2. SONET/SDH 2.1 Introduzione SONET/SDH rappresenta il corrente standard di trasmissione e multiplazione per segnali ad alta velocità, cioè alto bit-rate, sia negli Stati Uniti (SONET = Synchronous Optical NETwork) che in Europa (SDH = Synchronous Digital Hierarchy). SONET è un concetto di rete che prevede operazioni sincrone fra tutti i componenti della rete stessa. Prima dell’avvento di SONET la rete digitale era essenzialmente plesiosincrona (cioè quasi-sincrona) e sviluppata soprattutto per il traffico a basso bit-rate cioè per traffico voce. Ad esempio, lo standard utilizzato era un campionamento a 8 KHz dalla voce (banda di segnale: 4 KHz) che, attraverso una quantizzazione a 8 bits/sample (1 byte/sample) portano a 64 Kb/s. L’aumento di traffico telefonico portò pian piano allo sviluppo del protocollo PDH (Plesiosynchronous Digital Hierarchy) al fine di sviluppare trame a più alto bit-rate. Ad esempio 1.54 Mb/s (DS1), 44.73 Mb/s (DS3) ecc. I problemi sorsero nelle operazioni di mux/demux dei segnali che dovevano essere estratti da apparati non completamente sincroni tra di loro, portando ad un aumento di errore e ad una notevole complicazione elettronica. Viceversa la trama SONET/SDH prevede un rigidissimo controllo del clock in tutta la rete, a partire da un master clock a cui si sincronizzano tutti gli altri analoghi server. SONET/SDH ha un numero di vantaggi considerevoli ed è adottato come standard mondiale nella trasmissione ad alto bit-rate. Esso è stato sviluppato a partire dagli anni ’80 con una serie di studi/progetti svolti agli AT& T Bell Labs e poi in tutti laboratori europei e giapponesi. Il progetto di rete da cui ha tratto origine si chiamava METROBUS. Attorno alla metà degli anni ’80, la ITU (International Teleommunication Union) rigetta lo standard già in uso in America chiamato STS-1 (50.688 Mb/s) in favore dello standard STM-1 (155.520 Mb/s), ma in seguito si fece in modo che le regole di sintassi e la struttura del STS-1 fosse compatibile con lo STM-1 ed in questo modo risultò una pressochè totale compatibilità fra la gerarchia SONET e SDH e quindi fra la tecnologia americana, europea e giapponese.
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SONET/SDH presenta diversi vantaggi: 1. E’ una rete integrata, capace di ospitare tutti tipi di traffico: pur con diverse eccezioni si può dire che è trasparente ai layer superiori; 2. E’ basata sulla trasmissione ottica (a fibra ottica) che presenta le migliori performances rispetto a ogni tecnologia; 3. E’ uno standard e quindi permette lo sviluppo di un mercato con tanti venditori di apparati; 4. Permette di facilitare le operazioni di Add/Drop di traffico; 5. Ha notevolmente migliorato le operazioni di OAMP (Operation, Administration, Maintenance e Provisioning) 6. E’ estremamente affidabile perchè è sviluppabile in topologie che permettono la “protezione” della rete stessa.
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Nella figura figura precedente sono mostrati i livelli gerarchici di SONET nella dizione “elettrica” STS (Synchronous Transport Signal ) a partire da STS-1 (54.840 Mb/s) sino a STS- 192 (51.840 x 192 = 9953.280 Mb/s) e la corrispondente dizione “ottica” (OC-1… OC-192). E’ indicata anche la corrispondenza con i livelli SDH che partono dal STM-1 (Synchronous Transport Module) corrispondenti a STS-3 (ovvero 51.840 x 3 = 155.520 Mb/s) sino a STM-64. Il clock viene distribuito utilizzando la rete satellitare GPS, alle Synchronous Supply Unit poste nei nodi principali della rete e da qui, tramite operazioni di “slaves” ai nodi secondari. Gli orologi di riferimento sono orologi al Cesio/Idrogeno/Rubidio con accuratezza da 10 "11 a 10 "13 . Questa estrema accuratezza viene persa nella rete in seguito ad inevitabili !
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fenomeni di drift veloci, jitter (“nervoso”), ad esempio fenomeni con frequenza di 10 Hz e drift lenti, wonder (“girovagare”), che si accumulano nell’evoluzione del segnale attraverso la rete portando ad accuratezza finali di diversi ordini di grandezza inferiori. Complessivamente per la rete SONET si accetta una tolleranza di clock < 20 ppm e per SDH < 4,6 ppm.
2.2 La multiplazione sincrona La multiplazione SONET/SDH è basata sul concetto di organizzare in uno spazio complesso le informazioni trasportate dalla rete (il cosidetto payload), e le informazioni di OAMP (i cosidetti overhead). Il paradigma seguito è sempre quello del client/server ed in questo caso SDH fa da “server” per il “client” ovvero per gli strati OSI superiori della rete che depongono sulla trama SDH le loro informazioni. SONET/SDH è organizzato secondo dei telai/frame di lunghezza temporale costante di 125 µs. (Questo tempo è derivato dalla sincronizzazione a 64 Kb/s utilizzata per la voce, ovvero 8 Kbyte/s ovvero 8.000 caratteri al secondo 1 1000 10 3 = µ sec = 125µ sec 8 10 3 8 10 3
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(in altri termini, se io inserisco un “carattere” ogni trama, 8000 volte al secondo, “sento” un segnale audio da 4 Kbyte).
Quindi la trasmissione SONET/SDH avviene riproponendo in modo sincrono 8000 trame/s ognuna delle quali contiene un numero di byte che dipende dalla gerarchia usata e che quindi dà luogo ad una “ frequenza di cifra ” o “cadenza digitale” o bit-rate diversa a seconda della gerarchia STS o STM utilizzata. Sebbene i bit trasmessi siano allineati temporalmente, l’organizzazione logica dei bit all’interno delle trame è secondo uno spazio a 3 dimensioni (per STS>1) o a 2 dimensioni per STS-1
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La lettura del frame avviene: Comunicazioni Ottiche, Capitolo 2, Edizione Ottobre 2007
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1. da davanti " a dietro, 2. da sinistra " a destra, 3. dall’alto " al basso. ! per STS-1 si ha una frequenza di cifra pari a Quindi !
90 ! x 8 x 9 = 6480 bit trasmessi in 125 µs =
6480 6 10 = 51.84Mb / s 125
Per STM-1 = STS-3 ( il primo livello di SDH) si ha !
90 x 8 x 9 x 3 piani = 19440 bit trasmessi in 125 µs =
!
19440 6 10 = 155.52Mb / s 125
Consideriamo la struttura del “telaio” o “frame” di STS-1. Esso si presenta come segue:
si vede che esso è suddiviso in 4 aree principali: il Section OverHead, il
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Line OverHead, il Path OverHead e il Payload. Quest’ultimo occupa solo una parte dell’intero frame, più precisamente 86x9 byte o ottetti (secondo alcuni il PathOverhead è in realtà parte del payload perché descrive il payload stesso e quindi le colonne del payload sono 87) e si può quindi dire che più del 96% del frame di SONET è carico utile. Per quello che riguarda SDH, il frame di STM-1 si presenta come segue
come si vede la sua struttura è leggermente diversa da quella di SONET. Anche in questo caso sono individuabili le aree di OverHead equivalenti a quelle di SONET, ma messe in modo leggermente diverso. La larghezza di 9 colonne dell’OverHad riflette il fatto che SDH è equivalente a 3 livelli di STS-1. Ritornando al frame SONET, si osserva che il payload a sua volta viene riempito mappando su di esso i payloads client attraverso un’organizzazione a tributario chiamata Virtual Tributaries o Virtual Containers (VT/VC). I VT sono loro volta divisi in 7 Higher Level VT che possono ospitare diversi Lower Level VT e più esattamente 4 VT 1.5 ciascuno da 27 bytes = 108 bytes 3 VT 2 ciascuno da 36 bytes = 108 bytes 2 VT 3 ciascuno da 54 bytes = 108 bytes 1 VT 6 ciascuno da 108 bytes = 108 bytes
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Quindi ogni VT contiene 108 bytes organizzati secondo 12 colonne di 9 righe = 108. Ora, 12 colonne x 7 tributari fa 84 colonne, 3 in meno delle 87 destinate al payload. Di queste 3, 1 come abbiamo visto serve come overhead del payload stesso, e 2 sono tenute di riserva per eventuali problemi di sincronizzazione dei payload. Da dove vengono i bytes dei LVT? Essi derivano dalle trasmissioni che afferiscono a SONET nei nodi di multiplexing e, allo stesso modo, vengono tolti a SONET nei nodi di demultiplexing.
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Si supponga per esempio che il frame di SONET abbia un payload riempito solo nella zona di tributario VT-7. Esso trasporterà quindi solo l’informazione utile pari a 108 bytes in 125 µs ovvero 108 " 8 6 10 = 6.912Mb /sec 125
!
Questa informazione si può pensare dovuta a 4 canali di più basso bit-rate a loro volta multiplati a cui si aggiunge un overhead. Infatti se questi canali fossero provenienti dallo standard DS1 si avrebbe 1.544 Mb / x4 = 6.176Mb /s + 736kb /s di over head = 6.912Mb /s
L’organizzazione del payload e VT è la seguente !
Original payload DS1 1.544 Mb/s + OH " CEPT1 2.048 Mb/s + OH " DS1C 3.154 Mb/s + OH " ! + OH " DS2 6.312 Mb/s
Virtual Tributaries VT 1.5 x 4 " 6.912 Mb/s VT 2.0 x 3 " 6.912 Mb/s VT 3.0 x 2 " 6.912 Mb/s VT!6.0 x 1 " 6.912 Mb/s
! !
! ! ! Le operazioni !di aggregazione e preparazione del “traffico” da inserire
nella trama SONET sono eseguite con opportune regole (protocolli) dagli apparati chiamati Service Adapter sviluppati dalle aziende che preparano gli interfaccia SONET. Un altro concetto importante nell’organizzazione di SONET/SDH è rappresentato dal pointer. Può succedere infatti che per motivi di protocollo o di efficienza di trasporto il payload non stia dentro il singolo frame di SONET. In questo caso esso un’inizia da un punto qualsiasi del payload per continuare poi nel frame successivo. Il pointer è un numero contenuto nel Line Overhead (H1) che indica a che punto (a che numero di cella) del payload cercare l’inizio del payload stesso. L’impiego del pointer è molto importante anche perchè permette di ospitare a bordo di SONET payload ‘”floating” cioè flottanti rispetto alla trama stessa, come sono ad esempio le celle ATM. Tramite i “pointer” SONET/SDH è quindi in grado di ospitare sia traffico sincrono che asincrono.
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2.3 SONET Overhead Abbiamo visto come una parte dei bytes della trama SONET sia dedicata agli overhead (OH) per OAM (cioè Operation, Administration and Maintenance). In particolare, gli OH sono complessivamente 9 righe x 4 colonne = 36 bytes e sono divisi in 3 settori: Section OH, Line OH, Path OH. Queste aree rispecchiano la configurazione operativa di SONET che presenta 3 tipi di componenti.
Nel Path Terminal Equipment (PTE) avviene la multiplazione in cui si “mappa” il payload nel formato SONET. Questo apparato è quello visto dall’utente (customer) e quindi interfaccia il Customer Premise Equipment (CPE). Il Line Terminal Equipment (LTE) è un hub (mozzo, centro della rete), provvede alla multiplazione dei segnali SONET (cioè dei livelli STS-n) ed in particolare alla funzione di Protection Switching. Esso non è visto dal CPE ma opera fra elementi di rete. I Section Terminal Equipment (STE) sono rigeneratori di linea che eseguono principalmente funzioni di allineamento, error detection e
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monitoraggio dei segnali. Possono essere inclusi nel LTE. Al fine di organizzare il funzionamento di tutti questi apparati è stato sviluppato anche per SONET il concetto di layering secondo il quale il layer più alto ( client ) chiede il servizio al layer più basso ( server ) e così via. Nel caso di SONET si identificano quindi questi 3 principali layer, ognuno corrispondente ad un overhead e ad un apparato:
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Il meccanismo di funzionamento è il seguente: l’utente passa il traffico (ad esempio ATM e sopra questo IP) al Path layer (Il Path layer di SONET è quindi il layer più alto dello strato 1 della convenzione OSI strato di trasporto o secondo alcune dizioni, strato “fotonico”- sopra il quale sta solitamente il “data layer” o strato 2 OSI ). Qui si attacca un OH, si fanno le operazioni tipiche del PTE e si passa il traffico al Line layer. Ancora si attacca un OH, si fanno le operazioni del LTE e si passa al traffico al Section layer. Ancora si attacca un OH e si passa al traffico al lo strato ottico ( o “photonic layer”) dove non si attaccano header (almeno per il momento) ma si codificano i bits (ad esempio si può decidere di trasmettere RZ o NRZ, OOK o PSK, ecc.) e si inviano i segnali in fibra ottica. All’arrivo si passa al traffico a layer SONET sovrastante, avendo cura di rimuovere (strappare) gli OH posti prima. Come detto in precedenza, gli OH inseriti nelle varie sezioni di SONET rispecchiano le funzioni dei vari TE, in particolare: • Il POH è inserito durante la mappatura dei payload nelle trame SONET; • Il LOH è inserito dal LTE e serve soprattutto per funzione di protezione (protection-switching) e pointing; • Il SOH serve per gestire elementi adiacenti della rete. Vediamo (anche con l’ausilio delle illustrazioni) più da vicino il contenuto degli OH. La descrizione completa delle funzionalità degli OverHead trascende lo scopo di queste lezioni: è comunque un materiale protocollato nelle raccomandazioni ITU-T ( in particolare quelle della serie “G”) e molte volte “proprietario”, cioè specificato dai costruttori di apparati nei “manuali tecnici”.
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Section OverHead
Contiene 9 bytes (ottetti) le cui funzioni sono le seguenti: A1 e A2 : flags o framing bytes, il loro scopo è quello di identificare l’inizio del frame SONET e fanno quindi in modo che il ricevitore si sincronizzi sul segnale SONET. Il loro valore è F628 in esadecimale [1111011000101000] C1 : è il byte che corrisponde al livello n del STS-n B1 : è il byte di parità dell’intero frame STS-1. Viene eseguito un check di parità e si mette e il risultato in B1. E1 : è un byte per comunicazioni vocali a 64 Kb/s F1 : è un byte messo a disposizione D1 D2 D3 : sono utilizzati per trasmettere dati a 192 Kb/s all’interno della rete.
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Line OverHead
Contiene 18 bytes (ottetti) che non vengono processati dal rigeneratore (STE). - H1, H2, H3 : (pointers) indicano l’offset in bytes fra la posizione di H1 e l’inizio del payload. H3 è usato per giustificare un payload negativo. - B2 : è un byte di parità valutato per i soli bit del Line OH - K1 K2 : sono i bytes dedicati al protection switching e servono a segnalare i problemi di linea (failures degli apparati lungo la linea) - D4, D12 : sono usati per trasmettere informazioni di linea alla velocità di 576 Kb/s - Z1, Z2 : non sono definiti - E2 : è un altro byte per comunicazioni vocali a 64 kb/s. Comunicazioni Ottiche, Capitolo 2, Edizione Ottobre 2007
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Path OverHead
Contiene 9 bytes. E’ processato in tutti i punti della linea. Si specializza in classi. Nel caso di SONET payload indipendente, le funzioni dei bytes sono le seguenti: - J1 : verifica la connessione degli apparati - B3 : è un byte di parità valutato per i soli bit del PathOH - C2 : è usato per segnalare che un PTE non sta spedendo traffico, al fine di evitare allarmi - G1 : segnala lo status del path - H4 : è usato come byte-pointer per le celle ATM e per i carichi flottanti - Z3, Z4, Z5 : non sono definiti - F2 : usato dal network provider. Comunicazioni Ottiche, Capitolo 2, Edizione Ottobre 2007
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Architetture di Impiego Le reti SONET/SDH formano strutture complesse di cui nella figura seguente viene dato un esempio.
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In essa si notano: - gli anelli di sopravvivenza. Una delle funzioni principali di SONET/SDH è di garantire la sopravvivenza del traffico nel caso, ad esempio, di guasti accidentali alla fibra ottica. Le trasmissioni SONET/SDH sono quindi organizzate in “anelli” formati da una coppia di fibre ottiche unidirezionali, una essendo la working fiber e l’altra la protection fiber. Questa topologia è conosciuta come Unidirectional Self-Handling Ring (USHR). - gli Add-Drop Multiplexer (ADM) in cui i payload vengono inseriti ed estratti dalla rete (sono quindi dei PTE) e servono anche a ripristinare il traffico quando scatta la protezione. - i Digital Cross-Connect (DCS). Essi eseguono operazioni di “switching” cioè di “commutazione” al livello dei VT (Virtual Tributaries). Esso possono connettere traffico a diverse porte di uscita. L’insieme di USHR, ADM e DCS servono per sviluppare la gestione della rete inclusa l’importante funzione di “protezione”.
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