При реализации подобных схем возникают определенные проблемы, связанные с необходимостью наличия в TDM сети единого источника синхронизации, что крайне не легко осуществить в среде с пакетной коммутацией в силу того, что понятие постоянной синхронизации там просто отсутствует. Компания RAD Data Communications нашла выход из данной ситуацией, разработав линейки продуктов, позволяющих предоставлять как традиционные сервисы через сети с пакетной коммутацией, так и сервисы нового поколения через традиционные сети. Ниже речь пойдет именно о первом решении

Схема предоставления различных услуг по традиционным сетям и сетям нового поколения

Как уже было сказано выше, провайдеры услуг связи и корпоративные пользователи проявляют повышенный интерес к предоставлению голосовых сервисов и сервисов по выделенным линиям связи через высокоэффективные сети со структурами Ethernet, IP или MPLS. Пока технология VoIP становится более зрелой, ее применение требует инвестирования в новую инфраструктуру сетей и пользовательское оборудование. Псевдопроводные технологии на базе TDM предлагают путь миграции, что позволяет сохранить инвестиции в уже существующую инфраструктуру TDM. Это достигается тем, что в то время как становится возможным использование сетей с пакетной коммутацией в качестве транспорта, нет необходимости в немедленной замене пользовательского оборудования на новое. При использовании псевдопроводных технологий становится возможным совместное использование в сети сегментов с различными технологиями передачи, такими как Ethernet, IP, MPLS и TDM. Суть этих технологий заключается в эмуляции традиционных сервисов и предоставлении их через сети с пакетной коммутацией.

Псевдопроводные технологии на базе TDM были разработаны в 1998 году компанией RAD Data Сommunications (TDMoIP®) и впервые были применены в Швеции в 1999 компанией Utfors (позднее ставшей Telenor). Компания Utfors применила устройства первого поколения (известные как IPmux-4) для предоставления объединенных сервисов, включающих частные и выделенные линии TDM, и разнообразных сервисов IP и Ethernet. В 2001 году IETF образовала PWE3 рабочую группу, в обязанности которой входила стандартизация методов инкапсуляции и т.д. Другие форумы по стандартизации, включая ITU, MEF и MFA Forum тоже участвовали в разработке стандартов для псевдопроводных технологий.

Псевдопроводные технологии

Как уже говорилось ранее, при использовании псевдопроводных технологий происходит эмуляция традиционных сервисов и предоставление их через сети с пакетной коммутацией. В качестве традиционных сервисов могут выступать низкоскоростной TDM, SDH, ATM, Frame Relay, или Ethernet, в то время, как пакетно коммутируемая сеть может быть Ethernet, MPLS, или IP (IPv4 IPv6).

При использовании псевдопроводных технологий имеет место эмуляция работы PSN (packet switched network) в качестве «простого проводника», по которому можно предоставлять традиционные сервисы. Первыми спецификациями, описывающими Псевдопроводные технологии, была: в сетях ATM “Martini Draft” и TDMoIP компании RAD Data Communications для передачи E1/T1 через сети IP.

Пионером в псевдопроводных технологиях была компания RAD Data Сommunications. Ее запатентованная технология TDMoIP позволяет эмулировать мультиплексирование с временным разделением (TDM) через сеть с пакетной коммутацией. В данном случае под TDM понимаются T1/E1, T3/E3 каналы или STM-1, в то время, как в качестве чети PSN могут выступать сети, основанные на IP, MPLS или Ethernet. Термин «эмуляция линии» (circuit emulation) изначально относился к сетям ATM, но в данный момент часто используется как синоним для псевдопроводных технологий TDM.

Схема реализации подключения при использовании классической телефонии

Схема реализации подключения при использовании псевдопроводных технологий

Псевдопроводные технологии TDM позволяют передать битовый поток в режиме реального времени с характеристиками, приемлемыми для TDM сетей. Вдобавок к этому, в сетях TDM существует множество особенностей и функций, которые, в частности, требуются для передачи телефонных каналов. Благодаря этим функциям обеспечивается передача системной сигнализации, обеспечивающей широкий спектр дополнительных возможностей, достижения существующих стандартов, обеспечения OAM механизмов. Все эти факторы должны быть учтены, при эмуляции TDM через PSN.

Достаточно критичным фактором в случае применения псевдопроводных технологий TDM является восстановление синхронизации. В традиционных сетях TDM за передачу синхронизации и данных ответственен физический уровень, в то время, как при эмуляции TDM через PSN синхронизация на физическом уровне отсутствует. Требования к синхронизации крайне высоки и для соответствия им необходим особый механизм воссоздания сигналов синхронизации.

Еще одному фактору стоит уделить особое внимание. Речь идет о маскировании потери пакетов (packet loss concealment (PLC)). TDM данные передаются через выделенный канал с постоянной скоростью. Не смотря на то, что могут быть битовые ошибки, данные никогда не теряются при передаче. В то же время, все PSN сети в той или иной мере подвержены эффекту потери пакетов. И этот эффект должен быть скомпенсирован в процессе предоставления сервисов TDM через PSN.

Другими возможными реализациями псевдопроводных технологий TDM являются технологии CESoPSN и SAToP. В своей технологии integrated circuit (IC), которая используется в устройствах IPmux и Gmux компания RAD Data Communications поддерживает все три стандарта. Кроме того, RAD Data Communications предоставляет оборудование третьим компаниям и гарантирует возможность его работы с TDM оборудованием других производителей, работающем с использованием псевдопроводных технологий.

Принцип передачи псевдопроводных технологий

Описание структуры TDM

TDM может быть использован для передачи произвольных битовых потоков на скоростях, описанных в стандарте G.702. В этом стандарте описан процесс передачи бит в структурах, в состав которых входит определенное количество бит в некоей последовательности. Такие структуры называются фрейм или кадр. При передаче трафика TDM, скорость передачи бит напрямую связана с частотой дискретизации голосового трафика, следовательно, в данном случае всегда применяется 8000 фреймов в секунду; T1 фрейм состоит из 193 бит, а E1 из 256.

В отличие от неструктурированного TDM трафика, в котором каждый бит может нести полезную нагрузку, в структурированном, или фреймированном (кадрированном) TDM потоке во фрейме требуются определенное количество бит для синхронизации и других потребностей(например 1 бит на фрейм T1 и 8 бит на фрейм E1). Фреймированный поток TDM часто используется для мультиплексирования множественных голосовых потоков, каждый из которых состоит из 8000 8-ми битовых отсчетов в секунду, в последовательность временных интервалов (тайм слотов). В таком случае возникает так называемый "channelized TDM".

Для того чтобы передавать сигнальные биты может использоваться более сложная структура, называющаяся мультикадр или сверхцикл. Например. Для потоков E1 с сигнализацией CAS сигнальные биты передаются один раз на мультикадр, состоящий из 16 фреймов (каждые 2 мс.), в то время как для потоков T1 ESF мультикадр состоит из 24 фреймов (3 мс.). Кроме того, широко используются и другие сложные структуры. В сотовых сетях GSM существуют каналы A-bis, соединяющие базовую станцию (BTS) и контроллер базовой станции (BTS). Эти каналы, по сути, являются видоизмененными E1 с длительностью мультикадра 20 мс.

Термин «структурированный TDM» применим для описания структуры любой сложности, включая фреймированный TDM и канализированный TDM. Псевдопроводной TDM транспорт является «структурно независимым» при передаче нефреймированного или даже, фреймированного потока. Просто транспортный механизм, совершенно «не обращает внимания» на кадровую структуру.

В таких случаях все данные и заголовки должны предаваться прозрачно и применяемый метод инкапсуляции не имеет механизмов их обработки. Структурозависимый транспорт TDM способен обеспечивать сохранность TDM структуры тремя способами: structure-locking, structure-indication, и structure-reassembly.

Формат Псевдопроводного TDM

В процессе передачи TDM трафика по сетям PSN происходит следующее: TDM поток сегментируется, адаптируется и инкапсулируется для передачи в точке отправления, в точке приема происходит обратная операция. Адаптация полезной нагрузки TDM осуществляется для реализации возможности ее реконструкции на противоположной стороне. При использовании правильной адаптации появляется возможность восстановить сигнализацию и синхронизацию. Инкапсуляция определяет размещение адаптированной нагрузки TDM в пакетах, применяемых в PSN сети. Рекомендация ITU-T Y.1413 содержит полное описание пакетов MPLS, а Y.1453 - IP.

Формат псевдопроводного TDM

Форматы нагрузки:
SAToP используется для передачи структурно независимого трафика (E1, T1, E3, T3) в виде потока бит
TDMoIP – AAL1 используется для передачи с постоянной скоростью
TDMoIP – AAL2 используется для передачи с динамически изменяющейся скоростью
CESoPSN используется для
HDLC используется при использовании сигнализации CAS (SS7, ISDN-PRI)

Инкапсуляция

В любом случае псевдопроводной TDM пакет сопровождается заголовком, применяемым в данной PSN сети. Существуют стандартные заголовки, используемые в сетях, такие как 20-ти байтный заголовок UDP/IP или метка MPLS. После этого заголовка идет метка (контрольное слово), состоящая из четырех байт. По сути, она аналогична метке MPLS и служит для демультиплексирования TDM потоков.

Инкапсуляция

0 0 0 0/ FORMID (4 бита)
• Используется для определения режима TDMoIP (AAL1, AAL1 – CAS, AAL2, HDLC)
• Разделение пакетов IP и PW (псевдопроводных) для сетей MPLS (первый - 0, когда применяется MPLS)

Флаги (4 бита)
• L – локальный сбой
• R – удаленный сбой
• M - используется дополнительно к L

FRG в CESoPSN используются для определения начального, промежуточного и последнего фрагмента
• 00 – цельная не фрагментированная нагрузка
• 01 – пакет содержит первый фрагмент
• 10 – пакет содержит последний фрагмент
• 11 – пакет содержит промежуточный фрагмент

Длина (6 бит) - используется когда пакет заполняется на 2-м уровне Sequence number (16 бит) – используется для определения потери пакетов или их перемешивания

Контрольное слово

Как уже говорилось, после заголовка PSN идет состоящее из четырех байт контрольное слово (CW) TDM. Контрольное слово содержит Sequence number из 16 бит, необходимые для определения перемешивания пакетов и их потери, информацию о размере полезной нагрузки и флаги, оповещающие об условиях дефектов. После контрольного слова расположена TDM нагрузка. Для SAToP это просто определенное количество TDM октетов, в то время как для форматов со строгой структурой, это некоторое целое количество TDM фреймов. Для отображения структуры и ее пересборки TDMoIP использует надежный механизм, разработанный изначально для сетей ATM. Для статичных TDM линков, где передача ведется с постоянной скоростью, TDMoIP использует ATM adaptation layer 1 (AAL1). Этот механизм, определенный в стандарте ITU-T I.363.1 и спецификации ATM Forum atm-vtoa-0078 был разработан для предоставления сервисов с постоянной скоростью по сетям ATM. AAL1 разделяет постоянный поток данных TDM на ячейки по 48 байт и помещает в них информацию о порядке, синхронизации и т.д. TDMoIP позволяет объединить любое количество ячеек AAL1 в пакет. Благодаря тому, что допускается размещение множества ячеек в пакете, TDMoIP предоставляет лучшее соотношение между задержкой буферизации (тем меньше, чем меньше ячеек в пакете) и эффективностью использования полосы пропускания (тем больше, чем больше ячеек в пакете. за счет заголовка пакета). Для TDM линков, в которых скорость передачи не постоянна и может меняться вследствие активизации тайм слотов и т.д. используется механизм AAL2, определенный в стандарте ITU-T I.363.2. Он, в свою очередь, был разработан для передачи сервисов с переменной скоростью по сетям ATM. AAL2 буферизует каждый TDM тайм слот в короткие мини ячейки. Туда же вносится информация о последовательности, идентификатор тайм слота, информация о длине. Отправка этой мини ячейки производится только в том случае, если информация, содержащаяся в ней верна. TDMoIP собирает мини ячейки от всех активных тайм слотов в единый пакет. Для тайм слотов, использующихся для HDLC, таких как CAS, TDMoIP использует особый механизм, который инкапсулирует последовательность данных без заголовка.

Задержка

В телефонных сетях часто присутствует задержки «из конца в конец». В стандарте ITU-T G.114/G.131 говорится, что при условии использовании подавления эха, допустимое время передачи составляет 150 мс. Эти требования легко выполняются в сетях TDM, где основной вклад в задержку вносит время распространения электрического сигнала по проводнику. При использовании решений VoIP к этой задержке добавляются десятки миллисекунд, вызванные задержкой алгоритмизации. Иногда эта величина может составлять 100 мс. При этом мы даже не упоминаем о задержках маршрутизации. В отличие от этого алгоритма передачи, TDMoIP сразу направляет TDM октеты в область полезной нагрузки без использования каких бы то ни было механизмов сжатия. Следовательно, таким образом, удается избежать задержки алгоритмизации. При этом имеет место задержка буферизации, но ее величина – единицы миллисекунд.

Восстановлении синхронизации

Традиционные TDM сети основываются на иерархическом распространении синхронизации. Где-то в сети должен быть первичный источник синхронизации с точностью 1*10-11. Это устройство, с точностью синхронизации уровня Stratum 1 служит опорным для устройств класса Stratum 2, которые, в свою очередь, предоставляют синхронизацию устройствам класса Stratum 3. Такая иерархическая схема распространения синхронизации естественна для функционирования сети как единого целого.

Общий источник синхронизации

Пакеты в PSN достигают пункта назначения с задержкой, в величине которой есть случайная составляющая, известная как вариация задержки пакетов (PDV). При эмуляции TDM по таким сетям данная проблема может быть преодолена с помощью использования буфера джиттера: TDM пакеты помещаются в этот буфер из которого данные могут быть считаны на постоянной скорости. Проблема заключается в том, что единый источник синхронизации не доступен.

Возможности синхронизации

В некоторых случаях синхронизация может быть получена от TDM оборудования на обоих концах псевдопроводной сети. В силу того, что источники высокоточные, они согласуются. Проблема возникает тогда, когда с одной стороны псевдопроводного туннеля расположен более точный источник синхронизации, нежели с другой. Для сетей ATM, которые используют на физическом уровне синхронный носитель, может быть использован метод «временного штампа» SRTS; однако IP/MPLS сети не специфицируют физический уровень и не могут указать точность синхронизации.

Таким образом, во многих случаях единственным способом синхронизировать устройства является получение синхросигала непосредственно из псевдопроводного TDM трафика. Такой метод синхронизации называется – адаптивная синхронизация. Это становится возможным благодаря тому, что передающее TDM устройство генерирует биты с постоянной скоростью, определяемой собственным источником синхронизации. Кроме того, эта скорость определена в PDV. Восстановление синхронизации сводится к усреднению и устранению эффекта случайной задержки пакетов (PDV) и получению средней скорости передачи из потока данных.

Адаптивная синхронизация

Потери пакетов

Часто пакеты приходят в конечную точку не в том порядке, в котором они были отправлены. Кроме того, несколько пакетов могут быть направлены в сеть одновременно. В контрольном слове TDM, описанном выше, содержится 16-ти битный отрезок, несущий информацию о его номере. Это позволяет проконтролировать потерю пакетов и их перемешивание. В случае потери пакета он замещается интерполированным для поддержки синхронизации. Пакет пришедший не в свою очередь может быть прислан заново или отброшен и заменен интерполированным. В то время как внесение случайных пакетов достаточно важно для обеспечения синхронизации, в голосовых приложениях такое действие может вызвать ошибки выражающиеся в прерываниях речи и т.д. Эффекты от потери пакетов и способы их компенсации были разработаны для VoIP, но они не могут быть напрямую применены в случаях с TDMoIP. Это вызвано тем. Что при передаче VoIP пакет обычно содержит в себе от 80 (10 мс.) до 240 (30 мс.) сэмплов голоса, в то время как в псевдопроводном TDM пакете их всего несколько. Именно благодаря малому количеств сэмплов на фрейм становится возможным вместо потерянного кадра просто поместить другой.

Подводя итоги следует заметить, что из всего вышесказанного следует, что технологии, позволяющие предоставить различные услуги по сетям разной структуры на данный момент уже достигли зрелости и могут смело применяться для решения широкого спектра задач, часто встающих перед поставщиками услуг. Подтверждением этому могут служить множество проектов выполненных с помощью оборудования семейства IPmux и Gmux.