TDMoIP

W sieciach komputerowych i telekomunikacji TDM przez IP (TDMoIP) to emulacja multipleksowania z podziałem czasu ( TDM) w sieci z komutacją pakietów (PSN). TDM odnosi się do T1 , E1 , T3 lub E3 , podczas gdy PSN jest oparty na protokole IP lub MPLS lub surowym Ethernet . Powiązaną technologią jest emulacja obwodów, która umożliwia transport ruchu TDM przez sieć komórkową ( ATM ) sieci.

TDMoIP to rodzaj pseudoprzewodu (PW). Jednak w przeciwieństwie do innych typów ruchu, które mogą być przesyłane przez pseudoprzewody (np. ATM, Frame Relay i Ethernet ), TDM jest strumieniem bitów w czasie rzeczywistym, dzięki czemu TDMoIP ma unikalne cechy. Ponadto konwencjonalne sieci TDM mają liczne specjalne cechy, w szczególności te wymagane do przenoszenia kanałów telefonii głosowej. Cechy te implikują systemy sygnalizacyjne obsługujące szeroki zakres funkcji telefonicznych, bogatą literaturę standaryzacyjną oraz dobrze rozwinięte mechanizmy operacji i zarządzania (OAM). Wszystkie te czynniki należy wziąć pod uwagę podczas emulowania TDM przez PSN.

Jednym z krytycznych problemów we wdrażaniu PW TDM jest przywracanie zegara. W natywnych sieciach TDM warstwa fizyczna przenosi bardzo dokładne informacje o taktowaniu wraz z danymi TDM, ale podczas emulacji TDM przez PSN ta synchronizacja jest nieobecna. Standardy synchronizacji TDM mogą być wymagające, a zgodność z nimi może wymagać innowacyjnych mechanizmów do adaptacyjnego odtwarzania taktowania TDM.

Kolejną kwestią, którą należy się zająć, jest ukrywanie utraty pakietów TDMoIP (PLC). Ponieważ dane TDM są dostarczane ze stałą szybkością przez dedykowany kanał, usługa natywna może mieć błędy bitowe, ale dane nigdy nie są tracone podczas przesyłania. Wszystkie sieci PSN cierpią w pewnym stopniu z powodu utraty pakietów, co musi zostać zrekompensowane podczas dostarczania TDM przez PSN.

W grudniu 2007 TDMoIP został zatwierdzony jako IETF RFC 5087, którego autorami są dr Yaakov Stein, Ronen Shashua, Ron Insler i Motti Anavi z RAD Data Communications .

Tło

Dostawcy usług komunikacyjnych i klienci korporacyjni są zainteresowani wdrażaniem usług głosowych i łączy dzierżawionych w wydajnych infrastrukturach Ethernet, IP i MPLS. Podczas gdy Voice over IP (VoIP) dojrzewa, jego wdrożenie wymaga inwestycji w nową infrastrukturę sieciową i sprzęt lokalowy klienta (CPE). TDMoIP przedstawia ścieżkę migracji, dzięki której do transportu można wykorzystać nowoczesne sieci z komutacją pakietów, bez konieczności natychmiastowej wymiany sprzętu użytkownika końcowego.

TDMoIP został po raz pierwszy opracowany w 1998 roku przez RAD Data Communications (patrz patent USA nr 6 731 649) i po raz pierwszy wdrożony w Szwecji w 1999 roku przez Utfors (później przejęty przez Telenor ). Firma Utfors wykorzystała produkt TDMoIP pierwszej generacji (znany jako IPmux-4) do świadczenia usług pakietowych, w tym prywatnych linii TDM, łączy dzierżawionych TDM oraz różnych usług IP i Ethernet. W 2001 roku IETF powołał grupę roboczą PWE3 , której powierzono opracowanie architektury pseudoprzewodów typu „od krawędzi do krawędzi” oraz stworzenie specyfikacji dla różnych usług, w tym TDM. Inne fora normalizacyjne, w tym ITU i MPLS - Frame Relay Alliance, również są aktywne w tworzeniu standardów i umów wdrożeniowych dla pseudoprzewodów.

Obsługa struktury TDM

Chociaż TDM może być używany do przenoszenia dowolnych strumieni bitów z szybkościami określonymi w G.702, istnieją standardowe metody przenoszenia strumieni bitów w większych jednostkach, z których każda zawiera taką samą liczbę bitów, zwanych ramkami . Ramkowanie TDM blokuje liczbę klatek na sekundę do częstotliwości próbkowania ruchu głosowego, dzięki czemu zawsze jest 8000 klatek na sekundę; ramka T1 składa się z 193 bitów, a ramka E1 z 256 bitów.

W przeciwieństwie do TDM bez ramek, dla którego wszystkie bity są dostępne dla ładunku, TDM z ramkami wymaga poświęcenia pewnej liczby bitów na ramkę do synchronizacji i być może różnych innych funkcji (np. 1 bit na ramkę T1, 8 bitów na ramkę E1). Framed TDM jest często używany do multipleksowania wielu kanałów głosowych, z których każdy składa się z 8000 8-bitowych próbek na sekundę w sekwencji szczelin czasowych powtarzających się w każdej ramce. Po wykonaniu tej czynności mamy „kanałowy TDM” i należy wprowadzić dodatkową strukturę.

W celu efektywnego transportu wolno zmieniających się bitów sygnalizacyjnych związanych z kanałem, definiowane są struktury drugiego rzędu, znane jako multiramki lub superramki. Na przykład dla łączy E1 bity sygnalizacyjne CAS są aktualizowane raz na wieloramkę złożoną z 16 ramek (co 2 milisekundy), podczas gdy dla łączy T1 ESF superramka wynosi 24 ramki (3 milisekundy). W powszechnym użyciu są również inne typy struktur drugiego rzędu. W GSM kanał Abis, który łączy stację bazową (BTS) i kontroler stacji bazowej (BSC), jest łączem E1 z kilkoma alternatywnymi ramkami, z których każda ma podstawowy czas trwania super-ramki wynoszący 20 milisekund.

Termin „strukturalny TDM” jest używany w odniesieniu do TDM o dowolnym poziomie struktury, w tym „ramkowy TDM” i „kanałowy TDM”.

Transport TDMoIP jest określany jako „niezależny od struktury”, gdy TDM jest bez ramek lub gdy jest ramkowany, a nawet kanałowany, ale struktura ramkowania i kanałów jest całkowicie ignorowana przez mechanizmy transportowe. W takich przypadkach wszystkie narzuty strukturalne muszą być przetransportowane w sposób przejrzysty wraz z danymi użytkowymi, a zastosowana metoda enkapsulacji nie zapewnia żadnych mechanizmów ich lokalizacji ani wykorzystania. Świadomy struktury transport TDM może wyraźnie chronić strukturę TDM na trzy koncepcyjnie różne sposoby, które będziemy nazywać blokowaniem struktury, wskazaniem struktury i ponownym składaniem struktury.

Blokowanie struktury zapewnia, że pakiety składają się z całych struktur TDM lub ich wielokrotności/ułamków. Wskazanie struktury pozwala pakietom zawierać dowolne fragmenty podstawowych struktur, ale wykorzystuje wskaźniki do wskazania, gdzie zaczyna się następująca struktura. W przypadku ponownego składania struktury komponenty struktur TDM mogą być wyodrębniane i reorganizowane na wejściu, a oryginalna struktura ponownie składana z otrzymanych składników na wyjściu.

formacie TDMoIP

TDMoIP działa poprzez segmentację, adaptację i enkapsulację ruchu TDM na wejściu PSN i wykonywanie operacji odwrotnych na wyjściu PSN. Adaptacja oznacza mechanizmy, które modyfikują ładunek, aby umożliwić jego prawidłowe przywrócenie na wyjściu PSN. Stosując odpowiednią adaptację, można odzyskać sygnalizację i taktowanie TDM oraz uwzględnić pewną ilość utraconych pakietów. Hermetyzacja oznacza umieszczenie dostosowanego ładunku w pakietach o formacie wymaganym przez podstawową technologię PSN. W przypadku MPLS pełny opis formatu pakietu zawiera zalecenie ITU-T Y.1413.

We wszystkich przypadkach pakiet TDMoIP rozpoczyna się od nagłówków PSN. Są to standardowe nagłówki używane przez technologię PSN, np. 20-bajtowy nagłówek UDP/IP lub stos etykiet MPLS. Po tych nagłówkach następuje „etykieta PW”, czterobajtowa etykieta podobna do MPLS, która służy do demultipleksowania różnych PW TDM. Po nagłówku PSN następuje czterobajtowe „słowo kontrolne” TDMoIP. Słowo kontrolne zawiera 16-bitowy numer sekwencyjny pakietu (potrzebny do wykrycia zmiany kolejności pakietów i utraty pakietów), długość ładunku oraz flagi wskazujące warunki defektu.

Po słowie kontrolnym następuje ładunek TDMoIP. W przypadku transportu niezależnego od struktury (SAToP) jest to po prostu z góry określona liczba oktetów TDM, podczas gdy w przypadku formatu z zablokowaną strukturą ładunek jest liczbą całkowitą ramek TDM. Do wskazywania struktury i ponownego składania struktury TDMoIP opiera się na sprawdzonych mechanizmach adaptacyjnych, pierwotnie opracowanych dla ATM. Dodatkową korzyścią wynikającą z takiego wyboru typów danych jest uproszczona współpraca z usługami emulacji obwodów przenoszonymi przez sieci ATM. W przypadku statycznie alokowanych łączy TDM o stałej przepływności (CBR), TDMoIP wykorzystuje warstwę adaptacyjną ATM 1 (AAL1). Mechanizm ten, zdefiniowany w normie ITU-T I.363.1 i specyfikacji ATM Forum atm-vtoa-0078, został opracowany do przenoszenia usług CBR przez ATM. AAL1 działa poprzez segmentację ciągłego strumienia danych TDM do małych 48-bajtowych komórek i wstawianie do nich informacji o sekwencjonowaniu, synchronizacji, naprawie błędów i synchronizacji. TDMoIP umożliwia łączenie dowolnej liczby komórek AAL1 w pakiet (należy pamiętać, że są to komórki AAL1, a nie komórki ATM, tj. nie zawierają pięciobajtowego „podatku komórkowego”). Pozwalając na wiele komórek na pakiet, TDMoIP ułatwia elastyczne kompromisy opóźnienia buforowania (które maleje przy mniejszej liczbie komórek na pakiet) w celu zwiększenia wydajności przepustowości (która wzrasta wraz z większą liczbą komórek na pakiet, ze względu na narzut na pakiet). W przypadku dynamicznie alokowanych łączy TDM, niezależnie od tego, czy szybkość informacji zmienia się z powodu aktywacji szczelin czasowych, czy z powodu wykrywania aktywności głosowej, TDMoIP wykorzystuje warstwę adaptacji ATM 2 (AAL2). Mechanizm ten, zdefiniowany w standardzie ITU-T I.363.2, został opracowany do przenoszenia usług o zmiennej przepływności (VBR) przez ATM. AAL2 działa na zasadzie buforowania każdej szczeliny czasowej TDM do krótkich minikomórek, wstawiania identyfikatora szczeliny czasowej i wskazania długości, sekwencjonowania, a następnie wysyłania tej minikomórki tylko wtedy, gdy zawiera ważne informacje. TDMoIP łączy minikomórki ze wszystkich aktywnych szczelin czasowych w jeden pakiet. W przypadku szczelin czasowych przenoszących dane kontroli łącza danych wysokiego poziomu (HDLC), takie jak dane do sygnalizacji wspólnego kanału (CCS), TDMoIP ma specjalną adaptację, która obejmuje odcinki danych, które nie są bezczynne.

Opóźnienie

Sieć telefoniczna poważnie ogranicza opóźnienia typu end-to-end. ITU-T G.114/G.131 stwierdza, że czasy transmisji jednokierunkowej do 150 ms są powszechnie akceptowalne, przy założeniu, że zapewniona jest odpowiednia kontrola echa. Te ograniczenia nie stanowią problemu dla sieci TDM, w których głównym składnikiem opóźnienia między punktami końcowymi jest czas propagacji elektrycznej („opóźnienie prędkości światła”). Z kolei systemy oparte na protokole IP zazwyczaj dodają różne formy opóźnień, z których jedna opiera się na czasie potrzebnym do utworzenia pakietów (opóźnienie pakietyzacji), które jest proporcjonalne do wielkości pakietu podzielonej przez szybkość transmisji danych. Rozmiary pakietów nie mogą być zbyt małe, w przeciwnym razie nagłówek pakietu stanie się przytłaczający. Inną formą opóźnienia wprowadzaną przez systemy IP jest opóźnienie odtwarzania, które należy dodać u odbiorcy, aby zbuforować zmienność opóźnienia pakietu i zapewnić płynne odtwarzanie. Systemy VoIP, które starają się być bardzo efektywne pod względem przepustowości, mogą również dodawać dziesiątki milisekund algorytmicznego opóźnienia w kodeku głosowym. W przeszłości złe implementacje powodowały dodatkowe opóźnienia spowodowane przez system operacyjny, które razem z innymi opóźnieniami w praktyce czasami zbliżają się do 100 ms, nawet bez uwzględnienia opóźnień propagacji.

W przeciwieństwie do TDMoIP mapuje oktety TDM bezpośrednio do ładunku bez algorytmów kompresji głosu i bez wynikowego opóźnienia algorytmicznego. Opóźnienie pakietyzacji dodane przez TDMoIP zależy od liczby komórek na pakiet, ale zwykle mieści się w zakresie jednej milisekundy ze względu na wyższą szybkość transmisji danych pełnego multipleksu w porównaniu z pojedynczym przepływem VoIP. Rozważania dotyczące opóźnień odtwarzania nie różnią się zasadniczo między TDMoIP i VoIP, więc oba działają najlepiej na ścieżkach z kontrolowanymi zmianami opóźnienia pakietów (silna nadmierna alokacja lub „QoS”).

Odzyskiwanie rozrządu

Rodzime sieci TDM opierają się na hierarchicznej dystrybucji taktowania. Gdzieś w sieci istnieje co najmniej jeden niezwykle dokładny główny zegar referencyjny o długoterminowej dokładności 1 x 10^-11. Węzeł ten, który oferuje dokładność warstwy 1, dostarcza zegar odniesienia do węzłów drugorzędnych z dokładnością warstwy 2. Węzły drugorzędne zapewniają następnie odniesienie czasowe do węzłów warstwy 3. Taka hierarchia synchronizacji czasu jest niezbędna do prawidłowego funkcjonowania całej sieci.

Pakiety w sieci PSN docierają do miejsca docelowego z opóźnieniem, które ma składnik losowy, znany jako zmienność opóźnienia pakietu (PDV). Podczas emulowania transportu TDM w takiej sieci losowość tę można przezwyciężyć przez umieszczenie pakietów TDM w buforze jitter , z którego dane mogą być odczytywane ze stałą szybkością w celu dostarczenia ich do sprzętu użytkownika końcowego TDM. Problem polega na tym, że odniesienie czasowe źródła TDM nie jest już dostępne, a dokładna szybkość, z jaką dane mają być „taktowane” z bufora jittera, jest nieznana.

W niektórych przypadkach synchronizacja może być uzyskana z urządzeń TDM na obu końcach PW. Ponieważ każdy z tych zegarów jest bardzo dokładny, z konieczności zgadzają się one z wyższym rzędem. Problem pojawia się, gdy co najwyżej jedna strona tunelu TDMoIP ma bardzo dokładny standard czasu. W przypadku sieci ATM, które definiują warstwę fizyczną przenoszącą taktowanie, można zastosować metodę synchronicznego resztkowego znacznika czasu (SRTS); Sieci IP/MPLS nie definiują jednak warstwy fizycznej, a tym samym nie mogą określać dokładności jej zegara.

Dlatego w wielu przypadkach jedyną alternatywą jest próba odzyskania zegara w oparciu wyłącznie o ruch TDMoIP, technologia znana jako „adaptacyjne przywracanie zegara”. Jest to możliwe, ponieważ źródłowe urządzenie TDM wytwarza bity ze stałą szybkością określoną przez jego zegar, chociaż szybkość ta jest ukryta przez PDV. Zadaniem odzyskiwania zegara jest zatem proces „uśredniania”, który neguje efekt losowego PDV i przechwytuje średnią szybkość transmisji oryginalnego strumienia bitów.

Utrata pakietu

Chociaż oczekuje się, że właściwe zastosowanie inżynierii ruchu i jakości usług (QoS) zminimalizuje utratę pakietów, pakiety będą czasami docierać do wyjścia poza kolejnością. Mogły również zostać całkowicie usunięte w PSN. Opisane powyżej słowo kontrolne TDMoIP zawiera 16-bitowy numer sekwencyjny do wykrywania i obsługi zagubionych i źle uporządkowanych pakietów. W przypadku utraconych pakietów TDMoIP wymaga wstawienia interpolacji w celu zachowania taktowania TDM. Niewłaściwie uporządkowane pakiety mogą być uporządkowane ponownie lub porzucone i interpolowane.

Chociaż wstawienie dowolnych pakietów może wystarczyć do utrzymania taktowania TDM, w aplikacjach głosowych utrata pakietów może powodować przerwy lub błędy, które skutkują przerywaną, irytującą lub nawet niezrozumiałą mową. Dokładny wpływ utraty pakietów na jakość głosu i rozwój algorytmów ukrywania utraty pakietów były przedmiotem szczegółowych badań w społeczności VoIP, ale ich wyniki nie mają bezpośredniego zastosowania w przypadku TDMoIP. Dzieje się tak, ponieważ pakiety VoIP zazwyczaj zawierają od 80 próbek (10 ms) do 240 próbek (30 ms) sygnału mowy, podczas gdy pakiety TDMoIP mogą zawierać tylko niewielką liczbę próbek. Ponieważ pakiety TDMoIP są tak małe, dopuszczalne jest po prostu wstawienie stałej wartości w miejsce utraconych próbek mowy. Zakładając, że sygnał wejściowy jest zerowy (tj Składowa DC ), minimalne zniekształcenia są osiągane, gdy ta stała jest ustawiona na zero. Alternatywnie, bardziej wyrafinowane podejścia wymagają optymalnego przewidywania wartości brakujących próbek.

Linki zewnętrzne