TDM через IP

В компьютерных сетях телекоммуникациях TDM и через IP (TDMoIP) представляет собой эмуляцию мультиплексирования с временным разделением (TDM) в сети с коммутацией пакетов (PSN). TDM относится к сигналу T1 , E1 , T3 или E3 , тогда как PSN основан либо на IP , либо на MPLS , либо на необработанном Ethernet . Связанной технологией является эмуляция каналов , которая позволяет транспортировать трафик TDM по сотовым ( ATM ) сетям.

TDMoIP — это разновидность псевдопровода (PW). Однако, в отличие от других типов трафика, которые могут передаваться по псевдопроводам (например, ATM, Frame Relay и Ethernet ), TDM представляет собой поток битов в реальном времени, что приводит к тому, что TDMoIP имеет уникальные характеристики. Кроме того, обычные сети TDM имеют множество специальных функций, в частности, необходимых для передачи телефонных каналов голосового качества. Эти функции подразумевают системы сигнализации, которые поддерживают широкий спектр функций телефонии, богатую литературу по стандартизации и хорошо развитые механизмы эксплуатации и управления (OAM). Все эти факторы необходимо учитывать при эмуляции TDM через PSN.

Одной из важнейших проблем при реализации TDM PW является восстановление тактовой частоты . В собственных сетях TDM физический уровень передает высокоточную информацию о синхронизации вместе с данными TDM, но при эмуляции TDM через PSN эта синхронизация отсутствует. Стандарты синхронизации TDM могут быть требовательными, и для их соответствия могут потребоваться инновационные механизмы для адаптивного воспроизведения синхронизации TDM.

Еще одна проблема, которую необходимо решить, — это маскирование потери пакетов TDMoIP (PLC). Поскольку данные TDM доставляются с постоянной скоростью по выделенному каналу, собственная служба может иметь битовые ошибки, но данные никогда не теряются при передаче. Все PSN в той или иной степени страдают от потери пакетов, и это необходимо компенсировать при доставке TDM через PSN.

В декабре 2007 года TDMoIP был одобрен IETF RFC. Яаков Штайн, Ронен Шашуа, Рон Инслер и Мотти Анави из RAD Data Communications

Фон

Поставщики услуг связи и корпоративные клиенты заинтересованы в развертывании услуг голосовой связи и выделенных линий через эффективные инфраструктуры Ethernet, IP и MPLS. Хотя передача голоса по IP (VoIP) развивается, ее развертывание требует инвестиций в новую сетевую инфраструктуру и оборудование в помещениях клиентов (CPE). TDMoIP представляет собой путь миграции, при котором современные сети с коммутацией пакетов могут использоваться для транспортировки, при этом оборудование конечного пользователя не требует немедленной замены.

TDMoIP был впервые разработан в 1998 году компанией RAD Data Communications (см. патент США № 6,731,649) и впервые внедрен в Швеции в 1999 году компанией Utfors (позже приобретенной Telenor ). Компания Utfors использовала продукт TDMoIP первого поколения (известный как IPmux-4) для предоставления комплексных услуг, включая частные линии TDM, арендованные линии TDM и различные услуги IP и Ethernet. В 2001 году IETF создал рабочую группу PWE3 , которая была создана для разработки архитектуры сквозных псевдопроводных сетей и разработки спецификаций для различных сервисов, включая TDM. Другие форумы по стандартизации, в том числе ITU и MPLS – Frame Relay Alliance, также активно разрабатывают стандарты и соглашения о внедрении псевдопроводов.

Обработка структуры TDM

Хотя TDM может использоваться для передачи произвольных битовых потоков со скоростью, определенной в G.702, существуют стандартизированные методы передачи битовых потоков в более крупных единицах, каждая из которых содержит одинаковое количество битов, называемых кадрами . Кадрирование TDM фиксирует частоту кадров в соответствии с частотой дискретизации голосового трафика, так что всегда имеется 8000 кадров в секунду; Кадр T1 состоит из 193 бит, а кадр E1 — из 256 бит.

В отличие от TDM без кадрирования, для которого все биты доступны для полезной нагрузки, TDM с кадрированием требует выделения некоторого количества битов на кадр для синхронизации и, возможно, различных других функций (например, 1 бит на кадр T1, 8 бит на кадр E1). Framed TDM часто используется для мультиплексирования нескольких голосовых каналов, каждый из которых состоит из 8000 8-битных выборок в секунду в последовательности временных интервалов, повторяющихся в каждом кадре. Когда это будет сделано, мы получим «канальный TDM», и необходимо будет ввести дополнительную структуру.

Для эффективной транспортировки медленно меняющихся сигнальных битов, связанных с каналом, определяются структуры второго порядка, известные как мультикадры или суперкадры. Например, для магистралей E1 биты сигнализации CAS обновляются один раз за мультикадр из 16 кадров (каждые 2 миллисекунды), тогда как для магистралей T1 ESF суперкадр составляет 24 кадра (3 миллисекунды). Другие типы структур второго порядка также широко используются. В сотовых сетях GSM канал Abis, который соединяет базовую приемопередающую станцию (BTS) и контроллер базовой станции (BSC), представляет собой канал E1 с несколькими альтернативами формирования кадра, каждый из которых имеет базовую продолжительность суперкадра 20 миллисекунд.

Термин «структурированный TDM» используется для обозначения TDM с любым уровнем структуры, включая «кадровый TDM» и «канальный TDM».

Транспорт TDMoIP обозначается как «структурно-независимый», когда TDM не кадрирован, или когда он сформирован или даже разделен на каналы, но структура формирования кадров и формирования каналов полностью игнорируется механизмами транспорта. В таких случаях все структурные служебные данные должны прозрачно передаваться вместе с полезными данными, а используемый метод инкапсуляции не обеспечивает механизмов для их обнаружения или использования. Транспорт TDM с учетом структуры может явно защищать структуру TDM тремя концептуально различными способами, которые мы будем называть блокировкой структуры, индикацией структуры и повторной сборкой структуры.

Блокировка структуры гарантирует, что пакеты состоят из целых структур TDM или их кратных/частей. Индикация структуры позволяет пакетам содержать произвольные фрагменты базовых структур, но использует указатели, указывающие, где начинается следующая структура. При повторной сборке структуры компоненты структур TDM могут быть извлечены и реорганизованы на входе, а исходная структура повторно собрана из полученных компонентов на выходе.

Формат ТДМоIP

TDMoIP работает путем сегментации, адаптации и инкапсуляции трафика TDM на входе PSN и выполнения обратных операций на выходе PSN. Адаптация означает механизмы, которые изменяют полезную нагрузку, чтобы обеспечить ее правильное восстановление на выходе PSN. Используя правильную адаптацию, можно восстановить сигнализацию и синхронизацию TDM, а также компенсировать определенную долю потерь пакетов. Инкапсуляция означает размещение адаптированной полезной нагрузки в пакеты формата, требуемого базовой технологией PSN. Для случая MPLS Рекомендация ITU-T Y.1413 содержит полное описание формата пакета.

Во всех случаях пакет TDMoIP начинается с заголовков PSN. Это стандартные заголовки, используемые в технологии PSN, например, 20-байтовый заголовок UDP/IP или стек меток MPLS. После этих заголовков идет «метка PW», четырехбайтовая метка, подобная MPLS, которая служит для демультиплексирования различных PW TDM. После заголовка PSN следует четырехбайтовое «управляющее слово» TDMoIP. Управляющее слово содержит 16-битный порядковый номер пакета (необходимый для обнаружения переупорядочения и потери пакетов), длину полезной нагрузки и флаги, указывающие на наличие дефектов.

После управляющего слова идет полезная нагрузка TDMoIP. Для транспорта с независимой структурой (SAToP) это просто заранее определенное количество октетов TDM, тогда как для формата с фиксированной структурой полезная нагрузка представляет собой целое число кадров TDM. Для индикации структуры и повторной сборки структуры TDMoIP использует проверенные механизмы адаптации, первоначально разработанные для ATM. Дополнительным преимуществом такого выбора типов полезной нагрузки является упрощение взаимодействия со службами эмуляции каналов, передаваемыми по сетям ATM. Для статически выделенных каналов TDM с постоянной скоростью передачи данных (CBR) TDMoIP использует уровень адаптации ATM 1 (AAL1). Этот механизм, определенный в стандарте ITU-T I.363.1 и спецификации ATM Forum atm-vtoa-0078, был разработан для передачи услуг CBR через ATM. AAL1 работает путем сегментирования непрерывного потока данных TDM на небольшие 48-байтовые ячейки и вставки в них информации о последовательности, синхронизации, устранении ошибок и синхронизации. TDMoIP позволяет объединять любое количество ячеек AAL1 в пакет (обратите внимание, что это ячейки AAL1, а не ячейки ATM, т.е. они не включают пятибайтовый «налог на ячейку»). Разрешая использование нескольких ячеек в пакете, TDMoIP обеспечивает гибкий компромисс между задержкой буферизации (которая уменьшается с уменьшением количества ячеек в пакете) и эффективностью использования полосы пропускания (которая увеличивается с увеличением количества ячеек в пакете из-за накладных расходов на пакет). Для динамически распределяемых каналов TDM, независимо от того, меняется ли скорость передачи данных из-за активации временных интервалов или из-за обнаружения голосовой активности, TDMoIP использует уровень адаптации ATM 2 (AAL2). Этот механизм, определенный в стандарте ITU-T I.363.2, был разработан для передачи услуг с переменной скоростью передачи данных (VBR) через ATM. AAL2 работает путем буферизации каждого временного интервала TDM в короткие мини-ячейки, вставки идентификатора временного интервала и указания длины, упорядочивания и последующей отправки этой мини-ячейки только в том случае, если она несет достоверную информацию. TDMoIP объединяет миниячейки из всех активных временных интервалов в один пакет. Для временных интервалов, передающих данные управления каналом передачи данных высокого уровня (HDLC), например данные для сигнализации общего канала (CCS), TDMoIP имеет специальную адаптацию, которая инкапсулирует участки несвободных данных.

Задерживать

Телефонная сеть серьезно ограничивает сквозные задержки. В ITU-T G.114/G.131 указано, что время односторонней передачи до 150 мс является общеприемлемым, при условии, что обеспечен адекватный контроль эха. Эти ограничения не являются проблемой для сетей TDM, где основным компонентом сквозной задержки является время электрического распространения («задержка скорости света»). Напротив, системы на базе IP обычно добавляют различные формы задержки, одна из которых основана на времени, необходимом для формирования пакетов (задержка пакетирования), которое пропорционально размеру пакета, разделенному на скорость передачи данных. Размеры пакетов нельзя делать слишком маленькими, иначе накладные расходы на заголовок пакета станут огромными. Другой формой задержки, вносимой IP-системами, является задержка воспроизведения, которую необходимо добавить у получателя для буферизации изменений задержки пакета и обеспечения плавного воспроизведения. Системы VoIP, которые стараются максимально эффективно использовать полосу пропускания, могут также добавлять десятки миллисекунд алгоритмической задержки в голосовом кодеке. Исторически плохие реализации добавляли дополнительные задержки, вызванные операционной системой, которые вместе с другими задержками на практике иногда достигают 100 мс даже без учета задержек распространения.

Напротив, TDMoIP отображает октеты TDM непосредственно в полезную нагрузку без каких-либо алгоритмов сжатия голоса и результирующей алгоритмической задержки. Задержка пакетирования, добавляемая TDMoIP, зависит от количества ячеек в пакете, но обычно находится в диапазоне одной миллисекунды из-за более высокой скорости передачи данных полного мультиплекса по сравнению с одним потоком VoIP. Однако соображения по задержке воспроизведения существенно не различаются между TDMoIP и VoIP, поэтому оба лучше всего работают на путях с контролируемым изменением задержки пакета (сильное избыточное выделение ресурсов или «QoS»).

Восстановление сроков

Собственные сети TDM полагаются на иерархическое распределение времени. Где-то в сети есть по крайней мере один чрезвычайно точный первичный эталонный тактовый сигнал с долгосрочной точностью 1 x 10^-11. Этот узел, обеспечивающий точность уровня 1, обеспечивает опорную тактовую частоту для вторичных узлов с точностью уровня 2. Вторичные узлы затем предоставляют привязку ко времени узлам уровня 3. Эта иерархия синхронизации времени необходима для правильного функционирования сети в целом.

Пакеты в PSN достигают места назначения со случайной задержкой, известной как изменение задержки пакета (PDV). При эмуляции транспорта TDM в такой сети эту случайность можно преодолеть, помещая пакеты TDM в буфер дрожания , из которого данные могут считываться с постоянной скоростью для доставки на оборудование конечного пользователя TDM. Проблема заключается в том, что привязка времени источника TDM больше не доступна, и точная скорость, с которой данные должны «выбрасываться» из буфера дрожания, неизвестна.

В некоторых случаях синхронизация может быть получена от оборудования TDM на обоих концах PW. Поскольку каждые из этих часов очень точны, они обязательно соответствуют высокому порядку. Проблема возникает, когда хотя бы одна сторона туннеля TDMoIP имеет очень точный стандарт времени. Для сетей ATM, которые определяют физический уровень, на котором передается синхронизация, может использоваться метод синхронной остаточной временной метки (SRTS); Однако сети IP/MPLS не определяют физический уровень и, следовательно, не могут определять точность своих часов.

Следовательно, во многих случаях единственной альтернативой является попытка восстановить тактовую частоту исключительно на основе трафика TDMoIP, технология, известная как «адаптивное восстановление тактовой частоты». Это возможно, поскольку исходное устройство TDM производит биты с постоянной скоростью, определяемой его тактовой частотой, хотя эта скорость скрыта PDV. Таким образом, задача восстановления тактовой частоты представляет собой процесс «усреднения», который сводит на нет эффект случайного PDV и фиксирует среднюю скорость передачи исходного потока битов.

Потеря пакетов

Хотя ожидается, что правильное применение организации трафика и качества обслуживания (QoS) сведет к минимуму потерю пакетов, иногда пакеты прибывают на выход не по порядку. Возможно, их также вообще удалили из PSN. Описанное выше управляющее слово TDMoIP включает 16-битный порядковый номер для обнаружения и обработки потерянных и неправильно упорядоченных пакетов. В случае потери пакетов TDMoIP требует вставки пакетов интерполяции для поддержания синхронизации TDM. Неупорядоченные пакеты могут быть либо переупорядочены, либо отброшены и интерполированы.

Хотя вставки произвольных пакетов может быть достаточно для поддержания синхронизации TDM, в голосовых приложениях потеря пакетов может вызвать пропуски или ошибки, которые приводят к прерывистой, раздражающей или даже неразборчивой речи. Точное влияние потери пакетов на качество голоса и разработка алгоритмов сокрытия потери пакетов были предметом детального изучения в сообществе VoIP, но их результаты не применимы напрямую к случаю TDMoIP. Это связано с тем, что пакеты VoIP обычно содержат от 80 выборок (10 мс) до 240 выборок (30 мс) речевого сигнала, тогда как пакеты TDMoIP могут содержать лишь небольшое количество выборок. Поскольку пакеты TDMoIP настолько малы, допустимо просто вставить постоянное значение вместо любых потерянных образцов речи. Предполагая, что входной сигнал имеет нулевое среднее значение (т.е. не содержит постоянной составляющей ), минимальное искажение достигается, когда эта константа установлена в ноль. Альтернативно, более сложные подходы требуют оптимального прогнозирования значений отсутствующих выборок.

Внешние ссылки

ТДМоИП
Псевдопроводная эмуляция от края до края (pwe3) на Wayback Machine (архивировано 4 декабря 2004 г.)