Schematy Protekcji SDH

Protekcja jako określony mechanizm odtwarzania

Sieć transportowa powinna utrzymać usługę po awarii odcinka światłowodu, interfejsu optycznego albo elementu komutującego. Protekcja SDH/SONET zapewnia wcześniej określony zasób alternatywny oraz regułę wyboru lub przełączenia. Trasy robocza i protekcyjna, punkty monitorowania oraz dozwolone polecenia są częścią projektu protekcji. Zdolność do kontynuowania usługi po awarii określa się jako odporność (ang. resiliency).

Zalecenie ITU-T G.841 definiuje architektury protekcji SDH oraz ich działanie podczas przełączenia. Rozróżnia ochronę sekcji multipleksowej, połączenia podsieciowego i całej ścieżki VC, a fizyczna realizacja może mieć postać łańcucha liniowego albo pierścienia. SONET korzysta z odpowiednich specyfikacji APS ANSI i Telcordia. Wśród mechanizmów znajdują się dedykowana protekcja 1+1, układy liniowe 1:1 i 1:N oraz pierścienie ze współdzieloną protekcją. Schematy różnią się chronioną warstwą, sposobem alokacji pasma i zakresem sygnalizacji APS wymaganej do przełączenia.

Podstawowe pojęcia protekcji

Wszystkie schematy protekcji wykorzystują redundancję. Zasób protekcyjny jest przypisany tak, aby ruch mógł być kontynuowany po awarii zasobu roboczego.

Robocza a protekcyjna: Ścieżka lub kanał przenoszący ruch w normalnych warunkach jest jednostką roboczą. Alternatywna ścieżka lub kanał jest jednostką protekcyjną. Przy ochronie przed przecięciem kabla obie trasy powinny być fizycznie rozdzielone, aby jedno zdarzenie budowlane nie usunęło obu zasobów.
Automatyczne Przełączanie Protekcyjne (APS): APS definiuje komunikaty i przejścia stanów używane do koordynacji przełączenia, gdy jest ona potrzebna. W SDH/SONET bajty K1 i K2 są przenoszone w (w MSOH, a w SONET w odpowiadającym mu nagłówku linii). Przenoszą żądania, priorytety i stan dla liniowej protekcji 1:1 lub 1:N oraz dla przełączeń we współdzielonych pierścieniach. W protekcji 1+1 odbiornik zwykle wybiera jedną z dwóch już odebranych kopii i nie wymaga wymiany APS. W projektach sieciowych często przyjmuje się cel przełączenia w 50 ms, lecz dotyczy on określonych warunków awarii i wyposażenia.
Protekcja linii a protekcja ścieżki: Protekcję można stosować na różnych warstwach. Protekcja linii (jak MSP) chroni sygnał liniowy o dużej przepływności, na przykład strumień STM-N. Protekcja ścieżki (jak SNCP) chroni określony ładunek, czyli Kontener Wirtualny podróżujący wewnątrz sygnału liniowego.

Liniowe Schematy Protekcji (Punkt-Punkt)

Te schematy chronią połączenia punkt-punkt, na przykład parę odcinków optycznych między dwoma lokalizacjami.

Architektura 1+1: Protekcja Dedykowana

W protekcji 1+1 jedna ścieżka robocza ma jedną dedykowaną ścieżkę protekcyjną. Odbiornik może wybrać jedną z dwóch kopii bez oczekiwania na zdalne polecenie mostkowania.

Zasada: „Mostkuj i wybieraj” (Bridge and Select). Węzeł nadawczy stale przesyła ten sam sygnał po obu włóknach, roboczym i protekcyjnym. Jest to operacja mostkowania.
Działanie: Węzeł odbiorczy (końcowy) nieustannie monitoruje jakość sygnału na obu przychodzących włóknach. Wybiera on sygnał o wyższej jakości do przekazania reszcie sieci.
Przełączanie: Jeśli włókno robocze zostanie przerwane, odbiornik wybiera kopię protekcyjną, którą już odbierał. Lokalny wybór nie wymaga zdalnej wymiany APS, a zmierzony czas zależy od detekcji awarii i implementacji urządzenia.
Zalety: Prosta logika odbiornika i dostępność kopii protekcyjnej w punkcie wyboru.
Wady: Duplikowanie transmisji stale zużywa pojemność protekcyjną. W układzie dwóch tras około połowa zasobów linii jest przeznaczona na kopię i nie może przenosić niezależnego ruchu.

Architektura 1:1

Ta architektura wykorzystuje ścieżkę protekcyjną do ruchu o niższym priorytecie w normalnych warunkach, zachowując ją dla usługi chronionej.

Zasada: Ścieżka robocza przenosi ruch o wysokim priorytecie. Ścieżka protekcyjna pozostaje dostępna dla ruchu o niższym priorytecie, który może zostać przerwany (preemptible traffic) w normalnych warunkach.
Działanie: Węzły na obu końcach wymieniają komunikaty APS K1/K2. W normalnych warunkach ścieżka robocza przenosi usługę chronioną, a ścieżka protekcyjna może przenosić ruch podatny na wywłaszczenie.
Przełączanie: Po wykryciu awarii ścieżki roboczej właściwy węzeł wysyła żądanie przełączenia w bajtach K1/K2. Oba końce koordynują przeniesienie ruchu o wysokim priorytecie na ścieżkę protekcyjną i wywłaszczają ruch o niższym priorytecie.
Zalety: W normalnej pracy pojemność protekcyjna może przenosić dodatkowy ruch, więc alokacja jest wydajniejsza niż w 1+1.
Wady: Przełączenie wymaga sygnalizacji APS i skoordynowanej zmiany stanów na obu końcach.

Architektura 1:N

W układzie 1:N jeden kanał protekcyjny jest współdzielony przez N kanałów roboczych. Taka alokacja oszczędza zasoby, ale wymaga reguły wyboru kanału, który otrzyma wspólną protekcję.

Model pojemności: Jeden kanał protekcyjny jest przypisany do grupy N kanałów roboczych, a chroniona usługa jest wybierana przez automat stanów APS.
Działanie: Układ przełączający na obu końcach identyfikuje uszkodzony kanał roboczy. APS koordynuje przeniesienie jego ruchu na pojedynczy, współdzielony kanał protekcyjny.
Ograniczenie: Jeden wspólny kanał może w danej chwili obsłużyć tylko awarię lub żądanie wybrane przez politykę grupy. Jednoczesne awarie mogą pozostawić jeden albo więcej kanałów roboczych bez tego zasobu.

Protekcja pierścieniowa: trasy alternatywne i pasmo współdzielone

Pierścień łączy każdy węzeł z dwoma sąsiadami, dlatego między parą węzłów istnieje trasa zgodna z jednym kierunkiem oraz trasa przeciwna. O odporności decyduje architektura protekcji. Obie trasy mogą przenosić kopie ścieżki albo część pojemności może zostać zarezerwowana dla skoordynowanego przełączenia linii.

Współdzielony Pierścień z Protekcją Sekcji Multiplekserowej (MS-SPRing)

Termin SDH to Współdzielony Pierścień z Protekcją Sekcji Multiplekserowej (MS-SPRing), a termin SONET to Dwukierunkowy Pierścień z Przełączaniem Linii (BLSR). Są to architektury współdzielonej protekcji linii, które wykorzystują informacje APS w nagłówku sekcji multiplekserowej lub linii.

Architektura (Przykład 2-włóknowy)

W typowym układzie 2-włóknowego MS-SPRing/BLSR między sąsiednimi węzłami biegną dwa światłowody. Skonfigurowana pojemność każdego włókna jest dzielona na część roboczą i protekcyjną, często po 50%. Przykład numeracji, w którym kanały 1 do 8 biegną zgodnie z ruchem wskazówek zegara, a 9 do 16 w kierunku przeciwnym, ma charakter ilustracyjny i nie jest uniwersalnym przydziałem szczelin.

Mechanizm Pętli Zwrotnej (Loopback) w Akcji

Przełączenie pierścieniowe, nazywane także przełączeniem typu "loopback", obsługuje całkowite przerwanie kabla przez użycie zarezerwowanej pojemności protekcyjnej po nieuszkodzonej stronie pierścienia:

Awaria: Kabel zostaje przecięty między węzłem B i C. Oba światłowody są zerwane.
Wykrycie: Węzeł B wykrywa Utratę Sygnału (LoS) na swoim łączu w kierunku C. Węzeł C wykrywa LoS od B.
Sygnalizacja: Węzły B i C wymieniają informacje o awarii i przełączeniu w bajtach K1/K2 przez sąsiednie sekcje, dzięki czemu węzły pierścienia przyjmują ten sam stan protekcyjny.
Przełączenie Pętli Zwrotnej:
- Węzeł B, tuż przed przerwą, wykonuje "loopback". Ruch roboczy o wysokim priorytecie, który wysyłałby w kierunku C, jest teraz zawracany na pojemność protekcyjną światłowodu biegnącego w przeciwnym kierunku od przerwy (z powrotem do A).
- Węzeł C, tuż za przerwą, wykonuje to samo w odwrotnym kierunku. Ruch roboczy przybywający od D przeznaczony dla B jest zawracany na pojemność protekcyjną biegnącą z powrotem w kierunku D.
Rezultat: Ruch biegnie nieuszkodzoną stroną pierścienia z użyciem zarezerwowanej pojemności protekcyjnej i omija uszkodzony odcinek. W projektach sieciowych często przyjmuje się cel odtworzenia w 50 ms, lecz dotyczy on określonych warunków awarii, odległości i wyposażenia.

Protekcja Ścieżki: SNCP / UPSR

Alternatywą dla ochrony całej linii jest ochrona poszczególnych ładunków lub ścieżek. W SDH jest to znane jako Protekcja Połączenia Podsieciowego (SNCP), a w SONET nazywa się Jednokierunkowym Pierścieniem z Przełączaniem Ścieżki (UPSR).

Zasada: SNCP działa na tej samej zasadzie „mostkuj i wybieraj” co protekcja liniowa 1+1, ale jest stosowana do określonej, końcowej ścieżki (Kontenera Wirtualnego).
Działanie w Pierścieniu: W węźle źródłowym (np. A) określony ładunek VC jest na stałe mostkowany i wysyłany w obu kierunkach pierścienia jednocześnie (zgodnie i przeciwnie do ruchu wskazówek zegara). Węzeł docelowy (np. C) odbiera dwie identyczne kopie VC z obu kierunków. Nieustannie je monitoruje i wybiera lepszą z nich na swoje wyjście.
Przełączanie: Jeśli po jednej stronie pierścienia wystąpi awaria, węzeł docelowy wybiera kopię VC docierającą z drugiej, nieuszkodzonej strony. Jest to decyzja lokalna, ale zmierzony czas obejmuje także wykrycie awarii i pracę selektora.
MSP a SNCP: MSP (jak MS-SPRing) jest bardziej wydajne pod względem pasma, ale chroni całą linię (cały ruch jest przełączany razem). SNCP jest mniej wydajne (jak 1+1), ale pozwala na ochronę na poziomie pojedynczej usługi, co oznacza, że awaria jednej ścieżki nie wpływa na inne, a różne ścieżki mogą mieć różne poziomy ochrony.