12 ТЕХНОЛОГІЇ ISDN, АТМ, DSL 

12.1 Технологія ISDN

Термін Цифрова мережа інтегрального обслуговування (ЦМІО, ISDN, Integrated Services Digital Network) описує організацію цифрових каналів передачі даних на основі існуючої телефонної мережі. Природно, магістральні канали і канали зв'язку між АТС вже давно, як правило, цифрові, так що мова йде про так звану “останню милю” – лінію зв'язку абонента з АТС. Подібна організація дозволяє, поряд з можливістю традиційного (голосового) використання телефонної лінії, надавати абонентові різноманітні послуги передачі даних. Однією з цілей розробки технології ISDN було надання абонентові стандартного інтерфейсу, за допомогою якого можна запрошувати у мережі різні послуги. В основі ISDN лежить глобальна комутація віртуальних каналів, основний пристрій, утворюючий ISDN-мережу, – це комутатор ISDN (рисунок 12.1).

ISDN надає абонентам послуги виділених каналів, комутованих каналів, комутації пакетів і кадрів.

Інтерфейси ISDN. Абонент отримує послуги ISDN на термінальному устаткуванні (TE, Terminal Equipment): комп'ютері, телефонному апараті, факсимільному апараті, міні-АТС, маршрутизаторі тощо.

Рисунок  12.1 – Підключення користувацького обладнання ISDN

Безпосередньо до каналу зв'язку з комутатором підключається пристрій,  який називають мережне закінчення (NT, Network Termination). Мережеві закінчення бувають двох видів: NT-1 і NT-2. Основна функція пристрою NT-1– перетворення 2-дротового  U-інтерфейсу (звичайної телефонної пари, сполученої з комутатором) в 4-дротовий T-інтерфейс. Термінальне обладнання, призначене для індивідуального (монопольного) користування каналом зв'язку (наприклад, якщо канал буде використаний тільки для передачі даних)  підключають безпосередньо до T-інтерфейсу. В більшості випадків загальним каналом користуватимуться декілька терміналів. Для їх мультиплексування призначені пристрої NT-2, що підключені до T-інтерфейсу, і що надають деяку кількість (зазвичай до 8) S-інтерфейсів, до яких можна підключати ISDN-термінали.

Термінальне обладнання, яке може з'єднуватися S-інтерфейсом, має назву TE-1. Інші пристрої (аналогові телефони, факси, модеми) називають TE-2 і можуть підключатися до S-інтерфейсу через додатковий пристрій – термінальний адаптер (TA, Terminal Adapter).

Призначений для користувача інтерфейс ISDN базується на каналах трьох типів: B, D і H. Абонентські В-канали (64 Кбіт/с) забезпечують дуплексну передачу користувацьких даних. D-канал (16 або 64 Кбіт/с) передає адресну інформацію для роботи комутаторів, а також виконує деякі інші сервісні функції. H-канали об'єднують декілька В- каналів для високошвидкісної передачі даних: H0 = 384 Кбіт/с (6 В- каналів), H10=1472 Кбіт/с (23 В- канали), H11 = 1536 Кбіт/с (24 В -канали), H12 = 1920 Кбіт/с (30 В- каналів).

Абонентові ISDN може бути наданий один з двох типів інтерфейсу: базовий (Basic Rate Interface, BRI) і первинний (Primary Rate Interface, PRI).

Базовий інтерфейс BRI складається з двох В- каналів і одного D- каналу (16 Кбіт/с). Призначається для індивідуальних користувачів. Сумарна швидкість передачі призначених для користувача даних по BRI складає 144 Кбіт/с в кожному напрямі. Дані передаються кадрами, що несуть  48 біт даних: по 16 біт для кожного В- каналу і 4 біта для D- каналу. Кадр містить також біти синхронізації. Передача одного кадру триває 250 мс.

Первинний інтерфейс PRI призначений для користувачів з потребами у високій пропускній спроможності. У США PRI складається з 23 В- каналів і одного D- каналу (64 Кбіт/с), що в сумі дає швидкість передачі 1536 Кбіт/с. У Європі і Україні PRI складається з 30 В- каналів і одного D- каналу (64 Кбіт/с), що в сумі дає швидкість передачі 1984 Кбіт/с. PRI може бути заснований і на H-каналах, але загальна пропускна спроможність не повинна перевищувати 2048 Кбіт/с для Європи, або 1544 Кбіт/с для США (це пов'язано з швидкостями найбільш поширених цифрових каналів в різних регіонах).

В-канали утворюють мережу з комутацією цифрових каналів, для них визначений тільки протокол фізичного рівня (I.430/431). Комутація складеного В- каналу відбувається при проходженні пакетів по D- каналу.

D-канали утворюють мережу з комутацією пакетів. Для цієї мережі визначені протоколи трьох рівнів: фізичного (I.430/431), канального (LAP-D, Q.921), мережного (Q.931). Окрім передачі запитів на комутацію В- каналів, D- канал може переносити пакети X.25 (наприклад, для зв'язку двох X.25-мереж через ISDN-мережу).

12.2 Технологія АТМ

Основні принципи технології АТМ. Технологія асинхронного режиму доставки (АРД, АТМ, Asynchronous Transfer Mode) розроблялася як єдиний універсальний транспорт для передачі різнорідного трафіку  лініями зв'язку.

Основна ідея АТМ зосереджена в подоланні головного недоліку мультиплексування з розділенням часу (TDM) – неможливості перерозподілу пропускної спроможності об'єднаного каналу між активними підканалами під час простою решти підканалів. АТМ суміщає підходи комутації пакетів (передача даних у вигляді індивідуальних пакетів, що адресуються) і комутації каналів (використання пакетів невеликого фіксованого розміру, що зменшують затримки в мережі). Інформація передається в комірках (cell) фіксованого розміру в 53 байти, з яких 5 байт відведено під заголовок, а 48 байт – під призначені для користувача дані. Основне обладнання в мережах АТМ – комутатори, які з'єднані цифровими лініями зв'язку. Малий розмір комірок дозволяє передавати чутливий до затримок трафік (наприклад, голос), а фіксований формат комірок дозволяє обробляти їх апаратно з високою швидкістю.

У мережі АТМ всі фізичні з'єднання виконуються за принципом “крапка-крапка”. Визначено два основні інтерфейси, які повинні підтримувати комутатори АТМ: інтерфейс користувач-мережа (UNI, User-to-Network Interface) для з'єднання абонентів з комутаторами, і інтерфейс мережа-мережа (NNI, Network-to-Network Interface), призначений для з'єднання комутаторів. Комірки, що передаються через UNI і NNI, мають практично однаковий (відрізняються лише одним полем) заголовок.

Заголовок комірки АТМ містить п'ять байт, його формат зображений на рисунку 12.2.

Рисунок 12.2 – Заголовок комірки АТМ

Поле CFG (Generic Flow Control) – загальне керування потоком існує тільки в UNI та, зазвичай, не використано. У NNI біти, займані цим полем, передаються полю VPI.

Поле VPI (Virtual Path Identifier) - ідентифікатор віртуального шляху. Віртуальній шлях може сполучати віртуальні канали, прокладені по одному маршруту через мережу, або канали, що мають загальну частину маршруту.

Поле VCI (Virtual Channel Identifier) - ідентифікатор віртуального каналу, що призначається з'єднанню при його налаштуванні. Всі комірки, передавані через це з'єднання, мають однаковий VCI. Поля VCI і VPI дозволяють визначити наступну точку призначення комірки – наступний комутатор на маршруті її передачі. Кожен комутатор призначає цим полям нові значення, так що вміст полів VPI і VCI мають сенс тільки для однієї конкретної лінії зв'язку, а не для всієї мережі.

Поле PT (Payload Type), тип інформації, дозволяє розрізнювати комірки, призначені для користувача і службові комірки. Перший біт цього поля в призначених для користувача комірках дорівнює 0, а в службових – 1. У призначених для користувача комірках може бути виставлений в 1 другий біт поля PT, що сигналізує про перевантаження мережі (цей біт називають явним покажчиком перевантаження в прямому напрямі (EFCI, Explicit Congestion Forward Identifier)). Третій біт цього поля може використовуватися в кадрах більш високого рівня.

Поле CLP (Congestion Loss Priority), пріоритет втрат, при перевантаженнях виставляється в 1 для вказівки низькопріоритетних комірок, які можна анулювати при перевантаженні мережі.

Поле HEC (Header Error Control), контрольна послідовність, для заголовка містить контрольну суму, обчислену за допомогою коректуючого коду Хемінга. Крім виявлення багатократних помилок, дозволяє виправляти всі одиничні і деякі подвійні помилки. Це поле грає важливу роль при передачі комірок мережами SONET/SDH. Поле даних кадру STS-n (STM-n) не містить вказівок на межі комірок АТМ. Тому комутатор АТМ обчислює контрольну суму для передбачуваних заголовків комірок, аж поки вона не співпаде із значенням поля HEC.

Комутатори АТМ функціонують в двох режимах використання  значень полів VCI і VPI: режимі комутації віртуального шляху і режимі комутації віртуального каналу. Перший режим ігнорує поле VCI і виконує передачу комірок тільки на основі поля VPI.

Так працюють магістральні комутатори, що комутують групи віртуальних каналів як єдине ціле, – віртуальний шлях. Комутатори локальних мереж зазвичай працюють в іншому режимі – режимі комутації віртуальних каналів, ігноруючи поле VPI і аналізуючи тільки поле VCI (рисунок 12.3).

Рис 12.3 – Віртуальні канали, спаковані у віртуальні шляхи

АТМ надає три типи сервісу:

Постійні віртуальні ланцюги (PVC, Permanent Virtual Circuits) функціонують аналогічно виділеним лініям, забезпечуючи прямий зв'язок між вузлами. В цьому випадку з'єднання встановлюється вручну (при створенні ланцюга) і не вимагає виконання додаткових процедур перед передачею даних.

Комутовані віртуальні ланцюги (SVC, Switched Virtual Circuits) функціонують аналогічно комутованим телефонним лініям – з'єднання встановлюється тільки на час передачі даних, для чого необхідно витратити час і трафік на виконання спеціальних процедур встановлення з'єднання.

Сервіс без встановлення з'єднання (connectionless service) є традиційним для мереж з комутацією пакетів - дейтаграмний сервіс.

Для різних видів інформації, передаваної через мережі АТМ, визначено п'ять класів сервісу (або класів трафіку):

Клас А - для передачі даних з постійною бітовою швидкістю (CBR, Constant Bit Rate) і ізохронністю, дозволяє передавати голос, відеозображення (зокрема телевізійне).

Клас B використовується для передачі даних із змінною бітовою швидкістю (VBR, Variable Bit Rate) і ізохронністю, дозволяє передавати компресований голос і відеозображення, наприклад, для відеоконференцій.

Клас C застосовується для передачі даних із змінною бітовою швидкістю без вимоги ізохронності зі встановленням з'єднання, дозволяє передавати трафік комп'ютерних мереж, що працюють по протоколах зі встановленням з'єднання, – TCP, X.25 тощо.

Клас D використовується для передачі даних із змінною бітовою швидкістю без вимоги ізохронності, без встановлення з'єднання, дозволяє передавати трафік комп'ютерних мереж, що працюють по протоколах без встановлення з'єднання, – IP (UDP), Ethernet  тощо.

Клас X не має стандартного опису і визначається параметрами трафіку і якості обслуговування, обумовленими в контракті на надання послуг передачі даних.

Стек протоколів АТМ відповідає нижнім рівням моделі OSI і включає три рівні: 

• Фізичний рівень (Physical layer) визначає способи передачі залежно від середовища. Фізичний рівень ділиться на два підрівні:

-         Підрівень, залежний від середовища передачі (PMD, Physical Medium Dependent), визначає фізичне середовище, включаючи типи кабелів і роз'ємів;

-         Підрівень конвергенції передачі (Transmission Convergence) визначає межі комірок в потоці біт, генерує і перевіряє поле контрольної суми HEC, упаковує комірки в кадри, погоджує швидкість передачі комірок;

• Рівень АТМ (АТМ layer) відповідає за передачу комірок через мережу;
• Рівень адаптації АТМ (AAL, АТМ Adaptation layer) забезпечує ізоляцію верхніх протокольних рівнів від деталей формування і передачі АТМ- комірок.

Архітектурна модель АТМ зазвичай містить, крім того, ще і вищі рівні, розташовані над AAL.

Рівень адаптації AAL містить підрівень збірки і сегментації (SAR, Segmentation And Reassembly) і підрівень конвергенції (CS, Convergence Sublayer). Нижній підрівень SAR не залежить від класу передаваного трафіку і призначений для взаємного перетворення повідомлень, що приймаються від верхніх рівнів в комірки і назад. Підрівень CS залежить від класу передаваного трафіку, в даний час використовується три рівні адаптації: AAL1, AAL3/4 і AAL5.

Протокол AAL1 призначений для передачі даних з постійною швидкістю (клас А). AAL1 вимагає синхронізації між джерелом і приймачем даних, яку повинна надавати лінія зв'язку (наприклад, SONET/SDH). Заголовок AAL1 складається з одного або двох байтів – номера комірки SN (Sequence Number) і, можливо, контрольного значення SNP (Service Number Protection) для контролю помилок в полі SN. Протокол AAL1 допускає втрату комірок, але, за рахунок синхронізації і нумерації комірок, мінімізує погіршення якості.

Протокол AAL3/4 обслуговує класи C і D, для яких допустима змінна швидкість передачі і характерний пульсуючий трафік. Протокол AAL3/4 прагне не допустити втрати комірок, для чого комірки можуть затримуватися і буферизуватися комутаторами. При формуванні комірок з даних верхніх рівнів, протокол AAL3/4, подібно AAL1, нумерує комірки, і додатково забезпечує кожну комірку контрольною сумою (CRC-10). При спотвореннях або втраті комірок не відбувається їх відновлення або повторного запиту – AAL тільки сигналізує верхньому рівню про помилку, що відбулася.

Протокол AAL5 працює подібно AAL4, за винятком того, що контрольною сумою забезпечується не кожна комірка, а всі повідомлення (загальна контрольна сума передається в останній комірці). Для вказівки останньої комірки повідомлення використовується третій біт поля PT заголовка комірки: у останньої комірки він встановлюється в 1. Це зменшує надмірність, але робить неможливим мультиплексування комірок різних повідомлень: комірки одного повідомлення повинні надходити одна за одною, не чергуючись з іншими комірками.

12.3 Технологія DSL

Технологію DSL (Digital Subscribers Line - цифрова абонентська лінія) розробила фірма Bell у 1987 р. Учені поставили собі за мету створити сучасну швидкісну технологію, яка б максимально використовувала наявні мідні мережі.

Телефонний модем використовує канал, смуга пропускання якого обмежена шириною частотного спектру сигналу мовлення (4 кГц). Модем DSL використовує всю наявну смугу пропускання.  Найпопулярніша в наш час технологія – ADSL (Asymmetric DSL – асиметрична DSL), стандарт ITU G.992.1, дозволяє приймати вхідний трафік зі швидкістю 8 Мбіт/с та відправляти вихідний зі швидкістю 1 Мбіт/с.

У тому пункті, де закінчується місцева лінія (крайова телефонна станція), сигнал піддається фільтрації, при якій вирізуються частоти нижче 300 Гц і вище 3400 Гц. Відсічення не є прямокутним – обидва краї мають рівень 3 дБ, тому смуга пропускання вважається рівною 4000 Гц, хоча насправді діапазон між двома цими краями складає тільки 3100 Гц. Таким чином, цифрові дані долають цей вузький канал.

Абоненти xDSL підключаються до особливого комутатора, на якому відсутній описаний раніше фільтр. Таким чином, на передачу даних відводиться вся смуга пропускання місцевої лінії. Ємність місцевих ліній залежить (рисунок 12.4) від довжини, товщини провідника та  поточного стану каналу. Перша версія ADSL реалізована за рахунок розділення спектру місцевої лінії, який становить приблизно 1,1 МГц, на три частотні діапазони: діапазону звичайної телефонної мережі, POTS (Plain Old Telephone Service); вихідного діапазону (від абонента); вхідного діапазону (від АТС) – рисунок 12.5. Технологію, в якій для різних потреб використовують різні частоти, називають частотним ущільненням або частотним мультиплексуванням.

Рисунок 12.4 – Залежності згасання сигналу від довжини

лінії та частоти сигналу

Відомо, що на сигнали, які передають телефонною лінією, впливають сильні перешкоди. Модеми призначені усунути цей вплив за допомогою спеціальних алгоритмів кодування, які опрацьовуватимуть сигнал на сигнальних процесорах та адаптивно узгоджуватимуть параметри сигналу і лінії. Прилади DSL мають схеми кодування 2В1Q, CAP, DMT з невеликою шириною смуги пропускання та небагатьма кодовими станами. Ці методи кодування дають змогу збільшити ступінь стиснення даних і завдяки цьому збільшити швидкість їхнього передавання. Найчастіше використовується дискретна багатотонова модуляція, DMT (Discrete MultiTone):  її суть полягає в розподілі всього спектру місцевої лінії шириною 1,1 МГц на 256 незалежних каналів по 4312,5 Гц в кожному. Канал 0 – це POTS. Канали з 1 по 5 не використовують, аби мовний сигнал не мав можливості інтерферувати з інформаційним. З решти 250 каналів один зайнятий контролем передачі у бік провайдера, ще один – у бік користувача, а всі інші доступні для передачі користувацьких даних.

Рисунок 12.5 – Робота ADSL  з використанням дискретної

багатотональної модуляції

З метою спрощення та здешевлення технології ІTU-T схвалив стандарт G.Lite ADSL як варіант UADSL(Universal ADSL). В UADSL застосовують DMT-модуляцію з 96 каналами. Зазвичай, під вихідний трафік користувачеві відводять 32 канали, а решта інформаційних каналів  може приймати дані. Якість лінії відстежується кожним каналом, і швидкість передачі постійно підлаштовується під цей параметр, тому канали можуть мати різну швидкість.

 Самі дані передаються за допомогою методу модуляції QAM, кількість біт на бод досягає при цьому 15. Пропускна спроможність вхідного трафіку при відведених для нього 224 каналах і 15 бітах на відлік на лінії 4000 бод становить 13,44 Мбіт/с. На практиці співвідношення сигнал/шум ніколи не буває достатнім для досягнення такої швидкості, проте 8 Мбіт/с на коротких дистанціях і якісних лініях – це реально.

Типова організація ADSL-лінії показана на рисунку 12.6. На схемі видно, що телефонна компанія встановила в приміщенні у абонента спеціальний пристрій сполучення з мережею, NID (Network Interface Device) та розгалужувач, який є аналоговим фільтром, що відокремлює смугу POTS (0-4000 Гц) від каналів даних.

Сигнали, що проходять по POTS, передаються на наявний телефон або факс, а  решта відправляється на ADSL-модем - цифровий сигнальний процесор, налаштований на роботу у якості 250 QAM-модемів одночасно на різних частотах. На протилежному кінці кабелю, на АТС, також встановлений розгалужувач. Тут мовна складова сигналу відокремлена від інформаційної та пересилається на звичайний телефонний комутатор. Сигнал, який передається на частотах, що перевищують 26 кГц, відправляється на мультиплексор доступу до DSL, DSLAM (Digital Subscriber Line Access Multiplexer), до складу якого як ADSL-модем входить сигнальний процесор того ж типу, що й у абонента.

Повне розділення мовного зв'язку і системи передачі даних дозволило телефонним компаніям впровадити ADSL. Потрібно всього лише встановити DSLAM і розгалужувач (спліттер) і під'єднати абонентів ADSL до цього розгалужувача. Інші системи з високою пропускною здатністю (наприклад, ISDN) вимагають набагато більших зусиль для їх впровадження і узгодження з наявним комутаційним обладнанням. Одним з недоліків представленою на рис. 12.6 системи є наявність NІD і розгалужувача в помешканні користувача. Встановити це обладнання може тільки технічний фахівець телефонної компанії, що відбивається на вартості виїзних послуг. З цієї причини був стандартизований інший варіант комплектації – в ньому відсутній розгалужувач, стандарт G.992.2 (G.lite).

Рисунок 12.6 – Типова конфігурація обладнання ADSL

Фактично, це та ж сама схема, але  без розгалужувача. Наявна телефонна лінія використовується як є. Єдине, що користувачеві необхідно зробити, це вставити в роз’їм кожного телефонного апарату спеціальний мікрофільтр, який у результаті повинен опинитися в схемі між телефоном або ADSL-модемом і телефонною лінією. Телефонний мікрофільтр видаляє сигнали, частоти яких перевищують 3400 Гц. Що ж до фільтру для ADSL-модему, то він, навпаки, пропускає тільки високі частоти, вирізуючи діапазон від 0 до 26 кГц. Проте система з розгалужувачем є надійнішою, тому максимальна швидкість роботи G.lite – тільки 1,5 Мбіт/с (проти 8 Мбіт/с в системах з розгалужувачем). При будь-якому з варіантів на стороні телефонної станції розгалужувач встановлюється.

Сьогодні відомі декілька технологій DSL:

-         HDSL (High bit rate DSL), використовує симетричні потоки в обох напрямах, швид­кість 1.5-2.3 Мбіт/с;

-         ADSL (Asymmetric DSL), використовує асиметричні потоки, один (від сервера до ко­ристувача) інтенсивніший; цю технологію застосовують в Internet ; швидкість передавання в одному потоці  від 64 Кбіт/с до 8,0 Мбіт/с, (G.lite - 1,5 Мбіт/с.), в іншому 16-768 Кбіт/с. В ADSL2+ частотна смуга для вхідного потоку даних розширена вдвічі, що дозволило збільшити швидкість вхідного потоку до 24 Мбіт/сек. ADSL2++ ще у 2 рази збільшує швидкість вхідного потоку (до 48 Мбіт/сек);

-         RADSL (Rate Adaptive DSL) адаптивна до швидкості, тобто в ній автоматично обира­ється оптимальна швидкість щодо якості каналу. Швидкості передавання є в інтервалах 600 Кбіт/с -7 Мбіт/с для одної лінії та 128 Кбіт/с - 1 Мбіт/с для іншої;

-         SDSL (Single line Symmetric DSL) використовує симетричні потоки в обох напрямах. Швидкість передавання всюди 2048  Кбіт/с;

-         VDSL (Very high bit rate DSL) має високі швидкості передавання: для вхідного потоку - 51 Мбіт/с, для вихідного - від 1.6 до 2.3 Мбіт/с. Відстань передавання обмежена - 100-300 м. VDSL+ використовує 4-смугове  кодування в діапазоні до 12 МГц, а з додаванням п’ятої смуги (12-30 МГц) можливе передавання  зі швидкістю до 200 Мбіт/с на коротких дистанціях.

На відміну від технології ISDN, технологія DSL використовує призначені канали зв'язку і працює одночасно з традиційним телефонним обладнанням. Технологія DSL не передбачає перебудови лінійного облад­нання мережі, як ISDN.