Кіріспе
Компьютерлік желілер және телекоммуникацияларда TDM over IP (TDMoIP) — пакеттік коммутациялық желіде (PSN) уақыт бөлісімен көптеулендірудің (TDM) эмуляциясы болып табылады. TDM — T1, E1, T3 немесе E3 сигналына сілтеме жасайды, ал PSN — IP, MPLS немесе таза Ethernet негізінде құрылған. Бұл технологиямен байланысты контурлық эмуляция, ол TDM трафигін ұяшықтық (ATM) желілер арқылы тасымалдауға мүмкіндік береді. TDMoIP — псевдосымның (PW) бір түрі. Дегенмен, псевдосым арқылы тасымалданатын басқа трафик түрлерінен (мысалы, ATM, Frame Relay және Ethernet) өзгеше, TDM — нақты уақыт біт ағыны болып табылады, бұл TDMoIP-тің ерекше қасиеттеріне алып келеді. Сонымен қатар, дәстүрлі TDM желілерінде көптеген арнайы мүмкіндіктер бар, әсіресе дауыстық телефон арналарын тасымалдау үшін қажеттілер. Бұл мүмкіндіктерге телефондық мүмкіндіктердің кең ауқымын қолдайтын сигналдау жүйелері, толыққанды стандарттау әдебиеті және жақсы дамыған Операциялар мен басқару (OAM) механизмдері жатады. PSN арқылы TDM эмуляциялау кезінде осы факторлардың барлығын ескеру қажет. TDM PW-ді жүзеге асырудағы маңызды мәселелердің бірі — синхронизацияны қалпына келтіру. Негізгі TDM желілерінде физикалық қабат TDM деректерімен бірге жоғары дәлдіктегі уақыт туралы ақпаратты қамтиды, бірақ TDM-ді PSN арқылы эмуляциялау кезінде бұл синхронизация жоқ. TDM уақыт стандарттары қатаң болуы мүмкін және оларға сәйкестік TDM уақытын бейімделіп қайта жаңарту үшін инновациялық механизмдерді қажет етуі мүмкін. Тағы бір қарастырылуы тиіс мәселе — TDMoIP пакеттік жоғалтуды жасыру (PLC). TDM деректері арнайы арна арқылы тұрақты жылдамдықпен жеткізілетіндіктен, бастапқы қызметте біт қателері болуы мүмкін, бірақ деректер транзиттің өзінде жоғалмайды. Барлық PSN-дер белгілі бір деңгейде пакеттік жоғалтудан зардап шегеді және бұл PSN арқылы TDM жеткізілімінде өтеуі тиіс. 2007 жылдың желтоқсанында TDMoIP IETF RFC 5087 ретінде бекітілді, авторлары — доктор Яаков Стейн, Ронен Шашуа, Рон Инслер және RAD Data Communications-тің Моти Анави.
In computer networking and telecommunications, TDM over IP (TDMoIP) is the emulation of time division multiplexing (TDM) over a packet switched network (PSN). TDM refers to a T1, E1, T3 or E3 signal, while the PSN is based either on IP or MPLS or on raw Ethernet. A related technology is circuit emulation, which enables transport of TDM traffic over cell based (ATM) networks. TDMoIP is a type of pseudowire (PW). However, unlike other traffic types that can be carried over pseudowires (e. g. ATM, Frame Relay and Ethernet), TDM is a real time bit stream, leading to TDMoIP having unique characteristics. In addition, conventional TDM networks have numerous special features, in particular those required in order to carry voice grade telephony channels. These features imply signaling systems that support a wide range of telephony features, a rich standardization literature and well developed Operations and Management (OAM) mechanisms. All of these factors must be taken into account when emulating TDM over PSNs. One critical issue in implementing TDM PWs is clock recovery. In native TDM networks the physical layer carries highly accurate timing information along with the TDM data, but when emulating TDM over PSNs this synchronization is absent. TDM timing standards can be exacting and conformance with these may require innovative mechanisms to adaptively reproduce the TDM timing. Another issue that must be addressed is TDMoIP packet loss concealment (PLC). Since TDM data is delivered at a constant rate over a dedicated channel, the native service may have bit errors but data is never lost in transit. All PSNs suffer to some degree from packet loss and this must be compensated when delivering TDM over a PSN. In December 2007 TDMoIP was approved as an IETF RFC 5087 authored by Dr. Yaakov Stein, Ronen Shashua, Ron Insler, and Motti Anavi of RAD Data Communications.
Өмірбаян
Байланыс қызметтерін ұсынатын провайдерлер мен кәсіпорын клиенттері тиімді Ethernet, IP және MPLS инфрақұрылымдары арқылы дауыс және жалға берілген желілер қызметтерін енгізуге қызығушылық танытады. Voice over IP (VoIP) технологиясы жетіліп келе жатқандықтан, оны енгізу үшін жаңа желілік инфрақұрылымға және клиенттік жабдыққа (CPE) инвестиция салу қажет. TDMoIP көшу жолын ұсынады, осы арқылы заманауи пакеттік коммутациялық желілерді тасымалдау үшін пайдалануға болады, ал соңғы пайдаланушы жабдығын дереу ауыстыру қажеттілігі тумайды. TDMoIP 1998 жылы RAD Data Communications компаниясымен әзірленген (АҚШ патені № 6,731,649) және 1999 жылы Utfors компаниясы (кейіннен Telenor сатып алған) Швецияда алғаш рет қолданған. Utfors бірінші буын TDMoIP өнімін (IPmux 4 деп белгіленген) TDM жеке желілерін, TDM жалға берілген желілерін және әртүрлі IP және Ethernet қызметтерін қамтитын біріктірілген қызметтерді ұсыну үшін пайдаланған. 2001 жылы IETF PWE3 жұмыс тобын құрды, оның міндеті – шеттен шетке дейінгі псевдосымдар архитектурасын әзірлеу және TDM-ді қоса алғанда, әртүрлі қызметтерге арналған спецификацияларды жасау болды. Басқа да стандарттау платформалары, соның ішінде ITU және MPLS Frame Relay Alliance псевдосымдар үшін стандарттар мен іске асыру туралы келісімдерді әзірлеуде белсенді.
ТМҚ құрылымын басқару
TDM G.702 стандартында анықталған жылдамдықпен кез келген бит ағындарын тасымалдау үшін қолданылса да, бит ағындарын үлкен бірліктерде тасымалдаудың стандартталған әдістері бар, олар фреймдер деп аталады және әрқайсысы бірдей мөлшерде биттерді қамтиды. TDM фреймингі фреймнің жылдамдығын дауыстық трафиктің дискретизация жиілігімен байланыстырады, сондықтан секундына әрқашан 8000 фрейм болады; T1 фреймі 193 биттен, ал E1 фреймі 256 биттен тұрады. Фреймсіз TDM-нен айырмашылығы, барлық биттер пайдалы жүктеме үшін қолжетімді, ал фреймді TDM синхронизация үшін әр фреймге белгілі бір мөлшерде биттерді бөлуді және басқа да функцияларды талап етеді (мысалы, T1 фреймі үшін 1 бит, E1 фреймі үшін 8 бит). Фреймді TDM көбінесе секундына 8000 8-биттік үлгіні қамтитын бірнеше дауыстық арналарды, әр фреймде қайталанататын уақыттық слоттар тізбегі арқылы мультиплекстеу үшін қолданылады. Мұндай жағдайда біз "арналық TDM" туралы айтамыз және қосымша құрылым енгізілуі керек. Баяу өзгеретін арнаға қатысты сигнал беру биттерін тиімді тасымалдау үшін мультифреймдер немесе суперфреймдер деп аталатын екінші деңгейдегі құрылымдар анықталады. Мысалы, E1 тізбектерінде CAS сигналдық биттері 16 фреймдік мультифрейм үшін бір рет жаңартылады (әр 2 миллисекунд сайын), ал T1 ESF тізбектерінде суперфрейм 24 фреймді құрайды (3 миллисекунд). Екінші деңгейдегі құрылымдардың басқа түрлері де кеңінен қолданылады. GSM ұялы желілеріндегі базалық станция (BTS) мен базалық станция контроллерін (BSC) байланыстыратын Abis арнасы – E1 байланысы болып табылады, ол бірнеше фрейминг опцияларын қамтиды, олардың барлығының негізгі суперфреймі 20 миллисекундқа созылады. "Құрылымдық TDM" термині кез келген деңгейдегі құрылымы бар TDM-ді, соның ішінде "фреймделген TDM" және "арналық TDM" сияқтыларын білдіреді. TDMoIP тасымалы "құрылымдық бейтарап" деп аталады, егер TDM фреймделмеген болса, немесе фреймделген немесе тіпті арналанған болса да, бірақ фреймдеу және арналау құрылымы тасымалдау механизмдерімен ескерілмейді. Мұндай жағдайларда барлық құрылымдық жүктеме деректерімен бірге ашық түрде тасымалдануы керек, ал қолданылатын капсулация әдісі оның орналасуына немесе пайдалануына қатысты ешқандай механизмдерді ұсынбайды. Құрылымды сақтаушы TDM тасымалы TDM құрылымын үш тұжырымдық жолмен қорғай алады, оларды құрылымдық бекіту, құрылымдық көрсету және құрылымдық қайта құрастыру деп атаймыз. Құрылымдық бекіту пакеттердің TDM құрылымының толық бөлігінен немесе оның еселіктерінен/бөлшектерінен тұруын қамтамасыз етеді. Құрылымдық көрсету пакеттерге негізгі құрылымдардың кез келген бөлігін қамтуға мүмкіндік береді, бірақ келесі құрылымның қайдан басталатынын көрсету үшін көрсеткіштерді пайдаланады. Құрылымдық қайта құрастыру TDM құрылымдарының компоненттерін кіріс кезінде бөліп алып, қайта ұйымдастыруға мүмкіндік береді, ал бастапқы құрылым шығыс кезінде алынған компоненттерден қайта құрастырылады.
TDMoIP форматы
TDMoIP PSN кіруінде TDM трафигін сегменттеу, бейімдеу және капсулалау арқылы жұмыс істейді және PSN шығу кезінде кері операцияларды орындайды. Бейімдеу – PSN шығуінде оның дұрыс қалпына келуін қамтамасыз ету үшін пайдалы жүктемені өзгертетін механизмдерді білдіреді. Дұрыс бейімделуді қолдану арқылы TDM сигнализациясы мен уақытын қалпына келтіруге болады және белгілі бір мөлшерде пакет жоғалуын өтеуге болады. Капсулалау – бейімделген пайдалы жүктемені PSN технологиясы талап ететін пішімдегі пакеттерге орналастыру. MPLS жағдайында ITU-T Y.1413 ұсынымында пакет форматының толық сипаттамасы бар. Барлық жағдайларда TDMoIP пакеттері PSN баспен басталады. Бұл PSN технологиясында қолданылатын стандартты бас, мысалы, UDP/IP-тің 20 байттық басы немесе MPLS-тің белгі стегі. Осы бас кейін "PW белгісі" келеді, ол төрт байттық MPLS сияқты белгі, ол әртүрлі TDM PW-ді демультиплекстеуге қызмет етеді. PSN бас әріпінен кейін төрт байттық TDMoIP "басқару сөзі" келеді. Басқару сөзінде 16 биттік пакет реттілік нөмірі (пакеттің қайта реттелгенін және жоғалғандығын анықтау үшін қажет), пайдалы жүктеменің ұзындығы және ақаулық жағдайларын көрсететін жалаушалар бар. Басқару сөзінен кейін TDMoIP жүктемесі келеді. Құрылымға тәуелсіз тасымалдау (SAToP) үшін бұл TDM октеттерінің алдын ала белгіленген саны, ал құрылымды бұғатталған формат үшін пайдалы жүктеме TDM фреймдерінің бүтін саны болып табылады. Құрылымын көрсету және қайта құрастыру үшін TDMoIP бастапқыда ATM үшін жасалған дәлелденген бейімделу механизмдерін пайдаланады. Пайдалы жүктеме түрлерін таңдаудың қосымша артықшылығы – ATM желілері арқылы жүргізілетін контурлы эмуляция қызметтерімен өзара жұмыс істеуді жеңілдету. Тұрақты бит жылдамдығымен (CBR) TDM желілері үшін TDMoIP ATM бейімделу қабатын 1 (AAL1) қолданады. Бұл механизм ITU-T стандарты I.363.1 және ATM Форумы спецификациясы atm vtoa 0078-де анықталған және ATM арқылы CBR қызметтерін жеткізу үшін әзірленген. AAL1 TDM деректерінің үздіксіз ағынын шағын 48 байттық ұяшықтарға бөліп, оларға реттілік, уақыт, қателерді қалпына келтіру және синхрондау туралы ақпаратты енгізеді. TDMoIP кез келген AAL1 ұяшықтарын пакетке біріктіруге мүмкіндік береді (бұл AAL1 ұяшықтары, ATM ұяшықтары емес, яғни олар бес байттық "ұяшық салығын" қамтымайды). Пакетке бірнеше ұяшықты рұқсат ету арқылы TDMoIP буферлік кідірістің (пакетке ұяшықтар саны азаятын) жолақты тиімділігі үшін (пакетке ұяшықтар саны көбейген сайын, пакетке арналған үстеме шығындар есебінен) икемді компромисті жеңілдетеді. Динамикалық бөлінген TDM сілтемелері үшін, уақыт аралықтарының белсендірілуі немесе дауыс белсенділігін анықтау салдарынан ақпарат жылдамдығы өзгерсе де, TDMoIP ATM бейімделу қабатын 2 (AAL2) қолданады. Бұл механизм ITU-T стандарты I.363.2 бойынша анықталды, ол өзгермелі бит жылдамдығымен (VBR) қызметтерін ATM арқылы тасымалдау үшін әзірленген. AAL2 әрбір TDM уақыт аралығын қысқа шағын жасушаларға буферлеу арқылы жұмыс істейді, уақыт аралығы идентификаторы мен ұзындығы көрсетілімін енгізеді, реттілік жасайды, содан кейін осы шағын жасушаны тек дұрыс ақпаратты жеткізсе ғана жібереді. TDMoIP барлық белсенді уақыт аралықтарынан шағын ұяшықтарды бір пакетке біріктіреді. Жоғары деңгейдегі деректер байланысын басқару (HDLC) деректерін, мысалы ортақ арна сигнализациясы (CCS) деректерін тасымалдайтын уақыт аралықтары үшін TDMoIP-де бос емес деректердің аралықтарын қамтитын арнайы бейімделу бар.
Келесіге ауысу
Телефон желісі аяқтан аяққа кідірісті күрт шектейді. ITU-T G.114/G.131 стандартына сәйкес, егер жеткілікті эхо бақылауы қамтамасыз етілсе, бір бағыттағы беріліс уақыты 150 мс-ге дейін барлық жағдайларда қабылданады. Бұл шектеулер TDM желілері үшін мәселе тудырмайды, себебі аяқтан аяққа кідірістің басты бөлігі – электрлік таралу уақыты ("жарық жылдамдығы кідірісі"). Ал IP-негізделген жүйелер әдетте түрлі кідірістерді қосады, олардың бірі – пакеттерді құрастыруға кеткен уақыт (пакеттеу кідірісі), ол пакет көлеміне деректер жылдамдығына бөлінген шамаға пропорционал. Пакет өлшемін тым кішкентай етуге болмайды, әйтпесе пакеттік тақырыптың (header) үлесі тым ауыр болып кетеді. IP жүйелері тудыратын кідірістің тағы бір түрі – ойнату кідірісі, ол пакеттік кідірістің өзгеруін буферлеу және үздіріссіз ойнатуды қамтамасыз ету үшін қабылдаушы тарапында қосылуы керек. Өте тиімді өткізу қабілетін ұмтылатын VoIP жүйелері дауыс кодегінде ондаған миллисекундтық алгоритмдік кідіріс қосуы мүмкін. Бұрынғы қателі орындалулар операциялық жүйе тудырған қосымша кідірістерді қосып, олардың жиынтығы іс жүзінде таралу кідірісін ескермеген жағдайда 100 мс-қа жуықтап кететін. Керісінше, TDMoIP TDM октеттерін тікелей пайдалы жүктемеге, дауыс сығылу алгоритмдерін қолданбай және алгоритмдік кідіріссіз бейімдейді. TDMoIP-мен пакеттеу кідірісі пакеттегі ұяшықтар санына байланысты, бірақ әдетте бір VoIP ағынымен салыстырғанда толық мультиплекстің жоғары дерек жылдамдығына байланысты бір миллисекунд диапазонында болады. Ойнату кідірісі тұрғысынан TDMoIP пен VoIP арасында ерекше айырмашылық жоқ, сондықтан екеуі де бақыланатын пакеттік кідірістің өзгеруі бар желілерде жақсы жұмыс істейді (күшті артық қамтамасыз ету немесе "QoS").
Уақытты қалпына келтіру
Туған TDM желілері уақытты бөлудің иерархиялық таратқысына сүйенеді. Желіде кем дегенде бір өте дәл негізгі уақыт санағы бар, оның ұзақ мерзімді дәлдігі 1 x 10^11 тең. Stratum 1 дәлдігін ұсынатын бұл түйін, Stratum 2 дәлдігі бар екінші деңгейлі түйіндерге уақыт санағын ұсынады. Екінші деңгейлі түйіндер өз кезегінде Stratum 3 түйіндеріне уақыт сілтемесін береді. Уақытты синхрондаудың осы иерархиясы, желінің тұтастай жұмыс істеуі үшін маңызды. PSN пакеттері, мақсатына пакеттік кешігудің өзгеруі (PDV) деп аталатын кездейсоқ компоненті бар кешігумен жетеді. Мұндай желіде TDM тасымалын модельдеу кезінде, бұл кездейсоқтық TDM пакеттерін джиттер буферіне орналастыру арқылы еңсерілуі мүмкін, онда деректер TDM соңғы пайдаланушы жабдықтарына жеткізу үшін тұрақты жылдамдықпен оқылады. Мәселе мынада, TDM бастапқы уақыт сілтемесі енді қолжетімді емес және деректердің джиттер буферінен қандай жылдамдықпен "алынуы" керек екені белгісіз. Кейбір жағдайларда, уақыт PW-нің екі шетіндегі TDM жабдықтарынан алынуы мүмкін. Бұл сағаттардың әрқайсысы өте дәл болғандықтан, олар жоғары дәрежеде келіседі. Проблема TDMoIP туннелінің бір жағында ғана жоғары дәлдіктегі уақыт стандарты болған кезде туындайды. Уақытты анықтайтын физикалық қабаты бар ATM желілері үшін синхронды қалдық уақыт белгісі (SRTS) әдісін қолдануға болады; IP/MPLS желілері физикалық қабатын анықтай алмайды, сондықтан оның сағатының дәлдігін анықтай алмайды. Сондықтан, көптеген жағдайларда жалғыз мүмкіндік – тек TDMoIP трафигіне сүйене отырып, сағатты қалпына келтіруге тырысу, бұл "адаптивті сағатты қалпына келтіру" деп аталатын технология. Бұл мүмкін, себебі бастапқы TDM құрылғысы өзінің сағатымен анықталатын тұрақты жылдамдықпен биттерді шығарады, бірақ бұл жылдамдық PDV-мен жасырылады. Сағатты қалпына келтіру міндеті – кездейсоқ PDV әсерін жоққа шығарып, бастапқы бит ағынының орташа жылдамдығын анықтайтын "орташалау" процесі.
Пакеттер жоғалды
Трафик инженериясы мен қызмет сапасын (QoS) дұрыс қолдану пакеттердің жоғалуын азайтуы күтіледі, бірақ кейде пакеттер шығу нүктесіне реті келмей келіп түсуі мүмкін. Олар PSN ішінде толығымен жойылған болуы да мүмкін. Жоғарыда сипатталған TDMoIP басқару сөзі жоғалған және реті келмеген пакеттерді анықтау және өңдеу үшін 16 биттік реттік нөмірді қамтиды. Пакеттер жоғалған жағдайда, TDMoIP TDM уақытын сақтау үшін интерполяциялық пакеттерді енгізуді талап етеді. Реті келмеген пакеттерді қайта реттеуге немесе тастап, интерполяциялауға болады. Тәртіпсіз пакеттерді енгізу TDM уақытын сақтау үшін жеткілікті болғанымен, дауыс қолданбаларында пакеттердің жоғалуы үзілістерге немесе қателерге әкелуі мүмкін, бұл шатастыратын, жағымсыз немесе тіпті түсініксіз сөйлеуге ұласуы мүмкін. Пакеттердің жоғалуының дауыс сапасына тигізетін нақты әсері және пакеттерді жоғалтуды жасыру алгоритмдерін әзірлеу VoIP қауымдастығында жан-жақты зерттелді, бірақ олардың нәтижелері TDMoIP жағдайына тікелей қолданылмайды. Себебі VoIP пакеттері әдетте 80 (10 мс) және 240 (30 мс) сөйлеу сигналының үлгілерін қамтиды, ал TDMoIP пакеттерінде тек аз ғана үлгілер болуы мүмкін. TDMoIP пакеттерінің өте кішкентай болуына байланысты, жоғалған сөйлеу үлгілерінің орнына тұрақты мәнді енгізуге болады. Егер кіріс сигналының орташа мәні нөлге тең болса (яғни, DC компоненті болмаса), осы тұрақтыны нөлге орнату арқылы ең аз бұрмалануға қол жеткізіледі. Балама ретінде, күрделірек тәсілдер жоғалған үлгілердің мәнін оңтайлы болжауды талап етеді.