Pdh Sonet Sdh

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PDH Sonet/SDH

SONET/SDH L’attuale infrastruttura della rete telefonica, su cui vengono sovente veicolati i canali di altre tipologie di reti, è in larga misura basata sulle gerarchie sincrone, evoluzioni delle gerarchie plesiocrone (PDH − Plesiochronous Digital Hierarchy): • SONET − Synchronous Optical NETwork (segnali ottici multipli della velocità base di segnale di 51.84 Mbit/s) • SDH − Synchronous Digital Hierarchy (equivalente europeo ed internazionale di SONET) • STS − Synchronous Transport Signal (standard corrispondente per i segnali elettrici) La topologia è sovente ad anelli per motivi di affidabilità.

Plesiochronous Digital Hierarchy Prima dell’introduzione di SONET/SDH, Plesiouchonous Digital Hierarchy (PDH) era lo standard per reti telefoniche digitali

§

Espressamente pensata per il trasferimento di canali vocali digitali a 64Kb/s

§

NON si usa Store- and-Forward: occorre una stretta sincronizzazione t r a TX e RX. Tale esigenza è soddisfatta con un sistema quasi- sincrono ( plesiosynchronous)

§

Standard diversi i n U S A / Europa/Giappone

§

Complessità di interfacciamento

T-1 carrier system: standard americano CH1 CH2 . . . CH23 CH24

•24- canali vocali sono campionati, quantizzati e codificati in un canale TDM PCM •Canale di segnalazione di 1 bit •Un carrierT -1 ha quindi una velocità di (24*8+1)*8000=1.544Mb/s MUX

CH1 CH2

CH3

...

CH22 CH23 CH24

frame Campione

x x x x x x x x MSB

LSB

Un campione ogni 125µsec Una trama ogni 125µsec Posso multiplare più trame in canali di velocità superiore

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PDH Sonet/SDH

T- and DS- hierarchy CH1

CH2

CH3

...

CH22 CH23 CH24

DS1 DS1 DS1 DS1

64 × 24 = 1.544 Mb/s T1 Frame trasmessi in un canale DS1

DS2 DS2 DS2 DS2 DS2 DS2 DS2

4 DS1 = 1 DS2 4 × 1.544 = 6.312 Mb/s

DS3 DS3 DS3 DS3 DS3 DS3

7 DS2 = 1 DS3 7 × 6.312 = 44.736 Mb/s

E’ difficile identificare un singolo canale dentro uno stream: ogni volta occorre demultiplare tutti i livelli per estrarre/inserire altri canali

E’ difficile mantenere due canali in perfetta sincronia: si usa un bit stuffing per avere un sistema quasi sincrono

6 DS3 = 1 DS4 6 × 44.736 = 274.176 Mb/s

DS4

Gerarchie T- ed E-

Livello

America

Europe

(T-)

(E-)

Japan

0

0.064 Mb/s

0.064 Mb/s

0.064 Mb/s

1

1.544 Mb/s

2.048 Mb/s

1.544 Mb/s

2

6.312 Mb/s

8.488 Mb/s

6.312 Mb/s

3

44.736 Mb/s

34.368 Mb/s

32.064 Mb/s

4

274.176 Mb/s

139.264 Mb/s

97.928 Mb/s

PDH Sistema di trasmissione digitale (T -carrier, E- carrier) che multipla flussi di velocità più bassa in flussi a velocità maggiore Ogni apparato ha un suo orologio (non c ’ è sincronizzazione globale) Orologi locali hanno derive che portano a errori di sincronizzazione Problemarisolto avendo la possibilità di inserire e rimuovere bit di riempimento (bit-stuffing)

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PDH Sonet/SDH

PDH - Sincronizzazione Trama 1

2

3

Sorgente

Bit Stuffing

1

2

Nodo

1

2

Dest

Nodo più veloce

PDH - Sincronizzazione • Per risolvere il problema si adotta il meccanismo del Positive Stuffing:

§ §

I dati vengono scritti in un buffer temporaneo Tale buffer viene letto a velocità superiore per trasmettere sul canale (a bitrate maggiore)

§

Ogni volta che il buffer si sta per svuotare, inibisco la trasmissione di dati, che vengono sostituiti da bit di riempimento

§

Segnalo al ricevitore la presenza di bit di stuffing tramite un canale di segnalazione punto-punto ricavato in TDM.

• Si usa quindi una trama trasmissiva diversa da quella logica PCM. Complica le funzionalità di mux/demux.

Problematiche di PDH Mancanza di flessibilità: è impossibile identificare un flusso a velocità più bassa in un aggregato superiore Mancanza di efficienza:

§

Non esistono standard per il monitoring delle prestazioni del canale

§

Non c’è un canale di management

Mancanza di “ m i d-fiber meet”

§

Non esiste standard a livello fisico – ogni produttore ha suo standard (NNI non standard)

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PDH Sonet/SDH

Da PDH a SONET/SDH SONET: Synchronous Optical Network: sistema di trasmissione e multiplazione in America SDH: Synchronous Digital Hierarchy: sistema di trasmissione e multiplazione in Europa e Giappone Standardizzazione di SONET e SDH avvenuta alla fine degli anni 80 I gestori di rete realizzarono che

§

Il sistema PDH non era scalabile abbastanza per supportare le aspettative di crescita di traffico

§

Le tecnologie ottiche iniziano a essere appetibili, e incomincia no a capirsi le loro potenzialità

§

I sistemi di trasmissione ottica, tutti proprietari, non possono interoperare tra loro

Che cosa è SONET/SDH Insieme di Raccomandazioni ITU-T (le prime sono del 1989) che coprono:

§

la definizione di una gerarchia di multiplazione molto strutturata

§

la definizione di tecniche di gestione di rete e di protezione dai guasti

§

le modalità di interfacciamento verso il mezzo fisico (fibre e componenti ottici)

§

la definizione di interfacce verso altri protocolli che possono lavorare sopra SONET/SDH

Obiettivi di SONET/SDH I principali obbiettivi degli standard sono:

§

Affidabilità della rete, compatibile con i requisiti di carrier nazionali e internazionali (99.999% - five nines - availability)

§ §

Interoperabilità tra apparati di diversi costruttori Flessibilità dei formati per supportare diverse architetture di rete e possibili migrazioni

§

Articolate funzioni di controllo e monitoraggio (monitoring ) delle prestazioni e del traffico (recupero di guasti singoli in 50 ms)

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Gerarchia SONET/SDH OC level

STS level

SDH level

Mbit /s

STS -1

51.84

OC -3

STS -3

STM-1

155.52

OC -12

STS -12

STM-4

622.08

OC -24

STS -24

STM-8

1244.16 2488.32

OC -1

OC -48

STS -48

STM-16

OC -192

STS -192

STM-64

9953.28

OC -768

STS -768

STM-2 5 6

39813.12

OC -3072

STS -3072

STM-1024

159252.48

Stratificazione SONET/SDH Path layer (simile al livello 3 - Network - di OSI)

§ §

Responsabile di connessioni e n d-t o-end Controlla e gestisce lo stato delle connessioni

Line Layer

§ §

Multiplazione di più connessioni di path-layer tra due nodi Protezione e recupero guasti

Section Layer

§

Definisce lungo la tratta le operazioni svolte dai rigeneratori e tra i rigeneratori

§

I livelli Line e Section in SONET corrispondono al livello 2 (Data Link) OSI

Physical Layer (identico al livello 1 OSI)

§

Definisce come i bit vengono trasmessi sulle fibre

Stratificazione SONET/SDH standard ITU-T G.78x path layer line layer

path layer connessione

line layer

line layer

section layer

section layer

section layer

section layer

physical layer

physical layer

physical layer

physical layer

ADM SDH

terminale SDH

terminale SDH

rigeneratore add/drop mux

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PDH Sonet/SDH

SONET Physical Layer Il livello fisico SONET è completamente di tipo ottico Le più importanti raccomandazioni sono: § ITU-T G.957: Optical interfaces for equipments and systems relating to the synchronous digital hierarchy § Single span, single channel link without optical amplifiers § ITU-T G.691: Optical interfaces for single-channel STM -64, STM-256 and other SDH systems with optical amplifiers § Single channel, single or multi span, optically amplified links at 622 Mbit/s, 2.5 Gbit/s, 10 Gbit/s § ITU-T G.692: Optical interfaces for multichannel systems with optical amplifiers § Multi channel, single or multi span, optically amplified § Definition of the ITU frequency grid Le raccomandazioni coprono diversi tipi di canali, da very short-haul interoffice links fino a ultra -long haul, WDM backbone links § Tutti i parametri di trasmettitori e ricevitori sono completamente specificati

Framing SONET SONET/SDH trasmettono un sequenza continua di bit ad una certa velocità La multiplazione dei diversi flussi di informazione è ottenuta con un complesso schema a divisione di tempo (TDM)

§

Anche se complessa, l’architettura di multiplazione è stata progettata in modo da consentire efficienti implementazioni VLSI

Una trama (frame) SONET è una sequenza organizzata di bit

§

Per un certo livello di multiplazione, ogni flusso tributario di ingresso diventa un Synchronous Payload Envelope (SPE)

§

Un insieme di bit, chiamato Path Overhead, viene aggiunto al SPE, realizzando funzioni di controllo, di monitoring , ecc.

§

SPE + Path Overhead formano un Virtual Tributary (VT)

Struttura delle trama STS-1

1

2

3

1 frame = 810 Byte in 125 µs 4

5

6

7

8

9

STS-1

OC-1 rappresentazione in righe e colonne 0 µs (1st bit)

3 Bytes

3 rows

SOH

6 rows

LOH

87 Bytes

Path Overhead: resta con il payload finchènon viene demultiplata

SPE

9 rows

Transport Overhead

125 µs (last bit)

Payload

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Struttura delle trama STS-1 3 Bytes

87 Bytes

SOH

Frame #1 LOH

SPE

SPE

SOH

Frame #2 LOH

SPE

SP

SOH

Frame #3 LOH

SPE

SPE

SOH

SPE dallatrama precedente può estendersi attraverso frontiere di trama)

810 Bytes/trama 8 bit/ campione 810 campioni/trama o 9x90 Bytes/ trama 8000 trame/secondo 8 bit/Byte o 51,840 Mb/s

Multiplazione di ordine superiore STS-1 #1

STS-1 #2

STS-1 #3

9

Byte interleaver

MUX 3x3

3x87

9

Virtual Tributary (VT) I VT sono posizionati nelle trame con puntatori contenuti nei bit di overhead della trama

§

Un puntatore dice quale è la posizione di inizio di un dato VT all’interno della trama

Pointer

Pointer

La struttura è ricorsiva: un VT può contenere diversi VT più piccoli

VT

VT VT

Questo approccio consente di multiplare flussi a velocità anche molto differenti in una trama molto b e n strutturata

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Gerarchia SONET Un esempio di multiplazione S O N E T

§

SONET è stato sviluppato per essere compatibile con il trasporto di formati diversi, quali ad esempio ATM (Asynchronous Transfer Mode) Ogni VT group porta un solo tipo di VT e occupa 12 colonne del SPE

x4

DS1 (1.544 Mb/s)

VT1.5

FlussiPDH a

E1 (2.048 Mb/s)

VT2

velocità inferiore

DSIC (3.152 Mb/s)

VT3

DS2 (6.3122 Mb/s)

VT6

x3 x2

VT group Si possono combinare VT group diversiin uno stesso SPE STS-1

x1 x7

DS3 (44.736 Mb/s) ATM (48.384 Mb/s)

SPE STS-1

STS-1

SPE STS-3c

STS-3c

xN STS-N

E4 (139.264 Mb/s) ATM (149.760 Mb/s)

xN/3

Byte interleaved multiplexing

SONET Overheads Path Line Section Path Terminating Element

Regenerator

Section overhead

Line overhead

Transport Overhead

Line Section

Path overhead

Section Digital Crossconnect o Add/Drop Multiplexer

Section Regenerator

Path Terminating Element

Differenti tipi di overhead § Sezione: usatoper la comunicazionetra due apparati adiacenti § Linea: per segnalazione di STS -N tramultiplatori § Path: end-to-end, aggiunto al flusso SPE quando viene mappato in un VT Funzioni differenti § Multiplazione § Gestione e mantenimento § Allocazione di canali

Intestazioni (overheads) SONET Section Overhead:

§

Usato, elaborato e generato da Section Terminal Equipments (STE)

§ §

Monitoraggio delle prestazioni sulla trama

§

Framing

Canale di comunicazione dati per operation, administration and maintenance (OAM)

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SONET overhead - SOH

A1 A2

framing bytes— Indicanol’iniziodi u n a trama STS -1. Usati per sincronizzazione.

J0

section trace (J0)/section growth (Z0)—Questi byte, presenti i n ogni N STS -1 in un flusso N- STS sono usatii o come section trace byte ( nel primo STS –1 del STS–N), o come section growth byte ( dal secondo fino all’ultimoSTS –1s).

B1

section bit -interleaved parity code (BIP– 8) byte— Codice a controllo di parità (even parity), usato per rilevareerrori di trasmissione s u una s e z i o n e. E’ definito su tutti i bit della tramaSTS -N precedente dopo l’operazione di scrambling e quindi inserito in B1 prima delloscrambling.

E1

section orderwireb y t e—Fornisce un c a n a l e vocale a 64Kbit/s per la comunicazione di operatori .

F1

section user channel byte— Non definito il s u o scopo. P u ò essere letto e scritto da ogni apparato di sezione .

D1, D2, D3

section data communications channel (DCC) bytes— Insieme formano un c a n a l e a 192Kbit/s usato per messaggi di OAM&P tra i due apparati di sezione. I l canale è usato per segnali, controllo, monitoraggio, gestionee altri tipi di segnalazione. E’ possibile avere messaggi generati dagli apparati, manualmente, oppurespecificati da formato proprietario del costruttore.

Overheads SONET Line Overhead:

§ § § § § §

Usato, elaborato e generato da Line Terminal Equipment (LTE) Localizzazione dei VT nella trama Multiplexing/instradamento Monitoraggio delle prestazioni Commutazione per protezione Gestione della tratta

STS Path Overhead:

§ § §

Usato, elaborato e generato da Path Terminal Equipment (PTE) Monitoraggio end -to -end delle prestazioni dei V T S P E Stato e gestione della connessione

SONET overhead - LOH H1 H2

STS payload pointer (H1 and H2)—Questi due byte contengono il puntatorec h e indica l’offset in byte tra il puntatorestesso e il primo byte dello SPE in questoS T S .

H3

pointer action byte (H3)—Questo pointer action byte è usato nelle fasi di risincronizzazione. H3 trasportail byte extra nel caso di aggiustaementi negativi del puntatore.

S1

line bit -interleaved parity code (BIP– 8 ) b y t e—Codice di parità usato per identificareerrori di trasmissione sulla linea. Usa codicedi parità even ed è calcolato su tutti i bit del line ooverhead e del SPE della trama precedente . automatic protection switching (APS channel) bytes—Questi due byte s o n o usati per la trasmissionedi segnalazione in caso di attivazione di procedure di protezione da malfunzionamenti. line data communications channel (DCC) bytes—9 byte c h e formano un c a n a l e a 576Kbit/s per trasferimento di segnalazioneOAM&P tra entità di livello linea . synchronization status (S1)— S1 è presentenel primo STS–1 di un STS–N, e i bit d a 5 a 8 sono allocati per trasportare elementi di sincronizzazione tra gli apparati di rete a livello S T S-N .

Z1

growth (Z1)— Libero , per futuri usi.

M0

STS – 1 REI – L (M0)—M0 è definito solo per un STS–1 trasportatoin un OC–1. Bit d a 5 a 8 sono allocati p e r funzioni di segnalazionedi errore remoto .

M1

STS – N REI – L (M1)— Usatop e r funzionalità REI–L (restoration)

Z2

growth (Z2)—Libero, per futuri usi .

E2

orderwire byte—Fornisce un canale vocale a 64Kbit/s per la comunicazionedi operatori .

B2

K1 K2 D4 D12

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PDH Sonet/SDH

Puntatori in SONET Uno dei problemi della multiplazione è gestire flussi tributari a velocità leggermente differenti § Si usano puntatori per compensare variazione di frequenza e fase dei clock § I puntatori consentono un allineamento di fase dinamico e flessibile § Evitano buffer di compensazione per la sincronizzazione Section overhead Separate clocks with almost same timing (plesiochronous )

Line overhead

H1

H2

SPE

SPE

Bit Stuffing per la sincronizzazione in PDH: 125 µs

§ quando la velocità della trama del SPE è lenta rispetto a STS -1, si inserisce un byte extra § quando la velocità della trama del SPE è veloce rispetto a STS -1, si rimuove un byte che viene posto nell’overhead

Positive stuffing Velocità di una SPE più piccola § Periodicamente, quando lo SPE è un byte in ritardo, i bit dispari nella parola del puntatore sono invertiti, per segnalare un positive stuffing § Un byte aggiuntivo è inserito nel VT, permettendo uno slittamento dell’allineamento del VT stesso § Il byte aggiuntivo viene sempre messo a lato del byte H3 (nello SPE stesso) § Il puntatore è incrementato di uno nel frame successivo, e i frame seguenti conterranno il nuovo valore.

Negative stuffing Velocità di una SPE più alta § Periodicamente, quando il frame dello SPE è un byte in anticipo, i bit pari del puntatore sono invertiti, indicando un negative stuffing § L’inizio del contenitore virtuale viene anticipato, e il byte “sovrascritto” viene spostato in H3 § Il puntatore è quindi decrementato di uno nel prossimo frame § Devono esserci almeno 3 frame nei quali il puntatore rimane costante prima di poter operare un’altra operazione di stuffing

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Trama SDH • SDH usa una terminologia differente , ma i principi sono identici a quelli di S O N E T • Elemento base in SDH è la trama STM -1, con periodo di ripetizione 125 µs • La trama è costituita da 19440 bit, corrispondenti a una velocità di 155.520 Mbit/s • L’informazione è organizzata in byte su 9 righe da 270 byte ciascuna • Il virtual container (VC) è la sezione utile al trasporto dati (261 x 9 = 2349 byte) • L’administrative unit (AU) è l’insieme di VC e dei relativi puntatori

Trama STM- 1 in SDH

270 byte 9 byte

administrative unit 261 byte

0 µs Framing pet om

Puntatori

overhead

virtual container

125 µs

SONET Network Elements Lo standard Sonet definisce diversi apparati di r e t e, differenziati per le l o r o funzionalità

§ § § §

Multiplexer and demultiplexer Rigeneratori Add- Drop multiplexers Digital cross-connects

Sono tutti apparati di r e t e “elettronici”, nessuna operazione viene realizzata direttamente i n ottica

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PDH Sonet/SDH

SONET/SDH layering Riprendiamo l a pila di riferimento, indicando espressamente gli apparati path layer

path layer connessione

line layer

line layer

line layer

section layer

section layer

section layer

section layer

physical layer

physical layer

physical layer

physical layer

rigeneratore

add/drop mux

terminale

ADM

terminale

SONET Network Elements: PTE Multiplexer and demultiplexer : si occupano di aggregare traffico da tributari differenti

§

Il Path Terminating Element (PTE) § Versione minima di multiplexer path-terminating terminal § Funzionalità di concentratore di DS–1, e di generazione dei segnali del tributario § Due terminal multiplexer connessi da una fibra sono il più semplice collegamento SONET (section, line, path sullo stesso link) STS-3 c

STS-3

STS-3

DS-1

DS-1

VT

DS-3

DS-3

STS-1

O C-N

O C-N

SONET Network Elements: Regen Rigeneratore

§ § §

È il più semplice elemento. Opera una rigenerazione 3 R Usato per superare vincoli di distanza Si sincronizza sul segnale in ingresso, e rigenera il section overhead prima di trasmettere il segnale. Non altera il Line e Path overhead ( diverso da repeater in ethernet )

O C-N

T R

x x

T R

x

O C-N

x

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PDH Sonet/SDH

SONET Network Elements: ADM Add-Drop multiplexer: si occupa di multiplexing e instradamento in topologie ad anello

§ §

Multipla diversi tributari in un segnale O C– N In un nodo add/drop, solo i segnali che devono essere estratti sono processati e estratti/inseriti

§

Il traffico in transito viene trasmesso attraverso l’apparato senza particolari trattamenti. Ha funzionalità di instradamento alternativo in c a s o di guasti O C-N

STS-N BUS O C-N

STS-N

VT

STS-1

O C-N

DS-1

DS-3

O C-N

DS-1

DS-3

O C-N

O C-N

SONET Network Elements: DCS Digital cross-connect: si occupa di multiplexing e instradamento in topologie magliate § Accetta diverse velocità di linea § Accede ai segnali STS -1 § Commuta tutto a questo livello § Usato per interconnettere tanti accessi STS -1 § Cross -connect a larga banda sono usati per aggregare traffico efficientemente Transparent Switch Matrix (DS1 Switch Matrix) STS-N (VT1.5)

STS-1 (DS1)

DS1 (DS1)

DS3 (DS1)

STS-1 (DS3)

DS1 (DS1)

DS3 (DS3)

ATM

DS1

DS3

STS-N (STS -N)

STS-N STS-1

SONET Network Configurations Configurazione punto -punto

§ §

È la più semplice topologia Il link punto punto parte e termina da un Path Terminal Equipments, che si occupa di multiplazione e demultiplazione dei tributari

§ §

Non si usa instradamento e demultiplazione lungo il sistema Si usano rigeneratori per superare problemi trasmissivi

PTE

REG

REG

REG

REG

PTE

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PDH Sonet/SDH

SONET Network Configurations Configurazione Punto-Multipunto (linear add -drop)

§ § § §

Ancora u n a topologia lineare ADM (e rigeneratori ) sono usati lungo l a linea Gli ADM inseriscono ed estraggono canali lungo il percorso Gli ADM sono specificatamente pensati per questo scopo, e hanno u n a struttura significativamente più semplice di un generico cross-connect (non occorre demultiplare per poi rimultiplare )

PTE

ADM

REG

REG

REG

ADM

REG

PTE

SONET Network Configurations Configurazione “Hub network” § Per concentrare traffico, tipicamente alla centrale operativa principale § È una configurazione che fa uso di Digital Cross connect (DCS) a alta velocità § DCS sono molto più complessi di un ADM: devono essere in grado di multiplare connessioni arbitarie tra differenti tributari , sia livello SONET che dei singoli tributari

Mux

REG

Mux

DCS

REG

Mux

REG

Mux

REG

SONET Network Configurations SONET Rings

§

È la configurazione più usata, c h e u s a due o quattro fibre e un ADM in ogni nodo. Bidirezionale Realizza funzionalità di protezione (sempre due percorsi) ADM

ADM

SONET Ring Architecture

ADM

§

ADM

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Survivability in SONET

Network Survivability/Fault Management Survivability: la possibilità della rete di continuare a fornire u n servizio usando capacità in eccesso in caso di guasti È una necessità sulle reti di backbone, il cui malfunzionamento deve essere minimo

Restoration: approccio più complicato, tipico di reti genericamente magliate . Per reagire a guasti, la rete è in grado di auto -riconfigurarsilentamente.

Survivability Restoration

Protection: Risposta “immediata” (automatica) della rete dopo un guasto, per instradare il traffico su percordo alternativo

Protection

Self -healing

Reconfiguration

Mesh Network Architectures ProtectionSwitching LinearArchitectures Ring Architectures

Survivability in SONET Diverse tecniche sono usate in SONET per Survivability, Protection e Restoration Una degli approcci più comuni è basato su anelli bidirezionali, che sfruttano l e loro capacità di protezione La formazione di due loopback nei nodi adiacenti il guasto permette di connettere tutti i nodi

ADM

ADM

La topologia logica dopo la riconfigurazione è un anello monodirezionale, che attraversa ogni nodo due volte

ADM Rottura della fibra

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PDH Sonet/SDH

1:1 protection

Funzionante

ADM

ADM

Backup

Funzionante

Working ADM

ADM ADM

Fibra rotta Due nodi adiacenti al guasto sono responsabili della commutazione del traffico sull’anello di protezione

1+1 protection Funzionante

Funzionante

ADM

ADM

ADM

Working Idle

ADM

Working Active

ADM

Fibra rotta I segnali dati sono trasmessi su entrambi i percorsi. Ogni ADM in ogni nodo decide quale segnale è corretto e lo seleziona.

Protection and Restoration Il recupero dei guasti in SONET è molto veloce:

§

meno di 50ms

Il restoration time

§ § §

Nellereti PDH è spesso dell’ordine dei minuti Nellereti IP è dell’ordine dei minuti Nelle reti ethernet è dell’ordine della decina di secondi (60 secondi per riconfigurare lo spanning tree)

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