В рубрику "Решения операторского класса" | К списку рубрик  |  К списку авторов  |  К списку публикаций

Сети Ethernet операторского класса (CE/CGE)Часть I
Carrier Grade Ethernet (CE/CGE)
Part 1

Ethernet – известное всем коммерческое название локальной сети Ethernet, которая дает возможность сетевым операторам обеспечить своим пользователям сервисы Ethernet в этих сетях. Сеть Ethernet с момента своего изобретения Робертом Меткалфом (Robert Metcalfe) в 1972 в Исследовательском центре Xerox Palo Alto (XPARC), рис. 1, и последующего предложения использовать ее в 1973 в качестве технологии ЛС прошла долгий путь развития от полудуплексной сети, работавшей на частоте 10 МГц, до полностью дуплексной сети, работающей сегодня уже на частоте 100 ГГц [1, 2].

За эти 40 лет технология Ethernet стала доминирующей не только среди технологий локальных сетей (ЛС), но и в сетях масштаба предприятия. Этот факт привел не только к росту масштаба сетей (а он продолжился от корпоративных до городских метро-сетей), но и к разработке огромного количества сетевых компонентов, которые, в свою очередь, резко снизили себестоимость передаваемых данных. За время своего развития сеть Ethernet расширила список доступной ей среды передачи: медные кабели, витые медные пары, оптоволокно и беспроводная среда. Ее скорости сейчас зашкаливают, выходя на уровень 100–400 Гбит/с [2, 3]. Интерфейсы гигабитного и 10-гигабитного Ethernet сейчас широко используются в рабочих станциях, серверах и мультиплексорах SONET/SDH. А передача потоков на скоростях n×100 Гбит/с осуществляется мультиплексорами SDH, WDM и мультисервисными транспортными платформами, используя не только иерархии SONET/SDH, но и оптическую иерархию OTH [4] на скоростях, стандартизованных в иерархиях и стандартами 40/100-гигабитного Ethernet [1–4].

Предпосылки создания Ethernet операторского класса (CGE)

Описывая сети Ethernet операторского класса, нужно прежде всего указать на предпосылки, которые привели к созданию CGE (ниже будем использовать сокращение CGE – Carrier Grade Ethernet, а не CE – Carrier Ethernet, чтобы не путать с сокращениями CE для терминов типа Customer Edge, Customer Equipment, см. [5]).

Исторически конкурирующие протоколы и различные кабельные среды, используемые Ethernet, были созданы, прежде всего, для того, чтобы иметь доступ к высокоскоростным, а не к современным устройствам, подключенным к сети Ethernet и обслуживаемым за приемлемую цену. Одна из причин создания конкурирующих протоколов была как раз в том, чтобы снизить цену устройств, работающих с сетью Ethernet на приемлемой скорости.

Протокол Ethernet был достаточно прост и легко масштабировался для работы на скоростях в сотни и десятки тысячи раз выше исходной (достаточно вспомнить ряд рабочих скоростей Ethernet за последние 40 лет: 0,01–0,1–1–10–100 Гбит/с) и был одинаково хорошо адаптирован к этим новым скоростям. Например, новые возможности во временной области, добавленные к стандарту IEEE 802.3 Ethernet для поддержки передачи потоков аудио-видео (AV) данных по ЛС (см. IEEE 802.1 Audio Video Bridging [6]), оказались удобными для приложений, чувствительным к временным задержкам, таким, например, как протокол точного времени IEEE 1588.

Кроме постоянного роста скорости, все больше ЛС-пользователей присоединялись к различным глобальным сетям связи (ГлС), используя интерфейсы Ethernet, или к устройствам, которые имели мостовые переходы в эти сети (например, к цифровой абонентской линии – DSL), или реализовали беспроводную связь между ними. Более того, пользователи, знакомые с такими возможностями сетей Ethernet, могли расширить их для сложных сетей со многими узлами. Необходимость в использовании таких сетей росла, так как они включали много таких сервисов, которые обрабатывались раньше только в ЛС или при наличии специальных соединений, к ним относились, прежде всего, видеосервисы и резервное копирование.

Ограничения операторов

Из сказанного следует, что операторы глобальных (ГлС/WAN) и региональных/городских (MAN) сетей сталкивались с необходимостью обеспечить три потребности:

1. Получение для своих пользователей сервисов Ethernet.
2. Использование преимуществ технологии Ethernet по стоимости и объему предоставляемых услуг.
3. Замену не-Ethernet-технологий на конкурентные Ethernet-технологии, которые имели бы достаточную емкость сети для хранения контента, резервного копирования и реализации видео высокой четкости, а также гарантировали особенности (надежность передачи и малую задержку), необходимые для поддержки этих сервисов.

Операторы, однако, были ограничены тем, что ряд локальных сервисов не мог мигрировать в глобальные сервисы так быстро, чтобы не превысить возможности ресурсов, обеспеченных сетью, и не получить в результате неприемлемое качество услуг. Сервисы, которые старались расширить слишком быстро, приводили к потере денег, а те, которые требовали слишком долгого ожидания, приводили к потере пользователей. Следовательно, операторы должны были расширять свои сервисы достаточно консервативно, обращая особое внимание на обеспечение качества сервиса (QoS).

Исходная позиция: Metro-Ethernet

В этой ситуации (в 2001) был организован Форум Metro-Ethernet (MEF). Его цель состояла в том, чтобы разрабатывать общие бизнес-сервисы для сотрудников предприятий, которые имеют доступ в Интернет через оптоволоконные городские сети, соединяя ЛС их предприятий. Принципиальным моментом этой концепции было сформировать простую стоимостную модель Ethernet для глобальной сети [7].

Расширение до Ethernet операторского класса

Успех сервисов Metro-Ethernet привлек внимание мировой общественности, когда эта концепция была расширена, чтобы включить мировые сервисы, попадающие в национальные и глобальные сети [7], или оптимизировать существующие сети/сервисы:

• включить сервисы сетей доступа, чтобы обеспечить возможности сервисов для более широкого класса пользователей, используя волокно, медный провод, кабель, пассивные оптические сети (PON) и беспроводной доступ;
• оптимизировать (уменьшить) масштабы сетей в результате конвергенции бизнесов, совместного использования районных и беспроводных сетей, охватывающих ту же инфраструктуру и сервисы;
• сделать упор на быстрое развертывание и масштабируемость бизнес-приложений;
• развернуть программы сертификации;
• реализовать все в целом, сохраняя стоимостную модель и простоту сети Ethernet.

"Сервисы Ethernet" операторского класса

Чтобы создать рынок сервисов Ethernet, необходимо было выяснить и стандартизировать предлагаемые сервисы. Этим (в первую очередь) занялся Форум MEF. Он сыграл ключевую роль в определении трех базовых сервисов:

• E-Line – линия Ethernet – сервис, соединяющий два порта пользователей Ethernet с помощью WAN;
• E-LAN – ЛС Ethernet – многоточечный сервис, соединяющий набор конечных точек пользователей и дающий пользователю видимость того, что эти точки соединены мостами с ЛС Ethernet;
• E-Tree – частное дерево Ethernet – многоточечный сервис, соединяющий один или несколько корневых точек с набором листьев, но предохраняющего их от взаимной связи.

Все эти сервисы стали атрибутами CE/CGE-1 и обеспечили стандартные определения таких характеристик, как ширина полосы, устойчивость к отказам и мультиплексирование сервисов. Они позволяли пользователям сравнивать предложения сервисов и облегчать заключение соглашений об уровне обслуживания (SLA). Аналогичные определения для беспроводных сетей были приведены в стандартах IEEE 802.21 и IEEE 802.11u и нацелены на сервисы, пригодные для мобильных пользователей.

Транспорт сервисов Ethernet

Форум MEF не указывает, как сервисы Ethernet должны быть обеспечены в сети оператора. Несмотря на преимущества Ethernet, описанные выше, он имеет ряд ограничений при реализации приложений глобальных сетей (WAN). Концепции типа "мост" и "покрывающее дерево" (spanning tree), характерные для ЛС Ethernet, не могут масштабироваться до уровня международных сетей. Более того, у Ethernet отсутствуют механизмы, связанные с функциональной надежностью, необходимой для реализации этих приложений (в частности, механизмы, способные изолировать трафик одного пользователя от другого, чтобы, например, измерить производительность конкретного сервиса пользователя или же оперативно определить характер отказа и восстановить его работу в больших сетях).

Ввиду этих ограничений сервисы Ethernet могли быть переданы по ГлС только с помощью других технологий. Если копнуть глубже, то ограничения сети Ethernet вызваны тем, что Ethernet – это ЛС, а взаимодействовать ей нужно с ГлС. Как же дотянуть ЛС Ethernet до уровня ГлС, чтобы без проблем осуществить транспорт любых сервисов? Решить этот вопрос не так просто даже для таких организаций, как ITU-T и MEF, но можно. Ниже показаны шаги, которые нужно предпринять, чтобы найти приемлемое решение. Эти шаги привели к созданию нового класса технологий – Ethernet операторского класса (CE/CGE-1,2).

Альтернативные признаки, или Чем ЛС отличается от ГлС

Сначала попытаемся разобраться в том, чем ЛС отличается от ГлС, для этого вспомним традиционную классификацию сетей. Она была разная у разных сетевых специалистов. Специалисты ЛС использовали известный стереотип: LAN, MAN, WAN. Специалисты ГлС говорили о сетях доступа, распределительных и транспортных сетях или приводили другие традиционные классификации [8].

Оказалось, что для оценки различия удобнее перенести центр тяжести первой классификации с сетей на технологии, также разбив их на два класса: локальные и глобальные. Это позволило уйти от указанного стереотипа и конкретизировать набор альтернативных признаков, которые можно сравнивать. Такой набор был предложен и обоснован в работе [8] и представлен в табл. 1. Оценив различие технологий, можно будет понять, как преодолеть их и добиться их нужного взаимодействия (табл. 1).

Рассмотрим кратко альтернативные признаки.

Первый признак – условия работы. В ГлС для передачи сообщения между узлами А и Б требуется предварительное установление соединения: при коммутации цепей нужно соединить звенья сети, формируя непрерывную физическую цепь; при коммутации пакетов нужно установить виртуальное соединение (VC) между узлами, исключающее необходимость маршрутизации.

Для ЛС все узлы внутри сети заранее соединены кабелем (Ethernet), а между собой ЛС соединены мостами, коммутаторами или маршрутизаторами. Предварительное соединение узлов не требуется, нужно установить лишь маршрут следования пакетов. Образ такой сети – "облако/море", по которому "плывут" пакеты (дейтаграммы), отсюда и сети называются дейтаграммными.

Второй признак – тип передачи: синхронная или асинхронная. Все цифровые ГлС используют синхронную передачу, т.е. требуют использовать тактовую синхронизацию. Все ЛС не требуют синхронизации, так как передают только асинхронные потоки данных. Это могут делать и ГлС, после того, как преобразуют их в синхронные потоки с помощью специальных устройств (PAD/FRAD) [9].

Третий признак – адресация. Поддержка адресаций E.164 и X.121, характерных для ТфОП, – черта всех ГлС. В ЛС существуют другие адресации: физическая (MAC) и логическая (IP), не поддерживаемые ГлС. Поэтому при взаимодействии ЛС и ГлС (например, в IP-телефонии) используют шлюзы, преобразующие эти адреса.

Четвертый признак – тип модели. Модели ГлС (одноуровневые или многоуровневые) должны иметь выход на физический уровень ТфОП. Известно [9], что в любом случае физический уровень модели должен быть совместим с физическим уровнем ТфОП (или иметь выход на него).

Модели ЛС тоже имеют физический уровень, но он функционально не соответствует физическому уровню ТфОП (табл. 2).

Для технологий ЛС, чтобы выйти на ТфОП, нужны глобальные технологии-переносчики, такие как PDH, SONET/SDH, IP/MPLS (ограниченно) и WDM. Они инкапсулируют пакеты ЛС в полезную нагрузку или модулируют сигналом ЛС несущую WDM.

Как преодолеть различия ЛС и ГлС на пути создания CGE

Из тех различий, которые нужно было преодолеть Ethernet, чтобы стать сетью CGE, первые два преодолевались легко. Действительно, оставаясь в рамках пакетной передачи, характерной для ЛС, легко перейти на формирование виртуального пути (как это делается в ATM и FR [9]), преодолев первое различие: предварительно будет устанавливаться не физическое, а виртуальное соединение.

Второе различие было преодолено путем создания синхронных сетей Ethernet – SyncE.

Синхронные сети Ethernet

Синхронный Ethernet, SyncE (рис. 2), – ITU-T-стандарт, разработанный для облегчения передачи синхросигналов через физический уровень Ethernet.

(Master – ведущий таймер; wireline, wireless – проводные и беспроводные технологии;

Data, Sync – данные, синхронизация; EEC – ведомый таймер оборудования сетей Ethernet).

Цель разработки – обеспечить сигнал синхронизации для тех сетевых ресурсов, которым он требуется. Этот сигнал может быть отслежен внешними источниками синхронизации, в идеале ведущим таймером сети (рис. 2). Приложения Synch Ethernet (SE) включают сети сотовой связи, проводные технологии доступа, такие как Ethernet PON (EPON) и приложения IPTV или VoIP. Семейство сетей Ethernet, однако, не передает информацию об источниках синхронизации, как, например, сети SDH [9], хотя что-то похожее используется в разработках IETF: Network Time Protocol (NTP) и Precision Time Protocol (РТР).

SyncE был стандартизован ITU-T в кооперации c IEEE и описан в трех основных рекомендациях: G.8261, G.8262 и G.8264. Архитектура SyncE минимально требует замены внутреннего таймера карты Ethernet на таймер с фазовой автоподстройкой частоты, чтобы питать физический уровень Ethernet (PHY).

Преодолеть различие других альтернативных признаков – различия адресации ЛС и ТфОП и несовместимость физических уровней ЛС и ГлС – оказалось значительно труднее. Однако различие в адресации можно преодолеть, используя конвертацию адресов, разработанную для IP-телефонии, а несовместимость физических уровней – только инкапсуляцией пакетов Ethernet в полезную нагрузку одной из технологий ГлС.

Три из них (SONET/SDH, IP/MPLS и WDM) широко используются для этих целей, тогда как четвертая – CET (Carrier Ethernet Transport – транспорт Ethernet операторского класса) – быстро развивается как жизнеспособный логичный вариант передачи сервисов Ethernet.

Передача Ethernet по сети SONET/SDH

Звено Ethernet "точка-точка" можно оптимально передать по сети SONET/SDH, сформировав контейнер с помощью трех процедур: VCAT (процедуры виртуальной конкатенации – ITU-T G.707), LCAS (схемы динамической настройки звена связи – ITU-T G.7042) – для создания блока, умещающегося в контейнере SDH, и процедуры GFP (общей процедуры фреймирования кадров – ITU-T G.7041), см. подробнее в [10]. Это позволяет, кроме прочего, воспользоваться преимуществами развитого менеджмента и возможностью восстановления трафика (после отказа), характерными для SDH, которые позволяют обеспечить высокую доступность сети и ее устойчивость к отказам.

Передача Ethernet по сети IP/MPLS

Сервисы Ethernet могут быть переданы по сетям IP/MPLS, используя большое число протоколов класса IP (см. псевдопроводные стандарты IETF, например, RFC3985 и RFC4448). Звенья Ethernet передаются в "псевдопроводной" среде, используя маршруты IP-пакетов в сети MPLS (LSP внутри внешнего "туннеля" MPLS). Эта стратегия может поддерживать как звенья типа "т-т" (VPWS - Virtual Private Wire Service – виртуальный частный проводной сервис), так и звенья типа "т-мт" (VPLS – Virtual Private LAN service – виртуальный частный LAN-сервис). В последнее время она широко применяется в маршрутизируемых сетях, используя ряд основных транспортных протоколов, включая Ethernet.

Передача Ethernet по сети WDM

Сервисы Ethernet проще всего могут быть переданы по сетям WDM. Для этого не нужно изобретать ничего нового, кроме интерфейсного блока для транспондера и возможной модернизации оптического модулятора.

Передача Ethernet по транспортной сети Ethernet операторского класса (CET)

Сторонники Ethernet операторского класса доказывали: Ethernet – лучший вариант для метросетей, потому что весь трафик данных формируется в сетях Ethernet. Повсеместное присутствие Ethernet в ЛС снижает ее стоимость как технологии. Следовательно, использование Ethernet в метросетях позволяет операторам воспользоваться преимуществом большого объема услуг, значительно большего, чем в сегменте сетей масштаба предприятия. Транспорт CE (CET) привлекает сетевых провайдеров классического Ethernet и охватывает компоненты многих технологий. Так, магистральный мост провайдера (PBB), как протокол [11], обеспечивает масштабируемость и защищенную демаркацию (разделение ответственности), тогда как проектирование трафика PBB (PBB-TE), как протокол (также именуемый как PBT), обеспечивает, кроме собственно проектирования трафика (TE), еще и эффективный транспорт защищенного сервиса Ethernet. Другие улучшения включают менеджмент ошибок связности (CFM-OAM) и требуемый набор возможностей и функций сетевого управления (OAM

Литература

1. IEEE 802.3-2012 – IEEE Standard for Information technology - Telecommunications and information exchange between systems – Local and Metropolitan Area Networks – Specific Requirements – Part 3: Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection (CSMA/CD) Access Method and Physical Layer Specifications (ревизия IEEE 802.3–2008).
2. Слепов Н.Н. 100-гигабитный Ethernet. – ТСС, 2011. – № 6. – С. 28–29. Ч. 1; 2012. – № 1. – С. 32–36. – Ч. 2.
3. Слепов Н.Н. 400-гигабитный Ethernet и дальнейшие перспективы. – ТСС, 2013. – № 3. – С. 42–44.
4. В.Г.Фокин. Оптические системы передачи и транспортные сети. Учебное пособие. – М.: Эко-Трендз, 2008. – 288 с.
5. Слепов Н.Н. Англо-русский толковый словарь сокращений в области связи и новых информационных технологий. – Изд. 4-е, перераб. и доп. – М.: Техносфера, 2013. – 800 с.
6. IEEE 802.1BA – Audio-Video Bridging Systems (AVB) 3 (9.2011).
7. Gerard Jacobs. Carrier Ethernet. Overview. – Nortel, Nov. 2007.
8. Слепов Н.Н. Глобальные сети: вопросы классификации. – ТСС, 2010. – № 6. – С. 52–54. – Часть I.
9. Слепов Н.Н. Современные цифровые технологии глобальных сетей связи. - М.: Астра-Полиграфия, 2011. – 298 с.
10. Слепов Н. Сети SDH новой генерации и их использование для передачи трафика Ethernet. – Электроника: НТБ, 2005. – № 3. – С. 56–62. – Ч. 1; № 4. – С. 60–63. – Ч. 2.
11. Слепов Н.Н. Развитие технологии Ethernet. – ТСС, 2013.– № 1, с. 56–57. – Ч. 1; № 2, с. 44, 46–48. – Ч. 2.
12. IEEE 802.1Q–2011 – MAC Bridges and Virtual Bridged Local Area Networks (ревизия IEEE 802.1Q–2005, включает 802.1Qay-2009);
13. (MEF) Reference Presentation, June 2013.

Опубликовано: Журнал "Технологии и средства связи" #3, 2015
Посещений: 8010

Автор Николай Слепов Независимый эксперт Всего статей:  23

В рубрику "Решения операторского класса" | К списку рубрик  |  К списку авторов  |  К списку публикаций