Эмуляция TDM по пакетным сетям (TDMoIP)

Введение

Эмуляция мультиплексирования с временным разделением каналов по сети с коммутацией пакетов.

В компьютерных сетях и телекоммуникациях TDM по IP (TDMoIP) представляет собой эмуляцию мультиплексирования с временным разделением каналов (TDM) по сети с коммутацией пакетов (PSN). TDM относится к сигналам T1, E1, T3 или E3, в то время как PSN базируется либо на IP, MPLS, либо на необработанном Ethernet. Связанной технологией является эмуляция каналов, обеспечивающая передачу трафика TDM по сетям с коммутацией ячеек (ATM). TDMoIP является типом 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 обуславливает уникальные характеристики TDMoIP. Кроме того, традиционные сети TDM обладают множеством специальных функций, в частности, необходимых для передачи телефонных каналов голосового качества. Эти функции подразумевают системы сигнализации, поддерживающие широкий спектр функций телефонии, обширную нормативную документацию и хорошо развитые механизмы эксплуатации, администрирования и мониторинга (OAM). Все эти факторы необходимо учитывать при эмуляции TDM по PSN. Одной из критических задач при реализации TDM PW является восстановление тактовой частоты. В нативных сетях TDM физический уровень передает высокоточную информацию о времени вместе с данными TDM, но при эмуляции TDM по PSN эта синхронизация отсутствует. Стандарты синхронизации TDM могут быть строгими, и соответствие им может потребовать инновационных механизмов для адаптивного воссоздания временных характеристик TDM. Другой проблемой, которую необходимо решить, является маскировка потери пакетов TDMoIP (PLC). Поскольку данные TDM передаются с постоянной скоростью по выделенному каналу, в исходной службе могут возникать битовые ошибки, но данные никогда не теряются при передаче. Все PSN в той или иной степени подвержены потере пакетов, и это необходимо компенсировать при передаче TDM по PSN. В декабре 2007 года TDMoIP был утвержден как IETF RFC 5087, авторами которого являются доктор Яаков Стейн, Ронен Шашуа, Рон Инслер и Моти Анави из RAD Data Communications.

Предыстория

Поставщики услуг связи и корпоративные клиенты заинтересованы в развертывании голосовых услуг и каналов передачи данных через эффективные инфраструктуры Ethernet, IP и MPLS. Хотя технология Voice over IP (VoIP) достигает зрелости, ее внедрение требует инвестиций в новую сетевую инфраструктуру и абонентское оборудование (CPE). TDMoIP предлагает путь миграции, позволяющий использовать современные сети с коммутацией пакетов для передачи данных, при этом не требуя немедленной замены оборудования на стороне пользователя. 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). Utfors использовал продукт TDMoIP первого поколения (известный как IPmux 4) для предоставления комплексных услуг, включая частные линии TDM, выделенные каналы TDM и различные услуги IP и Ethernet. В 2001 году IETF создала рабочую группу PWE3, которой было поручено разработать архитектуру для сквозных псевдопроводов (pseudowires) и создать спецификации для различных услуг, включая TDM. Другие организации по стандартизации, включая ITU и MPLS Frame Relay Alliance, также активно участвуют в разработке стандартов и соглашений о реализации псевдопроводов.

Структура обработки TDM

Хотя TDM может использоваться для передачи произвольных битовых потоков со скоростями, определенными в G.702, существуют стандартизированные методы передачи битовых потоков в более крупных единицах, каждая из которых содержит одинаковое количество битов и называется кадром. Фреймирование TDM привязывает частоту кадров к частоте 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 нефреймированного TDM, где все биты доступны для полезной нагрузки, фреймированный TDM требует выделения некоторого количества битов в каждом кадре для синхронизации и, возможно, других функций (например, 1 бит на кадр T1, 8 бит на кадр E1). Фреймированный TDM часто используется для мультиплексирования нескольких голосовых каналов, каждый из которых состоит из 8000 8-битных отсчетов в секунду, в последовательности временных интервалов, повторяющихся в каждом кадре. В этом случае мы имеем "канальный TDM", и необходимо ввести дополнительную структуру. Для эффективной передачи медленно изменяющихся битов сигнализации, связанных с каналом, определяются структуры второго порядка, известные как мультифреймы или суперфреймы. Например, для магистральных каналов E1 биты сигнализации CAS обновляются один раз за мультифрейм из 16 кадров (каждые 2 миллисекунды), а для магистральных каналов T1 ESF суперфрейм состоит из 24 кадров (3 миллисекунды). Другие типы структур второго порядка также широко используются. В сотовых сетях GSM канал Abis, соединяющий базовую станцию (BTS) и контроллер базовой станции (BSC), представляет собой линию E1 с несколькими альтернативными схемами фреймирования, все из которых имеют базовую длительность суперфрейма 20 миллисекунд. Термин "структурированный TDM" используется для обозначения TDM с любым уровнем структуры, включая "фреймированный TDM" и "канальный TDM". Транспорт TDMoIP обозначается как "структурно-независимый", когда TDM не имеет фреймирования, или когда он фреймирован или даже канален, но структура фреймирования и канализации полностью игнорируется транспортными механизмами. В таких случаях все служебные накладные расходы должны прозрачно передаваться вместе с данными полезной нагрузки, и используемый метод инкапсуляции не предоставляет механизмов для их определения или использования. Транспорт TDM, учитывающий структуру, может явно обеспечивать защиту структуры TDM тремя концептуально различными способами, которые мы будем называть блокировкой структуры, индикацией структуры и восстановлением структуры. Блокировка структуры гарантирует, что пакеты состоят из целых структур TDM или их кратных/долей. Индикация структуры позволяет пакетам содержать произвольные фрагменты базовых структур, но использует указатели для обозначения начала следующей структуры. При восстановлении структуры компоненты структур TDM могут быть извлечены и реорганизованы на входе, а исходная структура может быть восстановлена из полученных компонентов на выходе.

Although TDM can be used to carry arbitrary bit streams at the rates defined in G.702, there are standardized methods of carrying bit streams in larger units each containing the same number of bits, called frames. TDM framing locks the frame rate to the sampling frequency of voice traffic, so that there are always 8000 frames per second; a T1 frame consists of 193 bits and an E1 frame of 256 bits. Unlike unframed TDM for which all bits are available for payload, framed TDM requires dedicating of some number of bits per frame for synchronization and perhaps various other functions (e. g. 1 bit per T1 frame, 8 bits per E1 frame). Framed TDM is often used to multiplex multiple voice channels each consisting of 8000 8 bit samples per second in a sequence of timeslots recurring in each frame. When this is done we have "channelized TDM" and additional structure must be introduced. In order to efficiently transport slowly varying channel associated signalling bits, second order structures known as multiframes or superframes are defined. For example, for E1 trunks the CAS signaling bits are updated once per multiframe of 16 frames (every 2 milliseconds) while for T1 ESF trunks the superframe is 24 frames (3 milliseconds). Other types of second order structures are also in common use. In GSM cellular networks, the Abis channel that connects the Base Transceiver Station (BTS) and Base Station Controller (BSC) is an E1 link with several framing alternatives, all of which have a basic superframe duration of 20 milliseconds. The term "structured TDM" is used to refer to TDM with any level of structure, including 'framed TDM' and 'channelized TDM'. TDMoIP transport is denoted "structured agnostic" when the TDM is unframed, or when it is framed or even channelized, but the framing and channelization structure are completely disregarded by the transport mechanisms. In such cases all structural overhead must be transparently transported along with the payload data, and the encapsulation method employed provides no mechanisms for its location or utilization. Structure aware TDM transport may explicitly safeguard TDM structure, in three conceptually distinct ways, which we shall call structure locking, structure indication, and structure reassembly. Structure locking ensures that packets consist of entire TDM structures or multiples/fractions thereof. Structure indication allows packets to contain arbitrary fragments of basic structures, but employs pointers to indicate where the following structure commences. In structure reassembly components of the TDM structures may be extracted and reorganized at ingress, and the original structure reassembled from the received constituents at egress.

Формат TDMoIP

TDMoIP работает путем сегментирования, адаптации и инкапсулирования TDM-трафика на входе в PSN и выполнения обратных операций на выходе из PSN. Адаптация обозначает механизмы, которые модифицируют полезную нагрузку для обеспечения ее корректного восстановления на выходе из PSN. Использование надлежащей адаптации позволяет восстановить сигнализацию и синхронизацию TDM, а также компенсировать определенную потерю пакетов. Инкапсулирование подразумевает помещение адаптированной полезной нагрузки в пакеты формата, требуемого базовой технологией PSN. Для MPLS-пакета полное описание формата пакета содержится в Рекомендации ITU-T Y.1413. Во всех случаях пакет TDMoIP начинается с заголовков PSN – стандартных заголовков, используемых технологией PSN, например, 20-байтового заголовка UDP/IP или стека меток MPLS. За этими заголовками следует "метка PW" (PW label) – четырехбайтовая метка, аналогичная меткам MPLS, служащая для мультиплексирования различных TDM PW. После заголовка PSN располагается четырехбайтовое "контрольное слово" TDMoIP, содержащее 16-битный номер последовательности пакетов (необходимый для обнаружения переупорядочивания и потери пакетов), длину полезной нагрузки и флаги, указывающие на наличие дефектов. За контрольным словом следует полезная нагрузка TDMoIP. Для транспорта, не учитывающего структуру (SAToP), это просто заранее определенное количество октетов TDM, а для формата с фиксированной структурой полезная нагрузка представляет собой целое число кадров TDM. Для определения структуры и восстановления структуры TDMoIP использует проверенные механизмы адаптации, первоначально разработанные для ATM. Дополнительным преимуществом такого выбора типов полезной нагрузки является упрощенное взаимодействие со службами эмуляции каналов, передаваемыми по сетям ATM. Для статических TDM-каналов с постоянной скоростью передачи (CBR) TDMoIP использует адаптационный уровень 1 ATM (AAL1). Этот механизм, определенный в стандарте ITU-T I.363.1 и спецификации ATM Forum atm vtoa 0078, был разработан для передачи CBR-сервисов по ATM. AAL1 работает путем сегментирования непрерывного потока данных TDM на небольшие 48-байтовые ячейки и вставки в них информации о последовательности, синхронизации, восстановлении ошибок и синхронизации. TDMoIP позволяет объединять в пакет любое количество ячеек AAL1 (следует отметить, что это ячейки AAL1, а не ячейки ATM, то есть они не включают в себя пятибайтовый "налог на ячейки"). Допуская использование нескольких ячеек на пакет, TDMoIP обеспечивает гибкий компромисс между задержкой буферизации (которая уменьшается при меньшем количестве ячеек на пакет) и эффективностью использования полосы пропускания (которая увеличивается при большем количестве ячеек на пакет из-за накладных расходов на пакет). Для динамических TDM-каналов, вне зависимости от того, изменяется ли скорость передачи информации из-за активации временных слотов или обнаружения голосовой активности, TDMoIP использует адаптационный уровень 2 ATM (AAL2). Этот механизм, определенный в стандарте ITU-T I.363.2, был разработан для передачи сервисов с переменной скоростью передачи (VBR) по ATM. AAL2 работает путем буферизации каждого временного слота TDM в короткие мини-ячейки, вставки идентификатора временного слота и индикации длины, информации о последовательности, а затем отправки этой мини-ячейки только в том случае, если она содержит действительные данные. TDMoIP объединяет мини-ячейки из всех активных временных слотов в единый пакет. Для временных слотов, несущих данные управления каналом высокого уровня (HDLC), такие как данные для сигнализации общего канала (CCS), TDMoIP имеет специальную адаптацию, которая инкапсулирует последовательности непустых данных.

TDMoIP operates by segmenting, adapting and encapsulating the TDM traffic at PSN ingress and performing the inverse operations at PSN egress. Adaptation denotes mechanisms that modify the payload to enable its proper restoration at the PSN egress. By using proper adaptation, the TDM signaling and timing can be recovered, and a certain amount of packet loss can be accommodated. Encapsulation signifies placing the adapted payload into packets of the format required by the underlying PSN technology. For the MPLS case, ITU T Recommendation Y.1413 contains a complete description of the packet format. In all cases a TDMoIP packet commences with PSN headers. These are the standard headers used by the PSN technology, e. g. the 20 byte header of UDP/IP, or the label stack of MPLS. After these headers come the "PW label", a four byte MPLS like label that serves as to demultiplex different TDM PWs. After the PSN header comes the four byte TDMoIP "control word". The control word contains a 16 bit packet sequence number (needed to detect packet re ordering and packet loss), payload length, and flags indicating defect conditions. After the control word comes the TDMoIP payload. For structure agnostic transport (SAToP) this is simply a predetermined number of TDM octets, while for the structure locked format the payload is an integer number of TDM frames. For structure indication and structure reassembly TDMoIP draws on proven adaptation mechanisms originally developed for ATM. A side benefit of this choice of payload types is simplified interworking with circuit emulation services carried over ATM networks. For statically allocated, constant bit rate (CBR) TDM links, TDMoIP employs ATM adaptation layer 1 (AAL1). This mechanism, defined in ITU T standard I.363.1 and ATM Forum specification atm vtoa 0078, was developed for carrying CBR services over ATM. AAL1 operates by segmenting the continuous stream of TDM data into small 48 byte cells and inserting sequencing, timing, error recovery, and synchronization information into them. TDMoIP allows concatenation of any number of AAL1 cells into a packet (note that these are AAL1 cells and not ATM cells, i. e. they do not include the five byte "cell tax"). By allowing multiple cells per packet, TDMoIP facilitates flexible tradeoffs of buffering delay (which decreases with fewer cells per packet) for bandwidth efficiency (which increases with more cells per packet, due to the per packet overhead). For dynamically allocated TDM links, whether the information rate varies due to activation of time slots or due to voice activity detection, TDMoIP employs ATM adaptation layer 2 (AAL2). This mechanism, defined in ITU T standard I.363.2, was developed for carrying variable bit rate (VBR) services over ATM. AAL2 operates by buffering each TDM time slot into short minicells, inserting the time slot identifier and length indication, sequencing, and then sending this minicell only if it carries valid information. TDMoIP concatenates the minicells from all active time slots into a single packet. For time slots carrying high level data link control (HDLC) data, such as data for common channel signaling (CCS), TDMoIP has a special adaptation that encapsulates stretches of non idle data.

Задержка

Телефонная сеть существенно ограничивает сквозные задержки. ITU-T G.114/G.131 определяет, что одностороннее время передачи до 150 мс считается универсально приемлемым при условии обеспечения адекватного подавления эхосигнала. Эти ограничения не представляют проблемы для TDM-сетей, где основной составляющей сквозной задержки является время электрического распространения сигнала ("задержка, обусловленная скоростью света"). В отличие от них, IP-системы обычно добавляют различные виды задержек, одна из которых обусловлена временем, необходимым для формирования пакетов (задержка пакетизации), которое пропорционально размеру пакета, деленному на скорость передачи данных. Размер пакетов нельзя делать слишком маленьким, иначе накладные расходы заголовков пакетов станут чрезмерными. Другой вид задержки, вносимой IP-системами, – это задержка воспроизведения, которую необходимо добавлять на стороне получателя для буферизации колебаний задержки пакетов и обеспечения плавного воспроизведения. VoIP-системы, стремящиеся к высокой эффективности использования полосы пропускания, также могут добавлять десятки миллисекунд алгоритмической задержки в голосовом кодеке. Ранее, некачественные реализации добавляли дополнительные задержки, вызванные операционной системой, которые, вместе с другими задержками, на практике иногда приближались к 100 мс даже без учета задержек распространения. В отличие от этого, TDMoIP напрямую отображает октеты TDM в полезную нагрузку, без использования алгоритмов сжатия голоса и, следовательно, без какой-либо алгоритмической задержки. Задержка пакетизации, вносимая TDMoIP, зависит от количества ячеек в пакете, но обычно составляет порядка одной миллисекунды благодаря более высокой скорости передачи данных полного мультиплекса по сравнению с отдельным VoIP-потоком. Однако, требования к задержке воспроизведения существенно не различаются между TDMoIP и VoIP, поэтому обе системы лучше всего работают в сетях с контролируемыми колебаниями задержки пакетов (значительное резервирование ресурсов или "QoS").

Восстановление времени

Нативные сети TDM полагаются на иерархическое распределение времени. Где-то в сети есть как минимум один чрезвычайно точный первичный опорный генератор с долгосрочной точностью 1 x 10^11. Этот узел, обеспечивающий точность Stratum 1, предоставляет опорные часы для вторичных узлов с точностью Stratum 2. Вторичные узлы, в свою очередь, предоставляют временную синхронизацию узлам Stratum 3. Эта иерархия синхронизации времени необходима для правильного функционирования сети в целом. Пакеты в PSN достигают места назначения с задержкой, имеющей случайную составляющую, известную как вариация задержки пакетов (PDV). При эмуляции TDM-транспорта в такой сети эту случайность можно преодолеть, помещая TDM-пакеты в буфер джиттера, из которого данные могут считываться с постоянной скоростью для передачи конечному TDM-оборудованию. Проблема заключается в том, что исходная временная база TDM больше недоступна, и точная скорость, с которой данные должны быть "выведены" из буфера джиттера, неизвестна. В некоторых случаях синхронизация может быть получена от TDM-оборудования на обоих концах PW. Поскольку каждый из этих генераторов очень точен, они неизбежно согласованы с высокой степенью точности. Проблема возникает, когда высокоточный стандарт времени имеется только на одной стороне туннеля TDMoIP. Для сетей ATM, которые определяют физический уровень, несущий информацию о времени, может использоваться метод синхронной остаточной временной метки (SRTS); однако сети IP/MPLS не определяют физический уровень и, следовательно, не могут указать точность своих часов. Таким образом, во многих случаях единственной альтернативой является попытка восстановления синхронизации исключительно на основе трафика TDMoIP, технология, известная как "адаптивное восстановление тактовой частоты". Это возможно, поскольку исходное TDM-устройство генерирует биты с постоянной скоростью, определяемой его генератором, хотя эта скорость скрыта PDV. Задача восстановления синхронизации, таким образом, представляет собой процесс "усреднения", который нивелирует влияние случайной PDV и определяет среднюю скорость передачи исходного битового потока.

Native TDM networks rely on hierarchical distribution of timing. Somewhere in the network there is at least one extremely accurate primary reference clock with a long term accuracy of 1 x 10^ 11. This node, which offers Stratum 1 accuracy, provides the reference clock to secondary nodes with Stratum 2 accuracy. The secondary nodes then provide a time reference to Stratum 3 nodes. This hierarchy of time synchronization is essential for the proper functioning of the network as a whole. Packets in the PSN reach their destination with delay that has a random component, known as packet delay variation (PDV). When emulating TDM transport on such a network, this randomness may be overcome by placing the TDM packets into a jitter buffer from which data can be read out at a constant rate for delivery to TDM end user equipment. The problem is that the TDM source time reference is no longer available, and the precise rate at which the data are to be "clocked out" of the jitter buffer is unknown. In certain cases timing may be derived from the TDM equipment at both ends of the PW. Since each of these clocks is highly accurate, they necessarily agree to high order. The problem arises when at most one side of the TDMoIP tunnel has a highly accurate time standard. For ATM networks, which define a physical layer that carries timing, the synchronous residual time stamp (SRTS) method may be used; IP/MPLS networks, however, do not define the physical layer and thus cannot specify the accuracy of its clock. Hence, in many cases the only alternative is to attempt to recover the clock based exclusively on the TDMoIP traffic, a technology known as "adaptive clock recovery". This is possible since the source TDM device is producing bits at a constant rate determined by its clock, although this rate is hidden by the PDV. The task of clock recovery is thus an "averaging" process that negates the effect of the random PDV and captures the average rate of transmission of the original bit stream.

Потеря пакетов

Хотя надлежащее применение методов управления трафиком и обеспечения качества обслуживания (QoS) должно минимизировать потерю пакетов, пакеты всё же иногда будут поступать на выходной интерфейс не по порядку. Они также могли быть полностью отброшены в PSN. Контрольное слово TDMoIP, описанное выше, включает 16-битный порядковый номер для обнаружения и обработки потерянных и неправильно упорядоченных пакетов. В случае потери пакетов TDMoIP требует вставки интерполяционных пакетов для поддержания временных интервалов TDM. Неправильно упорядоченные пакеты могут быть либо переупорядочены, либо отброшены и интерполированы. Хотя вставка произвольных пакетов может быть достаточной для поддержания синхронизации TDM, в голосовых приложениях потеря пакетов может приводить к разрывам или ошибкам, вызывающим прерывистую, раздражающую или даже неразборчивую речь. Точное влияние потери пакетов на качество голоса и разработка алгоритмов компенсации потери пакетов были предметом детального изучения в сообществе VoIP, однако их результаты не могут быть напрямую применены к TDMoIP. Это связано с тем, что VoIP-пакеты обычно содержат от 80 отсчетов (10 мс) до 240 отсчетов (30 мс) речевого сигнала, в то время как TDMoIP-пакеты могут содержать лишь небольшое количество отсчетов. Поскольку пакеты TDMoIP настолько малы, допустимо просто вставлять постоянное значение вместо любых потерянных отсчетов речи. При условии, что входной сигнал имеет нулевое среднее значение (то есть не содержит постоянной составляющей), минимальное искажение достигается при установке этой константы в ноль. В качестве альтернативы, более сложные подходы предполагают оптимальное прогнозирование значений отсутствующих отсчетов.