Dynamické přidělování kapacity pro Ethernet v síti SDH

Přenosové sítě SDH dnes běžně přenášejí rámce mezi rozhraními Ethernet. Pro efektivní využití sítě SDH bylo zavedeno zřetězení virtuálních kontejnerů a protokol LCAS pro jejich přidělování podle potřeby. Vedle obecných principů je představen čip realizující funkce uzlu Ethernet over SDH.

---

Ethernet over SDH and dynamic capacity adjustment

Abstract

Today SDH transmission networks commonly transmit frames between Ethernet interfaces. Concatenation of virtual containers and protocol LCAS, to assign them if necessary, were introduced to effectively use the SDH network. According to general principle a chip, which realizes function of node Ethernet over SDH, is presented.

---

Již články Sítě SDH a Ethernet a Poskytování různorodých služeb přes sítě SDH pojednávaly o aktuálních trendech v oblasti přenosových sítí. V následujících odstavcích se podíváme na realizaci přenosu rámců Ethernet poněkud podrobněji.

Úvod do SDH

Základní stupeň hierarchie SDH je tvořen signálem s přenosovou rychlostí 155,52 Mbit/s s rámcovou strukturou označovanou jako synchronní transportní modul STM-1. Na něj navazují signály vyšších řádů STM-N vytvářené bajtovým multiplexováním synchronních signálů SDH nižších řádů. Aby byla zachována návaznost na PDH a bylo možné přenášet i jiné druhy signálů, byla vybudována poměrně komplikovaná vnitřní multiplexní struktura.

Základní rámec vytvořený při zpracovávání příspěvkového signálu se označuje jako kontejner C. Přidáním služebních bajtů záhlaví cesty POH (Path Overhead) se vytvoří virtuální kontejner VC. Záhlaví cesty POH slouží k zabezpečení a kontrole přenosu virtuálního kontejneru VC sítí SDH a provází virtuální kontejner VC od jeho sestavení až po rozebrání.

Dále se vytváří tzv. příspěvková jednotka TU (Tributary Unit). Jedna nebo několik časově sdružených příspěvkových jednotek TU se označuje jako skupina příspěvkových jednotek TUG (Tributary Unit Group). Časovým sdružením TUG se vytváří tzv. administrativní jednotka AUG-1 a doplněním záhlaví sekcí SOH (Section Overhead) se vytvoří rámec synchronního přepravního modulu STM-1. Podrobněji je popsána struktura rámců a postup multiplexování např. v [1].

Ethernet over SDH

Rozhraními STM-N jsou v dnešních sítích vybaveny páteřní přepínače ATM a IP směrovače. Síť SDH musí zajistit transparentní přenos informačního pole souvisle obsazeného buňkami ATM či IP pakety. Proto bylo zavedeno tzv. řetězení (Concatenation) virtuálních kontejnerů. Zřetězení tedy umožňuje přenos rychlejších signálů než VC-4 a také přenos signálů s jinými rychlostmi, než nabízejí typizované kontejnery, ovšem pouze v jejich celistvých násobcích.

Zřetězený kontejner se obecně označuje VC-n-Xc, kde n je řád kontejneru, X počet zřetězených kontejnerů a c znamená Contiguous (souvislé zřetězení). Vedle souvislého zřetězení se užívá tzv. virtuální řetězení (Virtual Concatenation - zkratka VCAT). Každý ze zřetězených kontejnerů putuje sítí relativně nezávisle na ostatních, aby se nakonec opět spojil s ostatními.

Pro správné sestavení datových polí ze zřetězených kontejnerů na přijímací straně, a to i při rozdílech ve zpoždění při přenosu (max. 256 ms), je nutné jejich číslování. Indikátor MFI (Multiframe Indicator) určuje pořadí rámců VC v časovém sledu, indikátor SQI (Sequence Indicator) určuje posloupnost VC ve zřetězení od 0 do X-1, kde X je počet zřetězených virtuálních kontejnerů. Na přijímací straně tak jsou vždy poskládána datová pole virtuálních kontejnerů se stejným MFI=Y v pořadí SQI=0 až SQI=X‑1, pak následují virtuální kontejnery s MFI=Y+1 opět v pořadí SQI=0 až SQI=X‑1 atd.

Za tím účelem se vytváří pro virtuální kontejnery vyššího řádu (HO VCAT) dvoustupňový multirámec 16x256 VC-4 (příp. VC-3) o délce 512 ms a pro přenos SQI a MFI se využívá byte záhlaví cesty (POH) H4. Pro indikátor SQI je vyhrazeno 8 bitů, maximálně tak lze vytvořit zřetězení VC-4-256v. Pro virtuální kontejnery nižšího řádu (LO VCAT) se vytváří dvoustupňové multirámce 4x32, které jsou počítané pomocí MFI od 0 do 31 (vyhrazeno 5 bitů z 32). Využit je druhý bit bajtu K4 záhlaví cesty (POH). Pro indikátor SQI je v tomto případě vyhrazeno 6 bitů, maximálně tak lze vytvořit zřetězení VC‑12-64v.

Dynamické přidělování kapacity

Kvalitativním posunem ve vývoji přenosových sítí je zavedení koncepce dynamického přidělování kapacity. Vychází z požadavku pružného přidělování prostředků sítě v prostředí ATM, IP a Ethernet, kde dimenzování sítě volbou určitého virtuálního kontejneru či zřetězených virtuálních kontejnerů na určité provozní zatížení vede při přechodném nižším vytížení k neekonomickému využití přenosové sítě.

Podmínkou pro aplikace dynamického přidělování kapacity je podpora virtuálního zřetězení (VCAT). Standardizace zavedla protokol LCAS (Link Capacity Adjustment Scheme) v doporučení ITU-T G.7042/Y.1305. Jedná se o pomocný protokol druhé vrstvy, který je určen k dynamickému přizpůsobování přenosové rychlosti za provozu podle požadavků vyšších vrstev a podle volné kapacity sítě. Ke zvyšování přenosové rychlosti dochází po skocích díky virtuálnímu zřetězení datových jednotek. U SDH se zřetězují virtuální kontejnery VC, konkrétně pomocí VC-12 získáme propustnost sítě v násobcích přibližně 2,2 Mbit/s, pomocí VC-3 v násobcích přibližně 48 Mbit/s a pomocí VC-4 v násobcích 150 Mbit/s.

Protokol LCAS zajišťuje spolupráci spojové a fyzické vrstvy. Při požadavku na zvýšení přenosové rychlosti se nejprve zjistí, zda je volná příslušná datová jednotka. Pokud ano, přidá se do virtuálního zřetězení plynule bez přerušení datového provozu. V případě požadavku na snížení přenosové rychlosti se příslušná datová jednotka opět odebere bez přerušení datového spoje. LCAS lze využít i jako záložní mechanismus. Virtuální kontejnery, které jsou součástí zřetězení, lze vést různou cestou (např. opačnými stranami v kruhové topologii sítě). Při výpadku jedné cesty nepřicházíme o celý provoz, ale jen o část přenosové kapacity.

K přenosu zpráv CTRL (Control) protokolu LCAS se využívají pro řízení v dopředném směru 4 bity (plus jejich zabezpečení proti chybám) a ve zpětném směru zpráva MST (Member Status Field, MST=OK nebo FAIL). Řídicí slova CTRL nohou nabývat těchto významů:

• FIXED – neměnné kapacita, LCAS vypnuto
• ADD – návěští přidání VC do VCAT
• NORM – klidový stav
• IDLE – indikuje volný VC
• EOS – indikace posledního VC ve VCAT
• DNU – nepoužívat pro přenos (porušený VC)

Následující tabulky přibližují posloupnost předávání zpráv při přidání a naopak odebrání virtuálního kontejneru ve zřetězení (SQI=63 pro zprávu IDLE odpovídá VC-12, pro VC-3 a VC-4 se nastavuje na maximální hodnotu SQI=255).

Tab. 1 Přidání VC do zřetězení

LCAS	1. VC			2. VC			nový VC
	CTRL	SQI	MST	CTRL	SQI	MST	CTRL	SQI	MST
Klidový stav - 2x VC ve zřetězení	NORM	0	OK	EOS	1	OK	IDLE	63	FAIL
Požadavek na přidání dalšího VC	NORM	0	OK	EOS	1	OK	ADD	2	FAIL
Potvrzení kontinuity	NORM	0	OK	EOS	1	OK	ADD	2	OK
Klidový stav - 3x VC ve zřetězení	NORM	0	OK	NORM	1	OK	EOS	2	OK

Tab. 2 Odebrání VC ze zřetězení

LCAS	1. VC			2. VC			odebíraný 3. VC
	CTRL	SQI	MST	CTRL	SQI	MST	CTRL	SQI	MST
Klidový stav - 3x VC ve zřetězení	NORM	0	OK	NORM	1	OK	EOS	2	OK
Odebrání VC	NORM	0	OK	EOS	1	OK	IDLE	63	OK
Potvrzení kontinuity	NORM	0	OK	EOS	1	OK	IDLE	63	FAIL

Tab. 3 Odebrání porušeného VC ze zřetězení

LCAS	1. VC			odebíraný 2. VC			3. VC
	CTRL	SQI	MST	CTRL	SQI	MST	CTRL	SQI	MST
Klidový stav - 3x VC ve zřetězení	NORM	0	OK	NORM	1	OK	EOS	2	OK
Odebrání VC	NORM	0	OK	NORM	1	FAIL	EOS	2	OK
Potvrzení kontinuity	NORM	0	OK	DNU	2	FAIL	EOS	1	OK

Protokol GFP

Pro mapování rámců Ethernet do kontejnerů SDH byl standardizován protokol LAPS (Link access procedure) v doporučení ITU-T X.86/Y.1323 aplikující strukturu rámce HDLC. Vývoj dále směřoval k protokolu GFP (Generic Framing Procedure) podle doporučení ITU-T G.7041/Y.1303, který se přednostně začal používat pro SDH a je standardizován i pro OTH.

Uživatelský rámec GFP může mít délku až 65 539 bajtů. Základní záhlaví (Core Header) obsahuje indikátor délky rámce PLI (PDU Length Indicator) a jeho zabezpečení cHEC (Core Header Error Check). Základní záhlaví slouží také k zajištění rámcového souběhu, podobně jako u ATM buněk.

Pro zajištění odolnosti proti narušení rámcového souběhu se provádí skramblování informačního pole a jeho záhlaví pomocí generujícího polynomu 1+x⁴³. Neskrambluje se pouze základní záhlaví, tj. první 4 bajty rámce. K zabezpečení informace s možností opravy jednotlivé bitové chyby v záhlaví se používá pole cHEC a metoda cyklického kódu (CRC-16) s generujícím polynomem G(x) = x¹⁶ + x¹² + x⁵ + 1.

Další záhlaví o délce 4 až 64 bajtů je přiřazeno přímo k informačnímu poli. Povinné jsou 2 bajty pro indikaci typu přenášené uživatelské informace (Type) a jejich zabezpečení tHEC rovněž ve 2 bajtech. Pole Type informuje také o použití nepovinného rozšířeného záhlaví (Ext.) a nepovinného zabezpečení informačního pole (FCS). Rozšířené záhlaví o délce až 60 bajtů včetně vlastního zabezpečení (eHEC) může v případě potřeby přenášet identifikátor virtuální cesty, zdrojovou a cílovou adresu, číslo portu, třídu služby apod.

Příklad přenosu rámce Ethernet pomocí GFP ukazuje obr. 1. Je patrné, že záhlaví GFP rámce je dlouhé 8 bajtů stejně jako preambule a startovací bajt rámce Ethernet, které se vypouštějí před uložením do informačního pole rámce GFP. Nepoužije se rozšířené záhlaví a další zabezpečení FCS, protože Ethernet rámec již obsahuje cílovou adresu DA (Destination Adress), zdrojovou adresu SA (Source Adress) a také svou zabezpečovací skupinu FCS, která se přebírá do informačního pole GFP. Je tak zaručena přenosová rychlost nesnížená přidaným záhlavím. Efektivita přenosu se zvyšuje také tím, že jsou odstraňovány prázdné Ethernet rámce.

Obr. 1 Mapování rámce Ethernet na rámce GFP

Realizace uzlu Ethernet over SDH na jednom čipu

Multiplexní schéma na obr. 2 je zjednodušeným schématem upraveným pro potřeby přenosu Ethernet over SDH.

Obr. 2 Multiplexování toků E1 a Ethernet

Jsou naznačeny 4 porty E1, z nichž se signál začleňuje do rámce STM-1 prostřednictvím virtuálního kontejneru VC-12. Signály z portů Ethernet se mapují buď do C-12 nebo C-3, přičemž podle kapacitních požadavků se vytvářejí virtuálně zřetězené skupiny VCG v požadovaném počtu VC-12 nebo VC-3. Multiplxování jednotlivých VC probíhá standardně přes TUG-2 a TUG-3 do VC‑4. Typicky se pro kompatibilitu s nejběžnějšími rychlostmi rozhraní Ethernet setkáváme se zřetězením následujících virtuálních kontejnerů: 5xVC-12 pro rychlost 10 Mbit/s s označením VC-12-5v, 2xVC-3 pro rychlost 100 Mbit/ s označením VC-3-2v.

Pro praktickou realizaci uzlu SDH lze dnes využít moderních integrovaných obvodů, které sdružují veškeré potřebné funkce na jednom čipu. Jako příklad je uveden obvod MicroNode kanadské firmy Galazar Networks [2].

Obr. 3 Blokové schéma integrovaného obvodu Galazar Networks – MicroNode [2]

Obvod obsahuje funkce pro zpracování signálu ze 4 rozhraní Etherenet s podporou protokolu GFP, virtuálního zřetězení VCAT a dynamickým přidělováním kapacity LCAS. Dále obsahuje 4 rozhraní E1 a je též vyvedena sběrnice (Telecom Bus) pro případné připojení externích mapovacích obvodů ke zpracování dalších typů signálů (např. E3). Obvod obsahuje digitální přepojovač (Cross-connect) na úrovni cest nižšího (LO) i vyššího (HO) řádu. Linková rozhraní STM-1 jsou dvě (LTE A a B), takže lze vytvářet zálohované spoje z koncových muldexů (TM), nebo nezávislé přenosové trakty pro vydělovací muldexy (ADM). Linková rozhraní jsou vybavena funkcí vydělení taktu a regenerace signálu (CDR). Takt se soustřeďuje v synchronizační jednotce (CSU), která potřebuje pro svou funkci externí krystalový oscilátor. Dalšími nutnými externími obvody jsou paměti pro vyrovnávací registry rozhraní Ethernet i vyrovnání zpoždění při podpoře LCAS a dále mikroprocesor pro řízení a inicializaci obvodu.

Blokové schéma kompaktního SDH zařízení s optickými rozhraními je uvedeno na následujícím obrázku. K realizaci elektricko-optického i inverzního převodu slouží moduly SFP (Small Form-Factor Pluggable Optics). K realizaci rozhraní E1 je třeba připojit externí obvody LIU (Line Interface Unit) a také pro Ethernet obvody fyzického rozhraní (PHY).

Obr. 4 Blokové schéma zařízení s obvodem MicroNode

Tak je možno realizovat spoje s kaskádami přenosových traktů a s vydělovací funkcí v mezilehlých uzlech (ADM), příp. i kruhové sítě s možností zálohování metodou ochrany SNCP. Požadavky na přenos lze uskutečňovat v širokém rozsahu, např. lze dosáhnout plné propustnosti na rozhraní Ethernet 100 Mbit/s, propustnosti 10 Mbit/s na dalších třech rozhraních Ethernet a ještě přenést 4 toky E1 s rychlostí 2 Mbit/s.

Pokud by bylo nutné přenášet více nezávislých toků, lze použít jiný obvod od Galazar Networks s označením RadioNode [3]. Disponuje 8 porty Ethernet, 28 porty E1 a 3 porty E3. Neumožňuje ale přepojování časových poloh a je tak vhodný pro koncové muldexy nebo pro kruhové sítě s vyhrazenými časovými polohami v celé síti.

Závěr

V dnešních sítích se často vyskytuje požadavek současného přenosu různých typů signálů, zejména toku E1 s rychlostí 2,048 Mbit/s a Ethernet s rychlostmi od 10 do 100 Mbit/s i vyššími. Jedno z možných řešení nabízí klasická technologie přenosových sítí SDH, doplněná o protokol GFP, virtuální zřetězení a protokol LCAS pro dynamické přidělování kapacity sítě. Výhodou je široká podpora počtu a typů rozhraní, včetně vzájemně nezávislých rozhraní Ethernet. Nevýhodou je poměrně velká režie spojená s množstvím služebních kanálů v záhlavích, což na druhé straně umožňuje pokročilé sledování výkonnosti přenosu a další funkce.

Článek vznikl za podpory ministerstva průmyslu a obchodu v rámci projektu č. FI-IM/145 - Výzkum a vývoj vysokorychlostních mikrovlnných spojů.

Literatura

[1] Vodrážka, J. - Havlan, M.: Přenosové systémy 2. 2. vyd. Praha: Vydavatelství ČVUT, 2004. 175 s. ISBN 80-01-03048-2.
[2] Galazar Network Product - MicroNode – on-line (3.11.2006): http://www.galazar.com/products/micronode_device.html
[3] Galazar Network Product - RadioNode – on-line (3.11.2006): http://www.galazar.com/products/radioNode_device.html