5. Сети передачи данных
В локальных и особенно в протяженных сетях емкости магистральных линий связи обычно значительно превышают емкости передач отдельных приложений. Это делается с целью одновременной передачи множества таких приложений. Дополнительно, сами приложения могут иметь разную природу, например, это может быть передача постоянного битового потока или передача файлов данных, С целью повышения эффективности передающей среды (носителя) и ее адаптации под множество разнородных приложений применяется передача одновременно сразу нескольких информационных сигналов в одном носителе — мультиплексирование. Различают два основных вида мультиплексирования: − Частотное мультиплексирование FDM: каждому сигналу отводится определенная доля всей частотной полосы носителя, так что на одном носителе существуют одновременно сразу несколько сигналов. − Временное мультиплексирование TDM: сигналу каждого приложения выделяется вся полоса носителя, но на короткий промежуток времени — таймслот, так что мультиплексный сигнал представляется в виде последовательности сменяющих друг друга тайм-слотов, ответственных за разные приложения. В рамках TDM различают синхронное мультиплексирование (каждому приложению соответствует тайм-слот (возможно несколько тайм-слотов) с определенным порядковым номером в периодической последовательности слотов, и асинхронное или статистическое мультиплексирование, когда приписывание тайм-слотов приложениям происходит более свободным образом, например, по требованию. На рис. 5.1 показаны схемы размещения каналов при FDM и TDM. Устройство, принимающее несколько каналов от разных приложений (например, голос, видео, данные) и передающее их в виде мультиплексного сигнала на одном носителе, называется мультиплексором MUX, а устройство, выполняющее обратную функцию на другом конце — демультиплексором DEMUX. Обычно в системах двунаправленной связи функции мультиплексирования и демультиплексирования совмещаются в одном устройстве, которое также называется мультиплексором.
Частотное мультиплексирование FDM
Частотное мультиплексирование (рис. 5.1 а) распространено в системах беспроводной радиосвязи, в мобильных телефонных системах, в абонентских телевизионных системах, включая кабельное телевидение и телефонию. Каналы, представленные в мультиплексном сигнале, могут быть как аналоговыми, так и цифровыми.
В сетях широковещательного телевидения сначала исходные низкочастотные телевизионные сигналы от передающих устройств смещаются посредством модуляции в определенные, отведенные специально для них области спектра — каждой области отводится полоса 6,5 МГц. Затем такой мультиплексный широкополосный сигнал (до 860 МГц) распространяется по эфиру или в коаксиальной кабельной системе от локальных студий кабельного телевидения к абонентам. Разновидностью FDM является волновое мультиплексирование WDM, применяемое в волоконно-оптических системах передач. Преимущественно используется область спектра от 1,3 нм (230 ТГц) до 1,6 им (188 ТГц). Для плотного волнового мультиплексирования используется область спектра 15301560 нм.
Синхронное временное мультиплексирование
Синхронное мультиплексирование объединяет n низкоскоростных цифровых каналов (или n периодически повторяющихся равных по длительности тайм-слотов) внутри одного носителя, С целью лучшей синхронизации непрерывного битового потока, в мультиплексорах используются таймеры с высоким стандартом частоты. На рис. 5.1 б показана схема следования таймслотов при12-канальном TDM. Тайм-слоты с номером 1 соответствуют первому приложению, с номером 2 — второму и т.д. Емкость отдельного приложения — емкость тайм-слота — равна W/n, где W — полная полоса носителя. Емкие приложения могут занимать полосу в несколько тайм-слотов.
Если от одного из приложений не поступают данные, мультиплексор не сбрасывает тайм-слоты этого приложения в скоростном канале и оставляет для него прежнюю полосу W/n. Никакому другому приложению эта полоса не доступна. Более того, ни одно из приложений не может получить большую полосу пропускания, чем ту, которая отводится. Это особенность синхронного мультиплексирования. Мультиплексирование может происходить на октетном, битовом или кадровом уровне. При мультиплексировании на октетном уровне последовательности в 8 битов от каждого из n приложений — октеты — циклически сменяют друг друга. Задержка на время буферизации одного октета возникает между входным низкоскоростным и выходным мультиплексным потоками. При мультиплексировании на битовом уровне происходит побитовое смешивание входных потоков. Более критичными, в этом случае, становятся требования к временным характеристикам, но и уменьшается задержка, вносимая мультиплексором. В городских коммутируемых телефонных сетях мультиплексирование на битовом уровне используется при построении скоростных мультиплексных каналов. При мультиплексировании на кадровом уровне кадры (специальные битовые последовательности с заголовком, сигнальными полями и полями данных) из входных низкоскоростных каналов смешиваются в выходном мультиплексном канале. Этот вид мультиплексирования характерен при построении асинхронных мультиплексоров, Логическая топология определяет характер движения данных в мультиплексном канале. Три основных типа логической топологии могут иметь синхронные мультиплексные системы: соединение «точка-точка», цепное соединение и кольцевое соединение, рис. 5.2. Допускаются более сложные смешанные логические топологии. Рис. 5.2. Основные типы логической топологии мультиплексных систем
Рис. 5.3. физическая топология «двойное ТОМ кольцо» повышает надежность сети в случае повреждения одного из сегментов сети или выхода из строя одного из мультиплексоров Физическая топология определяет структуру кабельной системы. Для повышения надежности сложные мультиплексные сети, использующие логическую топологию «кольцо», делают с использованием физической топологии «двойное кольцо», рис. 5.3. В нормальном состоянии активно первичное кольцо — по вторичному кольцу данные не идут. При повреждениях канала связи или одного из мультиплексоров происходит свертывание логического кольца с восстановлением его целостности, при котором активизируется вторичное кольцо — общая целостность сети также сохраняется. Физическая топология «двойное кольцо» используется и в сетях SDH, а также в некоторых локальных сетях Token Ring, DQDB, FDDI. По каждому из каналов мультиплексор может поддерживать одну из шести функций выделения, добавления или пропускания каналов (drop-add-pass), рис. 5.4: 1. «Drop & Add» (выделение и добавление канала). Эту функцию могут поддерживать мультиплексоры как при цепной (на промежуточных узлах), так и при кольцевой логических топологиях. При цепной топологии один выходной канал может быть заменен на другой, например, при использовании специальных мультиплексоров для межстудийного обмена в сетях цифрового кабельного телевидения. При кольцевой топологии этой функцией могут обладать два или более мультиплексоров, которые сообща используют данный TDM канал, например, при организации удаленной связи сетей Ethernet или Token Ring. Фактически происходит подмена информации в соответствующих тайм-слотах. 2. «Drop & Pass» (выделение и пропускание). Эта функция наиболее характерна для физической топологии «цепная линия». Основная задача — размножить информационный поток. Структура ретранслируемых в мультиплексный канал тайм-слотов остается без изменения. 3. «Pass Only» (только пропускание). Эта функция обычно автоматически отрабатывается мультиплексором, если в физический слот мультиплексора, соответствующий данному каналу (номеру тайм-слота), не установлен ни один модуль.
Модульный ТОМ мультиплексор MagnumPlus фирмы ADC Kentrox. Это — более универсальное и более мощное решение, допускающее передачу множества различных протоколов. Его основные характеристики приведены в табл. 5.2. Отметим, что логическая топология взаимодействия мультиплексоров MagnumPlus по TDM магистрали базируется на кольце, в то время как физическое соединение может быть как точка-точка, кольцо, или цепная линия. Кольцевая логическая топология необходима для дистанционного мониторинга и управления мультиплексорами на основе TDM магистрали. При инициализации TDM магистрали одно из устройств автоматически выбирается мастером — по нему синхронизируются все остальные устройства. При подключении мультиплексоров через сеть SDH, синхронизация происходит от SDH магистрали. Таблица 5.2. Основные технические характеристики мультиплексора MagnumPlus [4]
Модули MagnumPlus, рис. 5.6: − Интерфейсные модули (IN/OUT). Чтобы удовлетворить тем или иным специфическим требованиям, имеется большое разнообразие модулей, среди которых — модули Ethernet Switch (разъем AUI, BNC, F/0), Token Ring 4 или 16 Мбит/с (разъем DB9), Е1 (G.703); − Модули питания. Питание может осуществляться от 48V DC, 110V AC, 220V AC. Для обеспечения защиты на случай выхода из строя блока питания допускается установка до двух блоков питания с распределяемой нагрузкой; − Модуль контрольной логики. Необязательный модуль, позволяющий осуществлять дистанционное SNMP управление и мониторинг; − Модули общей логики. Обеспечивают все необходимые возможности мультиплексирования и демультиплексирования на основе волоконнооптического интерфейса (155 Мбит/с) или интерфейса на коаксиальном кабеле (DS3, 45 Мбит/с). Рис. 5.6. Вид шасси мультиплексора MagnumPlus производства ADC Kentrox
Мультиплексоры
Мультиплексоры (multiplexer, MUX) – это сетевые устройства, которые могут принимать сигнал от множества входов и передавать их в общую сетевую среду.
Мультиплексоры по сути представляют собой коммутаторы и используются в старых и новых технологиях, в том числе:
• в телефонии для коммутации физических линий;
• при коммутации телекоммуникационных виртуальных цепей для создания множества каналов в одной линии (например, в Т-линиях);
• в последовательных каналах для подключения нескольких терминалов к одной линии (в локальных или глобальных сетях), для чего эта линия делится на несколько каналов;
• в технологиях Fast Ethernet, X.25, ISDN, ретрансляции кадров, АТМ других (для создания множества коммуникационных каналов в одной кабельной передающей среде).
Мультиплексоры работают на Физическом уровне OSI, переключаясь между каналами. При этом используется один из трех методов электрической коммутации или единственный метод при передаче по оптической среде.
Методы электрической коммутации: множественный доступ с уплотнением каналов (TDMА), множественный доступ с частотным разделением каналов (FDMA) и статистический множественный доступ.
При передаче по оптической среде применяется спектральное разделение (уплотнение) каналов (wavelength division multiplexing, WDM). Световую волну можно представить как спектр, состоящий из волн различной длины, изменяемой в ангстремах. Ангстрем равен 10-10 м, а световая волна состоит из отдельных волн длиной от 4000 до 7000 ангстрем. При использовании спектрального разделения несколько входящих соединений преобразуются в набор волн различной длины в пределах спектра света, передаваемого по оптоволоконному кабелю.
Группы каналов
При своем появлении группы каналов (channel bank), или канальные группы, представляли собой устройства, позволяющие пропускать несколько входящих речевых сигналов по одной линии, а мультиплексоры преобразовывали несколько сигналов данных для передачи по одной линии.
Необходимость передачи голоса, данных и видео привела к быстрому развитию телекоммуникационных групп каналов, и в настоящее время с их помощью можно как передавать речевые сигналы, так и выполнять мультиплексирование данных, речи и видео.
Таким образом, группа каналов – это крупный мультиплексор, объединяющий телекоммуникационные каналы в одном месте, называемом точкой присутствия (point of presence, POP). Эти каналы могут представлять собой частные линии Т-1, полные линии Т-1 и Т-3, каналы ISDN или каналы с ретрансляцией кадров. Первые группы каналов типа D-1 состояли из мультиплексоров Т-1.
Усовершенствования групп каналов привели к появлению D-4 и менее дорогих систем цифрового доступа и коммутации (DACS). Там, где интенсивно используются выделенные линии, существуют также группы каналов Т-3, ISDN и с ретрансляцией кадров.
В пределах точки присутствия (POP) несколько групп каналов связываются Между собой для того, чтобы входящий трафик из одной группы каналов можно было переключать на другую группу каналов и отправлять к точке Назначения. Все каналы во входящей линии (например, линии Т-1) объединяются и могут быть перенаправлены в другую группу каналов. Можно так же перенаправить в другую группу только один из входящих каналов. ДВ соединения групп каналов существуют два метода маршрутизации, которые, по сути, напоминают динамическую и статическую маршрутизацию в сетях. Таким образом, современные группы каналов располагают таблицами маршрутизации, которые либо поддерживаются автоматически, либо настраиваются администраторами.
В зависимости от сетевой архитектуры точки присутствия, информация о маршрутизации может храниться либо централизованно в одной из групп каналов, либо распределяться между установленными группами.