Synchronous Digital Hierarchy

 Questa voce di telecomunicazioni è solo un abbozzo: contribuisci a migliorarla secondo le convenzioni di Wikipedia.

La pagina di discussione contiene dei suggerimenti per migliorare la voce: Synchronous Digital Hierarchy

La Synchronous Digital Hierarchy (Gerarchia Digitale Sincrona) è un protocollo di livello fisico usato per la trasmissione telefonica e di dati in reti geografiche su fibra ottica.

Il compito dell'SDH è quello di aggregare flussi dati a bit rate diverso e ritrasmetterli su grandi distanze. A differenza del PDH, Plesiochronous Digital Hierarchy (Gerarchia Digitale Plesiocrona), il protocollo SDH si basa sul fatto che tutti gli elementi della rete sono tra loro sincronizzati con lo stesso clock. In combinazione a questo, la definizione di una speciale struttura di trama con l'aggiunta di informazioni di servizio (overhead) permette non solo l'estrazione di un singolo traffico tributario senza dover effettuare l'intera demultiplazione dell'intero flusso ma anche di trasferire informazioni essenziali per la corretta gestione della rete e per la sua auto-protezione a fronte di guasti o di condizioni anomale o di degrado. Il risultato finale è che il protocollo SDH consente di raggiungere elevatissimi livelli di qualità del servizio (disponibilità del 99,999%) e notevoli strumenti per il controllo e monitoraggio in tempo reale dell'intera rete di trasmissione.

Il protocollo SDH è stato standardizzato nella sua prima versione dall'Unione Internazionale delle Telecomunicazioni (ITU) nel 1988. Da allora sono stati prodotti diversi aggiornamenti ed estensioni dello standard, che è ricoperto da una serie di normative tra cui le più importanti attualmente in forza sono la G.707^[1], la G.783^[2] e la G.803^[3].

Il protocollo SDH è diffuso in tutto il mondo con l'eccezione del Nord America e di poche altre nazioni dove viene invece usato un analogo protocollo, SONET (Synchronous Optical NETworking), che utilizza gli stessi concetti di base dell'SDH ma che segue uno standard definito da Telcordia e più aderente alle caratteristiche specifiche delle reti di trasmissione telefonica nord-americane. A differenza di quanto avviene per i protocolli PDH, per le loro forti analogie i protocolli SONET e SDH sono in grado di interoperare, entro certi limiti.

La trama SDH

A differenza della multiplazione PDH, che avviene intercalando tra loro i singoli bit dei segnali tributari (bit interleaving) la multiplazione SDH avviene intercalando tra loro i singoli byte dei segnali tributari (byte interleaving), organizzandoli secondo una struttura di trama ben precisa che nel suo modulo elementare (Synchronous Transport Module di livello 1 o STM-1) viene meglio rappresentata sotto forma di una matrice di byte disposti su 9 righe x 270 colonne. Una trama di tipo STM-1 viene trasmessa in 125 microsecondi: questo comporta che ciascun singolo byte della trama SDH costituisce un canale di bit rate equivalente a 64 Kbit/s, corrispondente a un singolo canale di telefonia.

La trama SDH è suddivisa in due parti fondamentali:
- una parte di informazioni di servizio globali (overhead) contenuta nelle prime nove colonne della trama
- una parte che trasporta il traffico vero e proprio (payload) contenuta nelle restanti 261 colonne, denominata Administrative Unit (AU).

Struttura delle informazioni di payload

Administrative Unit (AU)

L'Administrative Unit, AU, contiene tutto il flusso risultante dal processo di multiplazione dei tributari, prima dell'inserimento finale nel complesso della trama SDH.

In generale, la posizione di inizio dell'AU non è allineata con il primo byte utile dopo l'overhead e in fase di generazione della trama finale l'AU viene quindi allocato a partire da un punto intermedio dei 216x270 byte destinate al payload. Il punto di inizio dell'AU viene memorizzato in un punto fisso della trama SDH esterno al payload vero e proprio, ossia nelle prime nove colonne della quarta riga: questa informazione di posizionamento costituisce l'Administrative Unit Pointer o AU Pointer. L'insieme dell'Administrative Unit e dell'AU Pointer viene denominato Administrative Unit Group, AUG.

Virtual Container (VC) e Tributary Unit (TU)

All'interno dell'AU, i singoli flussi tributari sono organizzati come sequenza di strutture omogenee denominate Virtual Container, VC (contenitore virtuale).

Ciascun VC comprende una parte di informazioni di servizio (path overhead, POH) usate per la gestione, il monitoraggio e la protezione, seguita dal flusso informativo vero e proprio costituito dal tributario adattato alla trama SDH. La posizione di inizio del Virtual Container è indicata tramite un puntatore (Tributary Unit Pointer, TU Pointer) posizionato in modo fisso nella trama SDH. L'insieme del VC e del suo TU Pointer viene denominato Tributary Unit, TU.

A seconda della bit rate dei tributari multiplati, si distinguono diversi tipi di Virtual Container: VC-12 per un trasporto a 2 Mbit/s; VC-3 per un trasporto a 48 Mb/s; VC-4 per un trasporto a 140 Mb/s.

Struttura delle informazioni di servizio

Questa sezione è solo un abbozzo. Se puoi, contribuisci ad ampliarla.

Section Overhead (SOH)

Le prime nove colonne della trama SDH costituiscono la cosiddetta section overhead (SOH). Questa parte della trama contiene informazioni di servizio essenziali per il riconoscimento della trama stessa, per l'accesso ai singoli flussi tributari nonché un insieme di informazioni di controllo per la gestione, il monitoraggio e la protezione dell'intero modulo.

Path Overhead (POH)

I primi nove byte di ciascun VC costituiscono il cosiddetto path overhead (POH). Questa parte della trama contiene informazioni di servizio e di controllo per la gestione, il monitoraggio e la protezione dell'intero VC e dei tributari in esso contenuti.

Meccanismo di multiplazione e demultiplazione

STM-1

La multiplazione SDH si basa su tre operazioni fondamentali, che possono essere applicate anche in modo ricorsivo:

• la mappatura (mapping) del tributario all'interno del contenitore SDH
• l'allineamento (alignment) del tributario mappato con la trama SDH vera e propria
• l'elaborazione dei puntatori (pointer processing) per il riconoscimento diretto del tributario all'interno della trama.

Come prima operazione, il segnale tributario in ingresso (flusso PDH, flusso ATM, flusso Ethernet, flusso dati generico) viene mappato in un Virtual Container di dimensione fissa e di rate corrispondente o superiore alla rate del tributario stesso. In quest'ultimo caso, la capacità di banda in eccesso viene riempita con informazioni nulle (stuffing). Infatti i VC originariamente sono stati concepiti con bit rate particolarmente adatte per le gerarchie PDH esistenti ma con l'evoluzione delle reti di telecomunicazione, soprattutto con l'utilizzo crescente per il trasporto dei dati (Internet, Voice over IP, video compreso il video on demand e la pay per view via cavo), sono state sviluppate evoluzioni che consentono di adattare le gerarchie di VC esistenti anche a bit rate differenti da quelle classiche delle gerarchie PDH.

Nella fase di allineamento, il Virtual Container viene posizionato nel complesso della trama SDH. Dato che la fase del Virtual Container inizialmente non è correlata con la fase del payload SDH, il primo byte del VC si troverà in una posizione intermedia della sezione della trama SDH ad esso dedicata.

La terza fase della multiplazione, l'elaborazione dei puntatori, serve proprio per memorizzare nel TU Pointer, che si trova in un punto fisso della trama SDH, la posizione di inizio del VC. Alla fine di queste operazioni si ottiene così come risultato finale la Tributary Unit, TU.

I tributari così multiplati vengono raggruppati in un Tributary Unit Group, TUG, che allinea i TU pointer dei TU componenti e costituisce la base per la multiplazione a livello successivo.

I TU/TUG così ottenuti possono a loro volta essere multiplati all'interno di un VC di gerarchia superiore, tramite la medesima sequenza di mappatura, allineamento ed elaborazione dei puntatori, fino ad ottenere un TU/TUG di ordine superiore e così via fino all'ultimo stadio possibile, in cui il flusso multiplato riempie l'intera sezione di payload della trama SDH, diventando così l'Administrative Unit.

Sono possibili diverse combinazioni, ossia modalità di multiplazione, dei TU/TUG all'interno di un singolo VC:

• un VC-12 contiene un solo tributario a 2 Mbit/s e costituisce un singolo TU-12 indipendente.
• tre TU-12 sono raggruppati in un TUG-2 a 6.3 Mbit/s.
• un VC-3 può contenere un solo tributario a 34/45 Mbit/s e costituire un singolo TU-3 indipendente.
• un TUG-3 può contenere un singolo TU-3 oppure sette TUG-2, pari a 21 tributari a 2 Mbit/s.
• un VC-4 può contenere un solo tributario a 140 Mbit/s oppure tre TUG-3.
• una AU-4 contiene un solo VC-4.

La raccomandazione G.707 definisce anche tributari a 1.5 Mbit/s (VC-11 e TU-11) e a 6.3 Mbit/s (VC-2 e TU-2), corrispondenti al primo e al secondo livello della gerarchia PDH americana ma di fatto non utilizzati nell'ambito di applicazione dell'SDH. Per questi tributari, il raggruppamento previsto è il TUG-2, che rispetto a tributari di questa gerarchia può quindi contenere un solo TU-2 oppure fino a quattro TU-11. Dal TUG-2 in avanti la struttura di multiplazione è identica a quella prevista per i VC-12 e TU-12. Nel caso del SONET inoltre è possibile definire l'AU anche a livello di AU-3 (STM-0).

All'interno della stessa trama SDH possono essere presenti diverse combinazioni contemporaneamente: per esempio, possono esserci due TUG-3 che trasportano ciascuno un tributario a 34/45 Mbits/s e un terzo TUG-3 che trasporta sette TUG-2, ossia sette tributari a 2 Mbit/s. Questa caratteristica consente di realizzare una distribuzione del traffico e un utilizzo delle risorse di banda estremamente flessibili, cosa non possibile invece con la multiplazione PDH che obbliga a utilizzare combinazioni omogenee di tributari.

La struttura finale della multiplazione è l'Administrative Unit, AU, che nel caso SDH è un AU-4 (140 Mbit/s). Anche in questo caso, la posizione di inizio dell'Administrative Unit può essere un punto qualsiasi della trama di payload dell'STM-1 risultante. Questa posizione viene memorizzata nell'AU Pointer, che è allocato in modo fisso nella SOH della trama STM-1. Al termine di questa ultima elaborazione del puntatore si completa anche il riempimento del payload finale, detto anche Administrative Unit Group di livello 1, AUG-1, costituito dall'AU e dal relativo AU Pointer.

In testa alla trama così ottenuta viene infine aggiunta l'informazione di overhead di sezione (SOH), completando così la generazione del flusso STM-1, la cui bit-rate finale è di 155 Mbit/s: questo significa che una singola trama STM-1 viene trasmessa in 125 microsecondi, con ogni singolo byte equivalente a un canale a 64 kbit/s.

La demultiplazione di un singolo tributario avviene tramite il processo inverso di elaborazione dei puntatori: tramite l'AU Pointer si identifica all'interno del payload il primo byte dell'AU-4, ossia il primo byte della trama multiplata. Dato che ogni tributario è allocato in un numero fisso di byte, una volta nota questa posizione iniziale è possibile individuare immediatamente in modo ricorsivo la posizione di inizio di tutti i TU/TUG della trama e tramite elaborazione ricorsiva del TU/TUG pointer è possibile estrarre (o inserire) direttamente dalla trama il singolo tributario finale, senza dover distruggere e ricreare l'intero flusso come invece avviene nella multiplazione PDH.

STM-N

Per flussi SDH di gerarchia più elevata (STM-N), la trama e il meccanismo di multiplazione e demultiplazione seguono un meccanismo ricorsivo in base al quale la SOH e l'AUG del flusso multiplato si ottengono combinando insieme le SOH e gli AUG dei singoli flussi componententi a gruppi di quattro, conformemente alla definizione della gerarchia SDH (STM-4 come multiplazione di quattro STM-1, STM-16 come multiplazione di quattro STM-4 e così via).

La trama di un flusso STM-N è quindi rappresentabile come una matrice di byte disposti su 9 righe per 270xN colonne. La parte di SOH della trama STM-N è composta dalle prime 9xN colonne, che combinano gli N SOH tributari; l'AU pointer è costituito dalla concatenazione degli N AU pointer; l'AUG-N è costituito dalla concatenazione (byte interleaving) dei quattro AUG componenti di gerarchia inferiore.

Con questa struttura, grazie all'informazione degli AU pointer è possibile estrarre o inserire direttamente il singolo flusso STM-x oppure il singolo tributario dal singolo flusso STM-x tramite l'applicazione ricorsiva del meccanismo di processazione dei puntatori, senza dover demultiplare e rimultiplare l'intero flusso.

La gerarchia SDH/SONET prevede le seguenti multiplazioni a livello di STM-N:

• STM-1: 155 Mb/s (Megabit al secondo)

• STM-4: 622 Mb/s

• STM-16: 2.5 Gb/s (Gigabit al secondo)

• STM-64: 10 Gb/s

• STM-256: 40 Gb/s (standardizzata ma non utilizzata, per queste capacità elevate si preferiscono tecniche di multiplazione ottica WDM, Wavelenght Division Multiplexing)

Meccanismi di protezione

Con la trama SDH si apre il campo anche a diverse tipologie di protezione del traffico di una rete utilizzando dei byte aggiuntivi presenti nella trama (overhead).

In linea generale, la protezione si dice di tipo unidirezionale quando lo switch, ossia la selezione della linea attiva, avviene indipendentemente dallo stato dell'altro capo della linea; al contrario la protezione si dice bidirezionale se avviene una concertazione tra i due lati in sincrono, di modo che la commutazione viene effettuata su entrambi i capi della linea contemporaneamente.

La protezione si dice di tipo revertive quando prevede il ripristino automatico dello stato prima dello switch sulla protezione, ossia il segnale ritorna sulla linea working usata in precedenza, prima della condizione di guasto.

Esistono due tipi fondamentali di protezione: la protezione lineare e la protezione di anello.

La protezione lineare si applica a livello dell'intero flusso SDH (aggregato) o dei singoli tributari, indipendentemente dalla topologia della rete sottostante.

Esistono varie modalità di protezione lineare: 1+1, 1:1 fino a 1:n che possono essere unidirezionali o bidirezionali, revertive o non revertive.

Le protezioni di tipo 1+1 e 1:1 prevedono una linea working ed una protecting mentre la 1:n prevede n linee working e una sola linea protecting condivisa.

La protezione di tipo 1+1 trasmette sempre lo stesso segnale in contemporanea su entrambe le linee mentre la ricezione avviene solo sulla linea attiva, selezionata tramite uno switch sulla base dello stato istantaneo.

Le protezioni 1:1 e 1:n invece trasmettono sulla linea protecting solo in caso di un malfunzionamento su qualche linea working, in questo modo in condizioni normali la linea protecting è completamente scarica oppure è utilizzata per trasportare traffico a bassa priorità. Nel caso della protezione 1:n, le linee working sono inoltre caratterizzate da una gerarchia di priorità in modo tale che, in caso di guasto su più linee working, la linea protecting viene utilizzata per la linea working di priorità più elevata.

La protezione lineare di tipo MSP (Multiplex Section Protection) opera a livello di aggregato (Multiplex Section), ossia agisce a livello dell'AUG-N proteggendo quindi contemporaneamente tutti i tributari trasportati.

La protezione MSP bidirezionale sfrutta un protocollo di sincronizzazione usando due byte specifici dell'overhead di trama SDH chiamati K1 e K2, che servono a far colloquiare fra loro gli aggregati di trasmissione e ricezione. Nel momento in cui un lato del collegamento non riceverà più nessun segnale avvertirà il sistema remoto del malfunzionamento e quindi i due capi del collegamento di comune accordo utilizzeranno la via di riserva.

La protezione lineare di tipo SNCP (Sub Network Connection Protection) opera a livello di Virtual Container, ossia del singolo tributario che trasporta un singolo flusso (VC4, 140Mb/S; VC3 per DS3 45 Mb/S e E3 34 Mb/S; VC12 per E1 2 Mb/s). La protezione è solo di tipo 1+1 e agisce quando il segnale si interrompe, è fortemente degradato o non corrispondente al segnale atteso.

Esistono diverse varianti di protezione SNCP:

• SNCP-I (inherent) utilizzabile solo nei punti terminali del tributario, ossia nei nodi in cui il tributario viene inserito/rimosso.
• SNCP-N (non-intrusive) utilizzabile tra un punto terminale e un punto intermedio del tributario, ossia in un nodo in cui il tributario è in configurazione passante (pass-through), tramite un monitoraggio in sola lettura (per questo detto "non intrusivo") delle opportune informazioni trasportate in specifici byte dedicati dell'overhead del contenitore virtuale protetto.
• SNCP-S (segment) utilizzabile tra due punti qualsiasi (segmento) del tributario, in particolare anche tra due punti intermedi, tramite un monitoraggio più sofisticato (Tandem Connection Monitoring) di informazioni appositamente iniettate nei punti di protezione (Tandem Connection Termination) utilizzando specifici byte dedicati dell'overhead del contenitore virtuale protetto.

Le protezioni di tipo SNCP-N e SNCP-S si usano tipicamente per flussi tributari che attraversano più reti SDH tra loro indipendenti e interconnesse (per esempio in caso di telefonia internazionale o di telefonia tra due reti di due operatori indipendenti), in modo da consentirne la protezione completa e indipendente della singola tratta all'interno di ciascuna rete.

La protezione ad anello sfrutta le caratteristiche specifiche di questa topologia: nel caso di un guasto che rende non raggiungibile o non funzionante un nodo dell'anello, il traffico viene dirottato all'indietro sulle linee protecting sfruttando l'altro senso di rotazione dell'anello in modo da aggirare il punto di guasto. Questo tipo di protezione si applica solo al flusso aggregato (AU-4) ed è denominata MS-SPRing (Multiple Section - Shared Protection Ring) e utilizza 4 fibre o 2 fibre a seconda che si preveda la protezione di tutto il traffico o solo del traffico ad alta priorità, usando in questo caso la sezione protecting per traffico di bassa priorità in condizioni di assenza di guasto. Anche questa protezione viene gestita da un protocollo trasmesso nell'overhead di trama e che distribuisce su ciascun nodo le informazioni di stato e su come dirottare il traffico correttamente in caso di guasto nell'anello (squelching tables).

Anche per il protocollo MS-SPRing esistono alcune varianti, concepite apposta per il traffico intercontinentale su cavi transoceanici, che ottimizzano la protezione dirottando il traffico nel senso funzionante direttamente nel punto di ingresso nell'anello e non in adiacenza al punto di guasto, evitando così il triplo attraversamento dell'oceano che comporterebbe ritardi di trasmisssione inaccettabili per la qualità del segnale telefonico.

La rete SDH

Questa sezione è solo un abbozzo. Se puoi, contribuisci ad ampliarla.

Gli elementi principali di una rete SDH sono due:

- gli add drop multiplexer (ADM): componenti a due porte di linea bidirezionali che hanno il compito di inserire ed estrarre flussi cliente tributari a velocità di cifra inferiore rispetto alla portante.

- i rigeneratori: rigenerano il segnale al fine di poter coprire lunghe distanze. Nel caso si trasmetta su fibra ottica eseguono una trasformazione del segnale da ottico ad elettrico e viceversa per la ritrasmissione di dati privi degli effetti della distanza percorsa (es. attenuazione).

SDH di nuova generazione (Next Generation SDH)

Lo sviluppo di SDH fu originariamente dovuto alla necessità di trasportare più flussi plesiocroni insieme a altri gruppi di traffico voce a 64 kbit/s multiplato in PCM. La possibilità di trasportare traffico dati, a cominciare dal protocollo ATM era un'altra delle prime applicazioni. Per avere banda sufficiente per grossi traffici ATM, si sviluppò la tecnica della concatenazione contigua, nella quale il segnale viene distribuito su più Administrative Unit (AU-3 o AU-4) consecutive, secondo una filosofia di multiplazione inversa in modo da costituire un'Administrative Unit equivalente di capacità maggiore pari alla somma delle AU componenti. In questo modo è possibile trasportare simultaneamente su una rete SDH sia voce che dati.

Un problema della concatenazione contigua, tuttavia, è la sua mancanza di flessibilità e la scarsa ottimizzazione dell'utilizzo di banda a causa delle dimensioni delle AU. Per esempio, il trasporto di una connessione 100 Mbit/s Fast Ethernet richiede l'uso di una AU-4 (155 Mbit/s), comportando lo spreco di un terzo della banda disponibile. Inoltre, la concatenazione contigua, obbligando l'uso di AU-3 o AU-4 consecutivi che devono rimanere tali lungo tutto il circuito comporta di conseguenza l'obbligo per tutti i flussi di seguire lo stesso percorso e l'obbligo di usare ovunque, anche nei punti intermedi del circuito concatenato, apparati in grado di gestire correttamente la concatenazione contigua. Questo non sempre è possibile, soprattutto su una rete già in esercizio in cui le risorse necessarie potrebbero essere state già occupate in precedenza e comporta quindi un onere aggiuntivo di reingegnerizzazione della rete e di adeguamento degli apparati, operazioni tutte molto delicate e costose.

La concatenazione virtuale (abbreviata in VCAT) consente un approccio più flessibile, ricorrendo alla concatenazione dei singoli Virtual Container e non più delle Administrative Unit di bit rate più elevata, consentendo così di usare granularità migliori. La concatenazione virtuale consiste nel distribuire il traffico su più VC indipendenti ma associati logicamente: un byte opportuno del POH individua quali sono i VC che fanno parte di una concatenazione e la loro posizione sequenziale all'interno del gruppo concatenato, per poter ricostruire il flusso originale nel nodo di terminazione. I vantaggi della concatenazione virtuale sono una miglior ottimizzazione della banda rispetto alla bit rate del flusso da trasportare (per esempio, una Fast Ethernet può essere trasportata alla sua rate nominale usando 50 VC12 concatenati virtualmente senza alcuno spreco di banda) e soprattutto un più facile inserimento in una rete già in esercizio, venendo a cadere l vincoli della contiguità all'interno della trama SDH e dell'obbligo di seguire lo stesso percorso, grazie all'indipendenza dei VC (ogni contenitore può seguire un suo percorso separato e indipendente da quello degli altri contenitori del gruppo, offrendo così anche una migliore protezione contro i guasti fisici) e soprattutto non richiedendo di modificare gli apparati se non nei punti terminali di una concatenazione virtuale (nei punti intermedi del percorso i VC appartenenti a una VCAT non richiedono alcuna processazione specifica e sono quindi indistinguibili dai VC ordinari, per cui possono essere processati correttamente anche da apparati non in grado di gestire la concatenazione virtuale).

La concatenazione virtuale si associa sempre più a protocolli di mappatura, come il Generic Framing Procedure (GFP)^[4], per mappare segnali asincroni o di banda qualsiasi all'interno di contenitori concatenati virtualmente tra di loro. In particolare questa tecnica si usa massicciamente per il trasporto di traffico Ethernet su SDH, alla base di tutti i servizi di nuova generazione (Triple Play: fonia, internet ad alta velocità e video on demand sulla stessa linea telefonica).

Una ulteriore flessibilità è data dall'introduzione del protocollo Link Capacity Adjustment Scheme (LCAS)^[5], che consente una variazione dinamica della banda dedicata, tramite incremento o diminuzione dei membri usati per una concatenazione virtuale, rispondendo alle richieste di aumento o riduzione di banda in tempi quasi istantanei (nell'ordine dei secondi). Questa tecnica si usa sia per aumentare o diminuire in modo permanente la banda utilizzata sia in modo temporaneo a fronte di guasti del singolo contenitore virtuale, in modo da redistribuire il traffico sugli altri contenitori del gruppo.

L'insieme dei protocolli SDH di nuova generazione che consentono di trasportare traffico Ethernet viene spesso indicato con Ethernet over SDH (EoS).

Note

1. ^ ITU-T G.707/Y.1322 (01/07) Network node interface for the synchronous digital hierarchy (SDH), 2007
2. ^ ITU-T G.783 (03/06) Characteristics of synchronous digital hierarchy (SDH) equipment functional blocks, 2006
3. ^ ITU-T G.803 (03/00) Architecture of transport networks based on the synchronous digital hierarchy (SDH), 2000 e ITU-T G.803(2000) Amendment 1 (06/05), 2005
4. ^ ITU-T G.7041/Y.1303 (08/05) Generic Framing Procedure, 2005
5. ^ ITU-T G.7042/Y.1305 (03/06) Link capacity adjustment scheme (LCAS) for virtual concatenated signals, 2006