Dlaczego Pierścienie? Fundament Odporności Sieci

Chociaż proste połączenie punkt-punkt jest najbardziej bezpośrednim sposobem na połączenie dwóch lokalizacji, ma ono krytyczną słabość: pojedyncza awaria (jak koparka przecinająca kabel światłowodowy) całkowicie zrywa komunikację. Aby budować wysoce niezawodne sieci, zwłaszcza w obszarach metropolitalnych i szkieletowych, potrzebny jest bardziej odporny układ fizyczny. Rozwiązaniem jest topologia pierścieniowa.

Wyobraźmy sobie jedną drogę łączącą miasto A i miasto B. Jeśli dojdzie do wypadku, ruch ustaje. Teraz wyobraźmy sobie obwodnicę, która łączy A i B, ale przechodzi także przez miasta C i D. Jeśli droga między A i B jest zablokowana, ruch można po prostu przekierować „dłuższą drogą” przez D i C, aby dotrzeć do celu. Pierścień w naturalny sposób zapewnia dwie fizycznie rozłączne ścieżki między dowolnymi dwoma węzłami, co czyni go kamieniem węgielnym niezawodności SDH. „Węzłami przesiadkowymi” na tych cyfrowych obwodnicach są Multipleksery Dodająco-Odejmujące (ADM).

Dwie Filozofie Protekcji Pierścieniowej

W ramach architektury pierścieniowej, SDH implementuje dwie podstawowe filozofie ochrony ruchu przed awariami. Różnią się one tym, co chronią i jak efektywnie wykorzystują pasmo.

Szczegółowo: Pierścienie z Przełączaniem Ścieżki (SNCP)

W terminologii międzynarodowej SDH jest to Protekcja Połączenia Podsieciowego (SNCP). W terminologii amerykańskiego SONET, jest to Jednokierunkowy Pierścień z Przełączaniem Ścieżki (UPSR). Oba terminy opisują ten sam mechanizm.

Architektura i Działanie

SNCP to zazwyczaj pierścień 2-włóknowy, w którym ruch w każdym włóknie płynie w przeciwnym kierunku. Mechanizm protekcji opiera się na zasadzie 1+1 „mostkuj i wybieraj”:

1. Stałe Mostkowanie: Gdy usługa (np. VC-12 przenoszący strumień E1) ma być wysłana z Węzła A do Węzła C, ADM w Węźle A tworzy stały mostek. Wysyła identyczne kopie VC-12 na oba pierścienie jednocześnie (jedną zgodnie z ruchem wskazówek zegara, np. przez B, a drugą przeciwnie, np. przez D).
2. Ciągłe Monitorowanie i Wybór: ADM docelowy w Węźle C odbiera obie kopie VC-12, po jednej z każdego kierunku. Jego wewnętrzna matryca komutacyjna stale monitoruje stan obu sygnałów na podstawie informacji w Nagłówku Ścieżki. Wybiera sygnał z wcześniej wyznaczonej ścieżki „roboczej” i przekazuje go do lokalnego portu dopływowego.
3. Natychmiastowe Przełączenie: Jeśli nastąpi przerwanie włókna między węzłami B i C, sygnał na ścieżce zgodnej z ruchem wskazówek zegara zaniknie. Selektor w Węźle C wykrywa tę awarię (np. Utratę Sygnału lub wysoką stopę błędów) i natychmiast przełącza swoje wyjście, aby używać sygnału, który cały czas odbierał z kierunku przeciwnego do ruchu wskazówek zegara.

Charakterystyka SNCP

• Bardzo Szybka: Czas przełączenia jest ekstremalnie krótki (znacznie poniżej 50 ms), ponieważ nie jest wymagana skomplikowana sygnalizacja. Sygnał zapasowy już czeka w miejscu docelowym.
• Prosta: Logika jest jednoznaczna i odporna na błędy.
• Niewydajne Wykorzystanie Pasma: Jej główną wadą jest nieefektywność. Ponieważ każda usługa jest duplikowana, 100% przepustowości pierścienia jest zużywane do dostarczenia 50% pojemności roboczej. Czyni ją to kosztowną dla transportu szkieletowego, ale idealną dla sieci dostępowych, gdzie ruch ma często charakter rozgłoszeniowy (np. dystrybucja sygnałów wideo).

Szczegółowo: Pierścienie z Przełączaniem Linii (MS-SPRing)

Dla sieci szkieletowych i dalekiego zasięgu, gdzie wydajność pasma jest najważniejsza, preferowanym rozwiązaniem jest Współdzielony Pierścień z Protekcją Sekcji Multiplekserowej (MS-SPRing) (nazwa SDH) lub Dwukierunkowy Pierścień z Przełączaniem Linii (BLSR) (nazwa SONET). Jest to bardziej złożony, ale znacznie wydajniejszy schemat protekcji współdzielonej. Skupimy się na powszechnej implementacji 2-włóknowej.

Architektura i Alokacja Pasma

Pierścień 2-włóknowy BLSR używa pary światłowodów między każdym węzłem, jednego do transmisji zgodnie z ruchem wskazówek zegara, a drugiego przeciwnie. Pojemność na każdym włóknie jest logicznie podzielona na pół:

• Pojemność Robocza (50%): Używana do przenoszenia ruchu usługowego o wysokim priorytecie w normalnych warunkach.
• Pojemność Protekcyjna (50%): Zarezerwowana i pusta. Jest używana tylko do przenoszenia przekierowanego ruchu w przypadku awarii.

Przełącznik Pętli Zwrotnej: Przetrwanie Przerwania Kabla

Potężna odporność MS-SPRing pochodzi z jego głównego mechanizmu protekcyjnego przeciwko katastrofalnym awariom, takim jak całkowite przerwanie kabla: przełącznik pętli zwrotnej (loopback).

1. Normalna Praca: Ruch między, na przykład, Węzłem A i Węzłem C płynie kanałami roboczymi po najkrótszej ścieżce (np. przez Węzeł B). Kanały protekcyjne na wszystkich łączach są puste.
2. Awaria: Ekipa budowlana przypadkowo zrywa cały kabel między Węzłem B i Węzłem C. Oba światłowody zostają przerwane.
3. Wykrycie i Sygnalizacja: ADM w Węźle B i C natychmiast wykrywają Utratę Sygnału (LoS). Używają bajtów APS (K1, K2) w Nagłówku Sekcji Multiplekserowejdo rozgłoszenia alarmu o awarii do wszystkich pozostałych węzłów w pierścieniu.
4. Skoordynowane Przełączenie: Węzły sąsiadujące z przerwą (B i C) wykonują przełączenie typu "loopback":
   • W Węźle B: Ruch roboczy przybywający z Węzła A, który był przeznaczony dla Węzła C, jest teraz wewnętrznie mostkowany z wejścia roboczego na kanały protekcyjne łącza biegnącego z powrotem w kierunku Węzła A.
   • W Węźle C: Podobnie, ruch roboczy przybywający od D przeznaczony dla B jest zawracany z kanałów roboczych na kanały protekcyjne łącza biegnącego z powrotem w kierunku D.
5. Rezultat: Sieć jest rekonfigurowana w milisekundach. Ruch, który wcześniej korzystał z krótkiej ścieżki, jest teraz przekierowywany "dłuższą drogą" wokół pierścienia, wykorzystując wcześniej pustą pojemność protekcyjną. Cały pierścień tymczasowo działa jak jeden długi, liniowy łańcuch, przezroczyście omijając fizyczną przerwę.

Pierścienie 4-włóknowe i Podsumowanie

Dla jeszcze większej pojemności i odporności, operatorzy mogą wdrażać architektury 4-włóknowe BLSR/MS-SPRing.

• Architektura: Używa czterech światłowodów między każdym węzłem: dwa włókna robocze (po jednym dla każdego kierunku) i dwa dedykowane włókna protekcyjne (również po jednym dla każdego kierunku).
• Pojemność: Zapewnia podwójną pojemność roboczą w stosunku do pierścienia 2-włóknowego.
• Protekcja: Oferuje bardziej zaawansowaną ochronę, będąc w stanie wykonać szybsze „przełączenie toru” (span switch) – proste przeniesienie ruchu z włókna roboczego na jego dedykowane, równoległe włókno protekcyjne – w przypadku awarii pojedynczego włókna, i powracając do „przełączenia pierścienia” (loopback) w przypadku całkowitego zerwania kabla.