узлы: делитель частоты; умножитель частоты; скремблер; последовательно-параллельный преобразователь; запоминающее устройство; кодирующее устройство; параллельнопоследовательный преобразователь; схему ввода ошибок; схему контроля выходного сигнала. Делитель предназначен для преобразования 8,448 МГц в блочную частоту 1,896 МГц. Умножитель предназначен для преобразования блочной частоты в тактовую частоту линейного сигнала 10,1376 Мгц. Он представляет собой фильтр, выделяющий составляющую тактовой частоты, и усилитель с возможностью подстройки фазы сигнала тактовой частоты. Скремблер предназначен для улучшения статистических характеристик сигнала и представляет собой самосинхронизирующийся пятиступенчатый скремблер, функциональная схема которого приведена на рис. 1.9. Рис. 1.9. Структурная схема скремблера Последовательно-параллельный преобразователь предназначен для преобразования последовательного кода в параллельный для дальнейшей разбивки на блоки. Запоминающее устройство предназначено для разбивки информационного сигнала на пятисимвольные блоки. На входы ЗУ подается параллельный код; перезапись информации на выходы производится с блочной частотой. Кодирующее устройство осуществляет преобразование пятисимвольных блоков в шестисимвольные в соответствии с алгоритмом кодирования. Параллельно-последовательный преобразователь предназначен для преобразования шестисимвольных блоков из параллельного кода в последовательный. Запись в него осуществляется с блочной частотой, а считывание – с линейной частотой. Схема ввода ошибок предназначена для ввода калиброванной ошибки в линейный сигнал. Схема представляет собой генератор двух частот; выбор частоты генерации производится установкой перемычек в разъемы “10-6” и “10-3”. Схема контроля выходного сигнала предназначена для контроля правильности работы ПЛКП. Она состоит из обнаружителя ошибок, расширителя импульсов и интегратора, а также схемы обнаружения пропадания выходного сигнала. Плата передачи Структурная схема платы передачи (ПП) приведена на рис. 1.10. 116 Рис. 1.10. Структурная схема платы передачи Плата передачи служит для электрооптического преобразования информационного и сервисного сигналов и обеспечения ввода оптического сигнала в оптический кабель. Информационный сигнал в формате NRZ и тактовая частота поступают на вход схемы преобразования формата, которая формирует из исходной последовательности последовательность в формате RZ. С устройства преобразования формата сигнал поступает на схему формирования импульсов тока накачки и на схему контроля входного сигнала. Схема формирования импульсов тока накачки излучателя позволяет регулировать амплитуду импульсов в пределах 30…150 мА. В качестве излучателя применяется полупроводниковый инжекционный гетеролазер ИЛПН-206-01, работающий на длине волны 1,3 мкм. Полупроводниковый лазер входит в состав передающего оптического модуля, в который также встроены фотодиод обратной связи и микроохладители ИЛПН-206-01, служащие для понижения рабочей температуры. В компараторе сравниваются напряжения, пропорциональные мощности излучения лазера, с опорным напряжением. Сигнал рассогласования с выхода компаратора интегрируется и служит для управления схемой регулировки тока смещения. Схема регулировки тока смещения служит для изменения тока смещения лазера с целью поддержания постоянной мощности импульсов излучения. Ток смещения регулируется в пределах 200 мА, что соответствует паспортному режиму излучателя. Схема контроля входа передачи состоит из усилителя напряжения, пикового детектора и управляемого им токового ключа. В случае пропадания сигнала в схеме формирования импульсов тока накачки сигнал в виде “1” ТТЛ поступает на выход ПП. Схема контроля работоспособности излучателя сравнивает напряжение, пропорциональное току смещения лазера с заданным опорным напряжением, соответствующим предельному режиму работы излучателя. При превышении током смещения лазера паспортного режима сигнал аварии излучателя в виде “1” ТТЛ поступает на выход ПП. Плата передачи обеспечивает возможность одновременной передачи информационного сигнала и сервисного сигнала (сигнала служебной связи и сигнала телемеханики). Передача сервисных сигналов осуществляется путем модуляции амплитуды оптических импульсов информационного сигнала. Для этой 117 цели в состав ПП введена схема модулятора сервисных сигналов, формирующего дополнительные импульсы тока накачки информационного сигнала. Плата передачи обеспечивает передачу сервисного сигнала в отсутствие информационного. Для этой цели служит схема коммутации. При подаче на вход “10-3” логической “1” в уровнях ТТЛ сервисный сигнал со схемы коммутации подается на вход схемы формирования импульсов тока накачки вместо информационного сигнала. Плата приема Структурная схема платы приема (ППр) приведена на рис.1.11. Плата приема предназначена: для преобразования линейного оптического сигнала в электрический; разделения по частоте информационного и сервисного сигналов; восстановления амплитуды и временных положений импульсов информационного сигнала, прошедшего регенерационный участок. o o o Рис. 1.11. Структурная схема платы приема На вход ППр. поступает модулированный оптический сигнал, который преобразуется лавинным фотодиодом в электрический. Регулируемый источник питания лавинного фотодиода поддерживает необходимый режим его работы при изменении мощности входного оптического сигнала и температуры окружающей среды. Усилитель фототока обеспечивает усиление сигнала с минимальным уровнем шумов. С помощью аттенюатора производится изменение коэффициента усиления тракта фотоприемного устройства (ФПУ) при воздействии сигнала АРУ. Последующий усилитель обеспечивает линейное усиление сигнала. Фильтр нижних частот служит для ограничения мощности шумов на выходе ФПУ. Оконечный усилитель обеспечивает линейное усиление сигнала и нагрузочную способность ФПУ. Цепь АРУ поддерживает постоянную амплитуду сигнала 118 на выходе ФПУ при изменении входного оптического сигнала в заданном динамическом диапазоне. Она состоит из пикового детектора и усилителя сигнала АРУ. Сигнал с усилителя АРУ поступает на аттенюатор АРУ и регулируемый источник питания ФД, при этом обеспечивается опережающее действие сигнала АРУ на напряжение питания ФД с целью компенсации изменения режима работы ФД вследствие колебаний температуры окружающей среды. Сигнал с выхода оконечного усилителя поступает в схему разделения информационного и сервисного сигналов. При этом высокочастотная часть спектра, в которой передаются информационные сигналы, поступает на решающее устройство и на выделитель тактовой частоты, а низкочастотная часть спектра, в которой передаются сервисные сигналы, – на усилитель сервисных сигналов. Усиленный сигнал телемеханики и служебной связи поступает на стойку СТМСС. Плата преобразователя линейного кода приема Структурная схема платы преобразователя линейного кода приема (ПЛКПр.) приведена на рис. 1.12. Рис. 1.12. Структурная схема платы преобразователя линейного кода приема Плата ПЛКПр. предназначена для преобразования линейного сигнала в коде 5В6В со скоростью передачи 10,1376 Мбит/с в информационный сигнал со скоростью передачи 8,448 Мбит/с и тактовой частоты линейного сигнала в тактовую частоту информационного сигнала. В плате ПЛКПр. можно выделить следующие функциональные узлы: делитель частоты; умножитель частоты; последовательнопараллельный преобразователь; запоминающее устройство; декодирующее устройство; параллельно-последовательный преобразователь; дескремблер; устройство 119 синхронизации. Делитель предназначен для преобразования тактовой частоты линейного сигнала 10,1376 МГц в блочную частоту 1,6896 МГц. При этом предусмотрена возможность сдвига на один такт импульса блочной частоты по сигналу из схемы синхронизации. Умножитель предназначен для преобразования блочной частоты в тактовую частоту информационного сигнала 8,448 МГц. Последовательно-параллельный преобразователь служит для преобразования последовательного кода в параллельный с целью последующей разбивки на блоки. Запоминающее устройство предназначено для разбивки линейного сигнала на шестисимвольные блоки. При этом на его входы подается параллельный код; перезапись информации на выходы производится с блочной частотой. Декодирующее устройство служит для преобразования шестисимвольных блоков в пятисимвольные в соответствии с таблицей кодирования. Параллельно-последовательный преобразователь предназначен для преобразования пятисимвольных блоков из параллельного кода в последовательный. Запись в него осуществляется с блочной частотой, а считывание – с тактовой частотой. Дескремблер предназначен для восстановления исходного сигнала, подвергнутого на передаче скремблированию. На выходе дескремблер имеет информационный сигнал. Рассмотрим более подробно работу устройства синхронизации, структурная схема которого представлена на рис. 1.13. Линейный сигнал в коде 5В6В поступает на вход регистра сдвига, выходы которого соединены через блок буферной памяти с входами регистратора сбоев синхронизации для обнаружения их единичных сбоев. При отсутствии блочной синхронизации, то есть неправильном разделении входного сигнала на блоки, регистратор сбоев синхронизации будет выдавать на вход формирователя режима счета импульсы единичных сбоев синхронизации. Формирователь импульса сдвига, обнаружив, что реверсивный счетчик заполнен, за время интервала анализа дает запрет на один такт на делитель частоты, сдвинув при этом блочную синхронизацию на один такт. Сдвиг на один такт блочной синхронизации будет продолжаться до тех пор, пока не найдется ее истинное положение. Рис. 1.13. Структурная схема устройства синхронизации 120 Ошибка в линейном сигнале приводит к появлению импульса не только с обнаружителя ошибок, но и с регистратора сбоев синхронизации. Вычитание единицы из состояния реверсивного счетчика происходит в том случае, если сначала через блок фазирования приходит импульс с обнаружителя ошибок. Затем на его вход приходит импульс единичного сбоя синхронизации с регистра сбоев, что приводит к записи единицы в счетчик. То же самое произойдет, если импульс единичного сбоя синхронизации приходит раньше импульса ошибки. Если импульсы ошибки и сбоя синхронизации отсутствуют, или приходят одновременно, реверсивный счетчик находится в режиме хранения информации. Таким образом происходит компенсация импульса ложного сбоя синхронизации импульсом ошибки вне зависимости от их временного расположения, что повышает помехозащищенность устройства синхронизации от ошибок в линейном сигнале. Плата преобразователя кода передачи Структурная схема платы преобразователя кода передачи (ПКП) приведена на рис. 1.14. Плата преобразователя кода передачи предназначена для преобразования ИКМ сигнала со скоростью 8,448 Мбит/с в сигнал вторичного стыка со стандартными параметрами. В плате преобразователя кода можно выделить следующие основные функциональные узлы: кодер HDB-3; выходной каскад; схему отсутствия выходного сигнала. Рис. 1.14. Структурная схема платы преобразователя кода передачи В кодере осуществляется формирование стыкового сигнала в соответствии с алгоритмом кода HDB-3. Выходной каскад предназначен для формирования трехуровневого сигнала из двух последовательностей бинарных импульсов. 121 Приложение 2 Рис. П.2.1. Возможные интерфейсы синхронного мультиплексора. Сигналы, передаваемые в сетях SONET. SDH/ Рис. П.2.2. Перечень стандартов МСЭ-Т для сетей, применяющих PDH, SDH, ATM технологии. 122 1. Гордиенко В.Н. Многоканальные телекоммуникационные системы [Электронный ресурс]: учебник для вузов/ Гордиенко В.Н., Тверецкий М.С.— Электрон. текстовые данные.— М.: Горячая линия - Телеком, 2013.— 396 c.— Режим доступа: http://www.iprbookshop.ru/37189 2. Крухмалев В.В. Цифровые системы передачи [Электронный ресурс]: учебное пособие/ Крухмалев В.В., Гордиенко В.Н., Моченов А.Д.— Электрон. текстовые данные.— М.: Горячая линия - Телеком, 2012.— 376 c.— Режим доступа: http://www.iprbookshop.ru/12065. 3. http://www.cnews.ru/articles/volokonnoopticheskie_svetovody_i_datchiki 4. НОУ SDH/SONET. «ИНТУИТ». Семенов Ю.А. (ИТЭФ-МФТИ). Синхронные каналы 5. Е.М.Дианов, "Квантовая электроника", 30, N 8 (2000), С. 659—663. 6. http://centroset.hostenko.com/uslugi/volokonno-opticheskie-linii-svyazi/ 7. http://www.cpb-ltd.ru/otras2/struct.htm 8.http://edu.dvgups.ru/ 123