Wprowadzenie: Sieciowa Siatka Bezpieczeństwa

Sieć telekomunikacyjna jest jak potężny system autostrad dla danych. Ale co się stanie, jeśli zawali się most lub droga zostanie zablokowana przez wypadek? W prawdziwym świecie autostrad ruch staje w miejscu. W dobrze zaprojektowanej sieci telekomunikacyjnej ruch jest automatycznie i niemal natychmiastowo przekierowywany wokół awarii. Ta zdolność do przetrwania uszkodzeń to cecha zwana odpornością (ang. resiliency) i jest jednym z najważniejszych aspektów projektowania sieci.

Jednym z głównych powodów, dla których SDH na dziesięciolecia stała się szkieletem globalnej komunikacji, były jej potężne, znormalizowane i niezwykle szybkie mechanizmy protekcji. Mechanizmy te, wbudowane bezpośrednio w DNA technologii, pozwalają sieciom na „samoleczenie” w milisekundach, często bez jakiejkolwiek zauważalnej dla użytkownika przerwy w usłudze. Ta strona bada najważniejsze schematy protekcyjne zdefiniowane w SDH.

Fundamentalne Koncepcje Protekcji

Wszystkie schematy protekcji opierają się na kluczowej zasadzie redundancji: posiadania zasobu zapasowego, gotowego do przejęcia pracy w przypadku awarii zasobu podstawowego.

• Robocza a Protekcyjna: W każdym schemacie podstawowa ścieżka lub kanał, używany do transmisji ruchu w normalnych warunkach, nazywany jest jednostką roboczą. Zapasowa ścieżka lub kanał to jednostka protekcyjna. Kluczowym wymogiem jest, aby ścieżki robocza i protekcyjna były fizycznie rozłączne (prowadzone różnymi trasami geograficznymi), aby były skuteczne przeciwko zdarzeniom takim jak przecięcie kabla przez koparkę.
• Automatyczne Przełączanie Protekcyjne (APS): Jest to protokół, który zarządza wykrywaniem awarii i koordynacją przełączenia z trasy roboczej na protekcyjną. W SDH komunikacja APS jest przenoszona w dedykowanych bajtach w Nagłówku Sekcji(konkretnie w bajtach K1 i K2). Pozwalają one urządzeniom na obu końcach łącza na sygnalizowanie awarii i koordynację przełączenia w czasie poniżej 50 milisekund.
• Protekcja Linii a Protekcja Ścieżki: Protekcję można stosować na różnych warstwach. Protekcja Linii (jak MSP) chroni cały sygnał liniowy o dużej prędkości (cały strumień STM-N). Protekcja Ścieżki (jak SNCP) chroni określony, indywidualny ładunek (Kontener Wirtualny) podróżujący wewnątrz sygnału liniowego.

Liniowe Schematy Protekcji (Punkt-Punkt)

Te schematy są używane do ochrony prostych połączeń punkt-punkt, takich jak pojedyncze łącze światłowodowe między dwoma miastami.

Architektura 1+1: Protekcja Dedykowana

Jest to najprostsza i najszybsza forma protekcji. Nazwa opisuje jej funkcję: na jedną ścieżkę roboczą przypada jedna dedykowana ścieżka protekcyjna.

• Zasada: „Mostkuj i Wybieraj” (Bridge and Select). Węzeł nadawczy (główny) na stałe transmituje dokładnie ten sam sygnał na obu włóknach – roboczym i protekcyjnym – jednocześnie. Nazywa się to stałym mostkowaniem.
• 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 po prostu kontynuuje używanie sygnału z włókna protekcyjnego, który już odbierał. Przełączenie jest praktycznie natychmiastowe (zazwyczaj znacznie poniżej 50 ms), ponieważ nie jest wymagana żadna sygnalizacja ani koordynacja (sygnał zapasowy już tam jest).
• Zalety: Niezwykle szybkie przełączanie (poniżej 50 ms) i prostota.
• Wady: Bardzo nieefektywne wykorzystanie zasobów. 50% pojemności sieci jest na stałe zarezerwowane na backup i nie może być używane do transmisji żadnego innego ruchu. To jak płacenie za dwa bilety lotnicze w pierwszej klasie, ale korzystanie tylko z jednego miejsca.

Architektura 1:1

Ta architektura poprawia wydajność 1+1, pozwalając na wykorzystanie ścieżki protekcyjnej do innego ruchu w normalnych warunkach.

• Zasada: Ścieżka robocza przenosi ruch o wysokim priorytecie. Ścieżka protekcyjna nie jest bezczynna; może przenosić ruch o niższym priorytecie, który może zostać przerwany (preemptible traffic).
• Działanie: Węzły na obu końcach stale komunikują się za pomocą bajtów APS K1/K2. W normalnych warunkach ruch płynie na obu ścieżkach.
• Przełączanie: Gdy na ścieżce roboczej zostanie wykryta awaria, węzeł nadawczy sygnalizuje żądanie przełączenia do węzła odbiorczego za pomocą bajtów K1/K2. Oba węzły koordynują natychmiastowe przełączenie ruchu o wysokim priorytecie na ścieżkę protekcyjną, zrywając (przerywając) ruch o niskim priorytecie, który jej wcześniej używał.
• Zalety: Bardziej efektywne wykorzystanie pasma w porównaniu do 1+1, ponieważ włókno protekcyjne nie jest marnowane.
• Wady: Przełączenie jest nieco wolniejsze z powodu wymaganej sygnalizacji, a mechanizm jest bardziej złożony.

Architektura 1:N

Jest to najbardziej oszczędny pod względem zasobów schemat liniowy, w którym jeden współdzielony kanał protekcyjny chroni N kanałów roboczych.

• Analogia: To jak posiadanie jednego koła zapasowego, które można użyć do każdego z czterech kół w samochodzie.
• Działanie: Wymaga bardziej złożonego sprzętu przełączającego na obu końcach. Gdy którykolwiek z N kanałów roboczych ulegnie awarii, protokół APS koordynuje przełączenie jego ruchu na pojedynczy, współdzielony kanał protekcyjny.
• Ograniczenie: Może chronić tylko przed jedną awarią na raz w grupie N kanałów. Jeśli dwa kanały robocze ulegną awarii jednocześnie, tylko jeden może zostać objęty protekcją.

Protekcja Pierścieniowa: Sieci Samonaprawiające się

Chociaż protekcja liniowa jest użyteczna, najpopularniejszą i najbardziej odporną architekturą dla sieci szkieletowych jest pierścień. Topologia pierścieniowa naturalnie zapewnia dwie fizycznie rozłączne ścieżki między dowolnymi dwoma węzłami w pierścieniu, co czyni ją idealną do protekcji.

Współdzielony Pierścień z Protekcją Sekcji Multiplekserowej (MS-SPRing)

Znany w SONET jako Dwukierunkowy Pierścień z Przełączaniem Linii (BLSR), jest to najpotężniejszy i najpowszechniej wdrażany mechanizm protekcji pierścieniowej.

Architektura (Przykład 2-włóknowy)

Pierścień 2-włóknowy używa dwóch światłowodów między każdym węzłem. Na każdym światłowodzie całkowita pojemność jest dzielona na pół: 50% jest dla ruchu roboczego, a 50% jest zarezerwowane dla ruchu protekcyjnego. Ruch normalnie podróżuje w obu kierunkach pierścienia (np. kanały 1-8 zgodnie z ruchem wskazówek zegara, kanały 9-16 przeciwnie do ruchu wskazówek zegara).

Mechanizm Pętli Zwrotnej (Loopback) w Akcji

Geniusz MS-SPRing polega na przełączniku typu "loopback", który chroni przed całkowitym przerwaniem kabla:

1. Awaria: Kabel zostaje przecięty między węzłem B i C. Oba światłowody są zerwane.
2. Wykrycie: Węzeł B wykrywa Utratę Sygnału (LoS) na swoim łączu w kierunku C. Węzeł C wykrywa LoS od B.
3. Sygnalizacja: Węzły B i C natychmiast używają bajtów K1/K2, aby rozgłosić powiadomienie o awarii po całym pierścieniu.
4. 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.
5. Rezultat: Ruch teraz podróżuje "dłuższą drogą" wokół pierścienia, używając zarezerwowanego pasma protekcyjnego, całkowicie omijając uszkodzony segment. Połączenie jest przywracane, zazwyczaj w czasie krótszym niż 50 milisekund.

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 na jednej stronie pierścienia wystąpi awaria, węzeł docelowy po prostu kontynuuje używanie kopii VC, która dociera z drugiej, nieuszkodzonej strony. Przełączenie jest niezwykle szybkie.
• 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.