Sieci Transportu Danych - Część 4: SDH

Sieci SDH - Wprowadzenie

1/40

Witamy w czwartej części cyklu "Sieci Transportu Danych".
Temat: SDH (Synchronous Digital Hierarchy).
Jest to standard światowego transportu cyfrowego, który dominował w telekomunikacji przez ostatnie 30 lat.
Choć wypierany przez technologie pakietowe (MPLS/Ethernet), nadal jest kluczowy w systemach krytycznych (energetyka, kolej).

Historia: Przed SDH było PDH

2/40

PDH (Plesiochronous Digital Hierarchy): Hierarchia plezjochroniczna ("prawie" synchroniczna).
Powstała do cyfryzacji telefonii (PCM - Pulse Code Modulation).
Podstawowy kanał: 64 kb/s (DS0) - próbkowanie głosu 8 kHz x 8 bitów.
Każdy zegar działał "prawie" tak samo, ale z niewielkimi odchyłkami.

Hierarchia PDH (Europa vs USA)

3/40

E1 (Europa, standard G.703): 2,048 Mb/s. Składa się z 32 szczelin czasowych (30 rozmów + 2 na sterowanie).
E2: 8,448 Mb/s (4 x E1).
E3: 34,368 Mb/s (4 x E2 / 16 x E1).
E4: 139,264 Mb/s (4 x E3).
W USA/Japonii używano standardu T-Carrier (T1 = 1,544 Mb/s). Brak bezpośredniej kompatybilności!

Wady PDH: "Góra Multiplekserów"

4/40

Brak pełnej synchronizacji wymuszał stosowanie "bitów dopełniających" (stuffing bits).
Aby wydobyć jedną rozmowę (64k) ze strumienia E4 (140M), trzeba było zdemultipleksować CAŁY sygnał krok po kroku: E4 -> E3 -> E2 -> E1.
Kosztowne, duże i skomplikowane urządzenia.
Brak standaryzacji styków optycznych (każdy producent stosował własne rozwiązania typu "proprietary").

Ratunek: SDH (Synchronous Digital Hierarchy)

5/40

Standard ITU-T (G.707). W USA znany jako SONET (Synchronous Optical Networking).
Kluczowa cecha: Synchronizacja. Wszystkie zegary w sieci "biją" w tym samym rytmie (z ogromną dokładnością 10^-11).
Bezpośredni dostęp (Add/Drop): Można "wyjąć" jeden kontener (np. E1) ze strumienia STM-64 bez rozpakowywania całej reszty!
Standaryzacja interfejsów optycznych między różnymi dostawcami (Multi-vendor).

Hierarchia prędkości SDH

6/40

Podstawowy moduł: STM-1 (Synchronous Transport Module level 1) = 155,52 Mb/s.
STM-4: 622 Mb/s.
STM-16: 2,5 Gb/s (2488 Mb/s).
STM-64: 10 Gb/s (9953 Mb/s).
STM-256: 40 Gb/s.
Wszystkie prędkości są wielokrotnością x4.

Struktura Ramki STM-1

7/40

Ramka to macierz bajtów: 9 wierszy x 270 kolumn.
Łącznie 2430 bajtów.
Ramki wysyłane są 8000 razy na sekundę (co 125 mikrosekund) - idealnie odpowiada to próbkowaniu głosu (8 kHz).
2430 bajtów * 8 bitów * 8000 Hz = 155.520.000 b/s (155 Mb/s).
Transmisja odbywa się wierszami: od lewej do prawej, od góry do dołu.

Podział ramki STM-1

8/40

Macierz dzieli się na następujące obszary:
SOH (Section Overhead): Pierwsze 9 kolumn. Informacje sterujące, zarządzanie, wskaźniki.
- RSOH (Regenerator Section Overhead): wiersze 1-3.
- AU Pointers (wskaźniki): wiersz 4.
- MSOH (Multiplex Section Overhead): wiersze 5-9.
Payload (Ładunek): Pozostałe 261 kolumn. Tu przesyłane są dane użytkownika (kontener VC-4).

Nagłówek RSOH (Regenerator Section)

9/40

Obsługiwany przez każdy węzeł, w tym nawet proste regeneratory sygnału.
A1, A2 (Framing): bajty synchronizacji ramki (F6 28 hex). Pozwalają odbiornikowi znaleźć początek ramki.
J0 (Trace): identyfikator ścieżki (pozwala uniknąć pomyłek w okablowaniu).
B1 (BIP-8): suma kontrolna parzystości do wykrywania błędów transmisji.
D1-D3 (DCC): Data Communication Channel. Wewnętrzny kanał do zarządzania urządzeniami (192 kb/s).

Nagłówek MSOH (Multiplex Section)

10/40

Obsługiwany tylko przez multipleksery (ADM, Cross-connect), przeźroczysty dla regeneratorów.
B2 (BIP-24): dokładniejsza detekcja błędów.
K1, K2 (APS - Automatic Protection Switching): sterowanie przełączaniem na łącze zapasowe w razie awarii. Kluczowe dla niezawodności sieci.
S1 (SSM - Sync Status Message): informuje o jakości zegara synchronizacji (np. "Jestem PRC", "Nie używaj mnie").
D4-D12: szybki kanał zarządzania (576 kb/s).

Wskaźniki (Pointers H1, H2, H3)

11/40

SDH jest systemem synchronicznym, ale faza sygnału może ulegać wahaniom (zjawisko jitter, różnice w długości łącza).
Ramka STM-1 jest strukturą sztywną, ale "pływający" kontener z danymi (VC-4) może zaczynać się w dowolnym miejscu pola Payload.
Wskaźnik w nagłówku (H1/H2) pokazuje precyzyjnie bajt startu danych (offset).
Jeśli zegary ulegają rozsynchronizowaniu, system wykonuje korektę wskaźnika (Pointer Adjustment). To fundament elastyczności SDH.

Struktura Multipleksacji (Matrioszka)

12/40

Jak zmieścić mniejsze strumienie E1 w dużym STM-1? Poprzez system zagnieżdżonych "pojemników".
Container (C-x): surowe bity danych (np. z PDH).
Virtual Container (VC-x): C-x + własny nagłówek drogi (POH).
Tributary Unit (TU-x): VC-x + odpowiedni wskaźnik.
Tributary Unit Group (TUG-x): grupa mniejszych jednostek TU.

Ścieżka mapowania E1 (2 Mb/s)

13/40

Standardowa ścieżka dla sygnału 2 Mb/s stosowana w Europie:
1. E1 -> C-12.
2. C-12 + POH -> VC-12 (Virtual Container niskiego rzędu).
3. VC-12 + Wskaźnik -> TU-12.
4. 3 x TU-12 -> TUG-2.
5. 7 x TUG-2 -> TUG-3.
6. 3 x TUG-3 -> VC-4 (Kontener wysokiego rzędu).
7. VC-4 + Wskaźnik -> AU-4 -> STM-1.
Suma: w jednej ramce STM-1 mieści się 3 * 7 * 3 = 63 strumienie E1.

Virtual Container (VC-4) i POH

14/40

VC-4 to główny ładunek ramki STM-1 o przepływności ok. 150 Mb/s.
Posiada własną kolumnę nagłówka POH (Path Overhead).
POH podróżuje wraz z danymi od punktu wejścia do punktu wyjścia z sieci (End-to-End).
J1: ślad ścieżki (ciąg znaków identyfikujący trasę).
C2: etykieta sygnału (Signal Label). Określa rodzaj zawartości kontenera (np. "dane TDM" lub "dane ATM").
G1: raportowanie błędów odległych węzłów (REI - Remote Error Indication).

Sieć Synchronizacji

15/40

SDH wymaga, by wszystkie urządzenia pracowały w tym samym rytmie.
PRC (Primary Reference Clock): zegar atomowy (cezowy) o ogromnej dokładności.
SSU (Synchronization Supply Unit): zegar podrzędny (rubidowy/kwarcowy) z trybem podtrzymania (holdover).
SEC (SDH Equipment Clock): zegar wbudowany bezpośrednio w urządzenie sieciowe.
Synchronizacja jest dystrybuowana w sieci hierarchicznie.

SSM - Synchronization Status Message

16/40

Bajty S1 w nagłówku MSOH dostarczają informacji o jakości źródła synchronizacji.
QL-PRC (Quality Level 1): zegar atomowy - najwyższa jakość.
QL-SSU-A / QL-SSU-B: zegary tranzytowe lub lokalne.
QL-SEC: zegar lokalnego urządzenia.
QL-DNU (Do Not Use): informacja o pętli synchronizacji lub awarii - nie używać tego źródła.
Dzięki SSM urządzenia automatycznie przełączają się na najlepsze dostępne źródło zegara.

Zjawiska: Jitter i Wander

17/40

Mimo synchronizacji, sygnał w sieci może ulegać pewnym zniekształceniom fazowym.
Jitter (Drżenie): szybkie zmiany fazy (> 10 Hz), powodowane m.in. przez szumy.
Wander (Pływanie): powolne zmiany fazy (< 10 Hz), wynikające np. z wahań temperatury i zmian fizycznych długości włókna.
Bufory elastyczne w urządzeniach niwelują te zjawiska (w określonym zakresie).

Niezawodność SDH - Protection

18/40

SDH słynie z legendarnej niezawodności określanej jako "Five Nines" (99,999%).
Gwarantowany czas przełączenia na drogę zapasową w razie awarii wynosi: < 50 ms.
Przełączenie jest tak szybkie, że zwykła rozmowa telefoniczna nie zostanie przerwana.
Mechanizmy ochrony są zintegrowane bezpośrednio w warstwie sprzętowej.

Ochrona Liniowa: MSP (1+1)

19/40

Podstawowa topologia: dwa włókna (robocze i zapasowe) między punktami A i B.
1+1 MSP (Multiplex Section Protection): nadajnik wysyła ten sam sygnał na oba włókna. Odbiornik wybiera sygnał o lepszych parametrach.
1:N MSP: jedno łącze zapasowe chroni N łącz roboczych. Jest to rozwiązanie bardziej ekonomiczne.

Ochrona Ścieżki: SNCP

20/40

SNCP (Subnetwork Connection Protection).
Ochrona realizowana na poziomie pojedynczego kontenera VC, a nie całego łącza fizycznego.
Sygnał wysyłany jest w obie strony pierścienia (Dual Fed). Wybór dokonywany jest w punkcie odbiorczym na podstawie jakości sygnału.
Bardzo skuteczne rozwiązanie stosowane powszechnie w sieciach o strukturze pierścieniowej.

Pierścienie: MS-SPRING

21/40

Multiplex Section Shared Protection Ring.
Wspólne wykorzystanie pasma ochronnego w ramach pierścienia (ring).
Połowa dostępnego pasma jest zarezerwowana jako "Protect" dla celów ochrony.
W razie awarii światłowodu, pierścień wykonuje pętlę zwrotną (loopback) na końcach uszkodzonego odcinka.
Skomplikowany w konfiguracji, ale bardzo efektywny w wykorzystaniu pasma.

Urządzenia SDH: ADM i DXC

22/40

ADM (Add-Drop Multiplexer): podstawowe urządzenie w sieciach pierścieniowych. Posiada porty do łączenia w pierścień oraz porty klienckie. "Wrzuca" i "zdejmuje" konkretny ruch z pierścienia.
DXC (Digital Cross-Connect): potężna cyfrowa przełącznica. Pozwala na dowolne krosowanie strumieni VC między wieloma portami. Stosowana w sercu sieci.

Zarządzanie: Sieć DCN

23/40

SDH posiada wbudowane mechanizmy zarządzania "w pasmie".
Bajty D1-D12 tworzą wewnątrz sieci specjalny kanał ECC (Embedded Control Channel).
Pozwala to na zdalne konfigurowanie urządzeń w innym mieście bez konieczności posiadania tam osobnego łącza internetowego.
Systemy NMS (Network Management System) umożliwiają graficzną wizualizację topologii i alarmów.

Dylemat: Głos vs Dane

24/40

SDH zaprojektowano pod potrzeby ruchu głosowego TDM (stały strumień danych).
Nowoczesny ruch IP/Ethernet ma charakter skokowy (burst).
Proste mapowanie Ethernetu do kontenerów SDH jest mało efektywne:
- Ethernet 100 Mb/s pochłania całą ramkę STM-1 (155 Mb/s).
- Ethernet 1 Gb/s wymaga STM-16 (2,5 Gb/s), co generuje ogromne straty pasma.

NG-SDH: Kolejna Generacja

25/40

Aby lepiej obsługiwać ruch pakietowy, opracowano standard Next Generation SDH.
Trzy główne filary NG-SDH:
- GFP (Generic Framing Procedure): wydajne pakowanie ramek Ethernet w kontenery.
- VCAT (Virtual Concatenation): możliwość łączenia wielu małych kontenerów w jedną dużą "rurę".
- LCAS (Link Capacity Adjustment Scheme): dynamiczna zmiana pasma bez przerywania transmisji.

GFP - Generic Framing Procedure

26/40

Standard zgodny z G.7041.
Umożliwia efektywne mapowanie pakietów Ethernet o różnej długości do synchronicznego strumienia SDH.
Zastąpił starsze, mało wydajne metody enkapsulacji (jak HDLC).
Niezbędny komponent usług typu "Ethernet over SDH".

VCAT - Wirtualna Konkatenacja

27/40

Pozwala na tworzenie łączy o dowolnej, dopasowanej przepustowości (tzw. ziarnistość).
Przykład: dla 100 Mb/s Ethernet można użyć 50 kontenerów VC-12 (50 x 2 Mb/s), co daje idealne dopasowanie.
Poszczególne kontenery mogą być przesyłane w sieci różnymi trasami fizycznymi.
Wymaga buforowania na końcu trasy w celu wyrównania różnic w opóźnieniu (Differential Delay).

LCAS - Hitless Bandwidth

28/40

Uzupełnienie technologii VCAT.
Umożliwia dodawanie lub odejmowanie pasma (kontenerów) "w locie", bez wpływu na trwającą transmisję.
W razie awarii jednego z kontenerów, LCAS automatycznie go wyłącza, utrzymując transmisję ze zmniejszoną prędkością (zjawisko Graceful degradation).

Dlaczego SDH odchodzi?

29/40

Mimo rozwoju NG-SDH, rynek zdominowały technologie Packet Transport (MPLS-TP, Carrier Ethernet).
Bariera skalowalności: architektura SDH kończy się na prędkościach rzędu 40 Gb/s, podczas gdy Ethernet i DWDM sięgają 800 Gb/s.
Mała elastyczność: technologia TDM rezerwuje sztywne pasmo nawet przy braku transmisji danych.
Koszty: wysokospecjalistyczny sprzęt SDH jest znacznie droższy od masowo produkowanych przełączników Ethernet (tzw. commodity hardware).

Zastosowania Specjalne (Legacy)

30/40

Obszary, w których SDH pozostanie jeszcze długo:
Energetyka: systemy zabezpieczeń linii wysokiego napięcia wymagają absolutnie stałego opóźnienia i pełnej symetrii transmisji.
Kolejnictwo: systemy bezpiecznego sterowania ruchem pociągów.
Sektor obronny: budowa dedykowanych, izolowanych łączy.
Nowe sieci często emulują usługi SDH (Circuit Emulation over Packet), aby obsłużyć starsze systemy.

Następca techniczny: OTN (Optical Transport Network)

31/40

Zgodny ze standardem G.709, często określany jako "Digital Wrapper".
Łączy zalety zarządzania znane z SDH z ogromną przepustowością technologii DWDM.
Kontenery ODU (Optical Data Unit) obsługują prędkości od 1,25 Gb/s (Gigabit Ethernet) do 100 Gb/s i więcej (ODU4).
OTN stanowi obecnie fundament nowoczesnej warstwy transportowej pod siecią IP/MPLS.

Diagnostyka w SDH - System Alarmowy

32/40

SDH posiada bardzo precyzyjny i hierarchiczny system alarmowy.
LOS (Loss of Signal): całkowity brak sygnału optycznego (np. przerwanie kabla).
LOF (Loss of Frame): wykryto światło, ale urządzenie nie potrafi zsynchronizować się z ramką (A1/A2).
AIS (Alarm Indication Signal): sygnał informujący o awarii we wcześniejszym fragmencie sieci ("Blue Alarm").
RDI (Remote Defect Indication): informacja zwrotna o wystąpieniu problemu w kierunku przeciwnym.

STM-1 Slot 1 Port 1: MAJOR ALARM: RX LOSS OF SIGNAL STM-1 Slot 3 Port 2: MINOR ALARM: AU-4 PATH REMOTE DEFECT INDICATION

Diagnostyka: Pętla (Loopback)

33/40

Podstawowa metoda diagnostyczna w systemach teletransmisyjnych.
Hard Loop: fizyczne zapięcie światłowodu Tx bezpośrednio do Rx (pętla fizyczna).
Soft Loop: programowe skierowanie sygnału z powrotem wewnątrz urządzenia.
Wykorzystywane do testów BERT (Bit Error Rate Test), które sprawdzają stopień zakłóceń transmisji.

Podsumowanie Kursu: Ewolucja Sieci

34/40

Przeszliśmy drogę od mediów miedzianych, przez pierwsze systemy cyfrowe PDH/SDH.
Zaobserwowaliśmy dominację technologii pakietowych (IP/MPLS) nad systemami komutacji łączy (TDM).
Zrozumieliśmy fizykę światłowodów oraz ogromne możliwości technologii WDM/DWDM.
Współczesna architektura to najczęściej IP over Ethernet over DWDM.

Rola Inżyniera Sieciowego

35/40

Dawniej: ścisła specjalizacja (oddzielnie inżynier od SDH oraz inżynier od IP).
Obecnie: konwergencja technologii wymaga znajomości BGP/MPLS oraz zrozumienia fizyki optycznej.
Wprowadzenie automatyzacji i koncepcji SDN zmienia warsztat pracy, ale fundamenty fizyczne pozostają niezmienne.