Integrated Services Digital Network (ISDN)

Digitální síť s integrovanými službami

Síť ISDN je digitální telekomunikační síť. Na rozdíl od běžné telefonní sítě však není použitelná pouze na přenos hlasu, ale na provozování libovolné telekomunikační služby, pro jejíž provoz postačí obousměrný digitální toku o přenosové rychlosti 64 kb/s. Tomu odpovídá již samotný název sítě - Integrated Services Digital Network, tj. digitální síť s integrovanými službami. Po jejím zavedení již není nadále třeba současně provozovat více alternativních sítí pro různé služby (např. telefon, dálnopis). Síť ISDN totiž umožní přenést obecný digitální datový tok, který žádným způsobem nemodifikuje ani neinterpretuje. Interpretace je plně v rukou komunikujících koncových zařízení, takže doplnění dalších služeb do takovéto sítě je již pouze věcí softwarové implementace v koncových zařízeních (a případně doplnění signalizačních prvků souvisejících s novou službou).

Síť ISDN je stejně jako klasická telefonní síť orientovaná na přepínání okruhů. Okruhem rozumíme obousměrný komunikační kanál mezi dvojicí účastníků, který musí být před zahájením komunikace vždy nejprve vytvořen a po jejím ukončení zrušen. Přenosový okruh má vždy kapacitu 64 kb/s. Spojení je tak vždy zpoplatňováno pouze po dobu jeho existence.

Koncová zařízení (účastníci) předávají síti požadavky na vytvoření, resp. zrušení okruhu pomocí systému signálů, v síti ISDN předávaných ve formě paketů s přesně definovanou strukturou. Takovouto výměnu zpráv mezi koncovou stanicí a místní ústřednou nazýváme signalizace . Na přípojce mezi uživatelem a síti tak vždy tečou jak přenášená data ke vzdálenému uživateli, tak signalizační data. Přenášená uživatelská data (např. hlas) a signalizace se přenášejí v oddělených kanálech Přenosový kanál mezi koncovými účastníky se nazývá kanál B a má přenosovou rychlost 64kb/s. Kanál mezi účastníkem a sítí přenášející signalizační informaci označujeme jako kanál D. Ten má přenosovou rychlost 16 kb/s nebo 64kb/s, podle typu přípojky (viz dále).

Přenos hlasu v digitální telefonní síti

Přestože digitálním okruhem sítě ISDN mohou téci libovolná data, je jejím primárním využitím přenos hlasu. Proto zde shrneme základní princip digitálního přenosu hlasového signálu.

Na přenášený hlas pro účely přenosu nahlížíme jako na signál, tj. na veličinu, jejíž hodnota se v závislosti na čase mění, Typicky může jít např. o průběh napětí v závislosti na čase, získaný z vhodným způsobem zapojeného mikrofonu. Abychom takový spojitý průběh mohli digitalizovat, použijeme tzv. vzorkování (angl. sampling). Vzorkování spočívá v tom, že v jistých časových intervalech zjišťujeme okamžitou hodnotu amplitudy signálu a tu vyjádříme jako číslo. Shannon ukázal, že existuje vztah mezi maximální použitelnou délkou vzorkovacího intervalu (resp. jeho převrácenou hodnotou, vzorkovací frekvencí) a maximální frekvencí, která se vyskytuje ve vzorkovaném signálu. Vzorkovací frekvence musí být totiž alespoň dvakrát vyšší, než maximální frekvence v přenášeném signálu. Jen za splnění této podmínky je možné z digitalizované podoby signál správně rekonstruovat.

Pro věrnou rekonstrukci signálu je také důležité, s jakou přesností jsme schopni zakódovat velikost amplitudy. Přesnost bude samozřejmě tím větší, čím více bitů bude vyhrazeno na reprezentaci jednoho vzorku. V telefonní síti se používá obvykle 8 (Evropa) nebo 7 (USA) bitů; např. CD přehrávače pracují s 12 bity.

Všimněme si, že při reprezentaci skutečné hodnoty amplitudy některou z určitého omezeného počtu úrovní (např. 256, 128 nebo 4096) se vždy dopouštíme určité nepřesnosti, vlivem které se přenášený signál zkreslí. Tomuto typu zkreslení říkáme kvantizační zkreslení . Na rozdíl od analogového přenosu informace, kde zkreslení signálu ovlivňuje celá přenosová cesta, však při přenosu digitálním žádné další zkreslení signál neovlivňuje - pro odlišení přenášených jedniček a nul jsou stanoveny takové hranice, aby rušení v přenosové cestě za běžných okolností nemohlo způsobit nesprávou interpretaci jedničky jako nuly nebo naopak.

V evropské analogové telefonní síti se tradičně přenášel hlasový signál s frekvencemi do 4 kHz, což umožnilo dobrou srozumitelnost i identifikaci mluvčího za přiměřených požadavků na šířku frekvenčního pásma pro každý jednotlivý hovor. Abychom dosáhli srovnatelné kvality pro síť digitální, musíme signál vzorkovat alespoň s dvojnásobnou frekvencí, než je maximální frekvence obsažená v přenášeném signálu. Vzorkovací frekvence tedy bude 8 kHz, takže jeden vzorek bude sejmut vždy jednou za 125 mikrosekund. Velikost amplitudy signálu kódujeme pomocí binárního čísla o šířce 8 bitů, takže můžeme rozlišit 256 úrovní. Z toho plyne, že potřebná přenosová rychlost pro přenos hlasového signálu (v jednom směru) bude 8 kHz * 8 bit = 64 kb/s.

Poznámka:

Protože lidské ucho vnímá rozdíly v hlasitosti nelineárně, nedělí se zpravidla rozsah amplitud při kvantizaci na oblasti stejně velké (tj. rozhodovací úrovně nejsou od sebe stejně vzdáleny). Používaji se dva alternativní typy takovéhoto předzkreslení: A-law a Mu-law. Aby byl výsledný signál reprodukován správně, musí mít vstupní A/D i výstupní D/A převodník nastaven stejný typ kvantizace.

Přípojky sítě ISDN

Přípojka účastníka sítě ISDN používá běžných telefonních dvoudrátových vedení (kroucených párů), instalovaných dříve pro analogovou telefonní síť. Podle kvality konkrétní linky je dosah účastnické přípojky v rozmezí stovek metrů až jednotek kilometrů.

Přenos na ISDN přípojce je plně digitální.

Existují dvě varianty přípojky k síti ISDN:

Basic Rate Interface (BRI)

I.430, 2B+D

Referenční model ISDN BRI

Referenční model přípojky ISDN BRI definuje abstraktní funkční bloky architektury a referenční body mezi nimi:

Zařízení NT2 (pobočková útředna) není nezbytné.

Rozhraní S/T

Používá se varianta kódování AMI (HDB3), tedy třístavové kódování (1=0V, 0=střídavě +/- 750mV).
Porušením pravidla střídání polarity indikujeme začátek rámce fyzické vrstvy.

Rámce fyzické vrstvy

Význam jednotlivých bitů:

Přenosová rychlost na rozhraní S/T

Rámce mají délku 2*125 mikrosekund (2*1/8000 s). Protože u B kanálu požadujeme přenos jednoho osmibitového hlasového vzorku za 1/8000 sekundy (125 mikrosekund), musíme v jednom rámci o délce 250 mikrosekund přenést 2 vzorky obou B kanálů, tj. 2*8*2=32 bitů. Pro zajištění přenosu dat 16 kb/s v D-kanálu musíme v každém rámci přenést čtyři D bity (4 bity každých 250 mikrosekund odpovídá 4 bity 4000-krát za sekundu což je 16000 bitů za sekundu). Po připočtení 12 bitů režie je délka rámce 32+4+12=48 bitů. Všimněte si, že při délce rámce 48 bitů a době jeho trvání 250 mikrosekund vychází fyzická přenosová rychlost 192 kb/s.

Konfigurace přípojky BRI (rozhraní S/T)

Napájení koncových zařízení

Sdílení přístupu k D kanálu

Při konfiguraci BRI jako sběrnice je třeba sdílet D kanál všemi koncovými zařízeními.

Problém: data vysílaná do D kanálu jinými stanicemi nelze přímo sledovat (přijímač je na jiném páru než vysílač a přijímá tok dat od NT). Řeší se tím, že NT kopíruje D bity odchozích rámců do E bitů příchozích rámců. Proto jsou příchozí rámce oproti odpovídajícím odchozím posunuty (zpožděny o 2 bity)

Chce-li koncové zařízení vysílat, musí nejprve na odchozím D kanále (kopírovaném do příchozích E bitů) detekovat klid (sekvenci jedniček). Koncová zařízení mají nastavené priority, čím má zařízení prioritu nižší, tím delší sekvenci jedniček musí v E bitech detekovat, než smí do D kanálu vysílat. Během vysílání do D kanálu koncové zařízení sleduje shodu vysílaných D-bitů s příchozími E bity, čímž může detekovat případné kolize.

Opatření proti monopolizaci D kanálu: po odvysílání rámce se priorita koncového zařízení snižuje.

Při priorizaci signalizace (přístupu k D kanálu) mají hlasové služby přednost před datovými.

Rozhraní U

Evropa nemá standard, nejčastěji 160 kbps duplex

kódování 2B1Q (4 úrovně napětí, jednou značkou se kóduji vždy 2 bity)

v každém směru 2*64 kbps (B) + 16 kbps (D) + 16 kbps (synchronizace a framing)

Zajištění duplexu na dvoudrátu: echo kompenzace nebo časový multiplex směrů (rozdělení bitového intervalu na dvě části + potřeba prodlevy pro uvolnění linky (odeznění signálu))

Převod dvoudrátu na čtyřdrát, kopírování D bitů do E bitů a konverze formátu rámců mezi rozhraními U a S/T se děje v NT.

Primary Rate Interface (PRI)

Evropa: E1

30B (64 kbps), D (64 kbps, timeslot 16), 64 kbps synchronizace a framing (timeslot 0)
(30*64000+64000+64000=2048 Mbps)

USA: T1

23B (64 kbps), D (64kbps, timeslot 24), 8 kbps synchronizace a framing
(23*64000+1*64000+8000=1,544 Mbps)

Poznámka:
U klasické T1 je signalizace CAS (Channel-Associated Signalling), tzn. jeden z 8 bitů každého kanálu vyhrazen pro signalizaci na něm. Pokud poskytovatel ISDN využívá uvnitř své sítě CAS a nemá Signalizační systém SS7 (typu CCS-Common Channel Signalling), jsou B-kanály omezeny na 56 kbps.

Typické použití PRI:

Signalizace

Signalizační protokol na přípojce BRI se šíří v D kanále. Je definován a 2. a 3. vrstvě OSI modelu.

Q.921

Druhá vrstva kanálu D je definována v doporučení CCITT Q.921. Protokol provozovaný na 2.vrstvě je podobný HDLC Balanced mode (LAPB) a bývá také označován jako LAPD. Jeho smyslem je zajistit spolehlivý přenos zpráv 3. vrstvy mezi účastníkem a sítí (lokální ústřednou).

Flag - vyhrazená sekvence označující začátky a konce rámců (jako u HDLC). Implementace bit stuffing.

TEI (Terminal Identifier)

Identifikace koncových zařízení v rámci rozhraní S/T (2. vrstva) TEI=127 je broadcast.

SAPI (Service Access Point Identifier)

určuje protokol vyšší vrstvy (obvykle signalizace; lze např. i uživatelská data, umožňuje-li operátor sítě)

Q.931

Samotné signalizační zprávy, tedy konkrétní povely např. pro vytvoření okruhu, oznámení koncovému zařízení o příchozím hovoru nebo zrušení okruhu, jsou definovány v doporučení CCITT Q.931. Protokol tvořený těmito zprávami se nazývá DSS1 - Digital Subscriber Signalling System No.1. Zprávy DSS1 se šíří v datové části rámců LAPD.

Navázání spojení

CHYBNE!

Ukončení spojení

CHYBNE!

Očíslovací plán

Při signalizaci je třeba jednoznačně identifikovat jednotlivé účastníky. K tomu se používají telefonní čísla. Struktura telefonních čísel používaných v síti ISDN je popsána v doporučení CCITT E.164.

Poznámka:
Signalizace podle Q.931 probíhá jen na účastnické přípojce. Pro vytvoření okruhu je však nutné také signalizovat uvnitř sítě ISDN, tedy mezi ústřednami. K tomu se používá signalizační systém číslo 7 - SS7.

Použití ISDN pro přenos dat

ISDN orientována na dočasné okruhy (zpoplatňované za dobu spojení).

Výhodné pro krátkodobé přenosy dat.

Možnost rychlého zřízení okruhu (do 1 s v rámci Evropy).

Oblasti využití:

Spojová vrstva na B kanálu

Z pohledu přenosu dat se okruhy sítě ISDN jeví jako fyzická vrstva poskytující fullduplexní přenosový kanál o rychlosti 64 kbps. Kanály B jsou transparentní, síť ISDN samotná nepožaduje data v B kanálu nijak strukturovat, ale přenáší proud dat nezměněný ke vzdálenému účastníkovi. Protokol druhé vrstvy, který budeme na B kanálu používat, tak můžeme volit podle potřeby. Nejčastěji to bývá z důvodu dobré kompatibility protokol PPP, někdy také např. HDLC. Na třetí vrstě samozřejmě může být použit libovolný síťový protokol, dnes nejčastěji IP, popřípadě IPX.

Poznámka:

Do ISDN přípojky může přicházet i volání od analogového účasníka, kdy příchozí datový proud reprezentuje signál generovaný modemem. Příchozí volání tohoto typu je identifikováno ve zprávě SETUP při zřizování okruhu. Směrovač/ISDN modem může být vybaven vnitřním modemem pro obsluhu takovéhoto volání.

Konfigurace vytáčení na žádost (Dial-on-demand)

  1. Přiřazení IP adresy BRI/PRI interface
  2. Konfigurace směrování (next-hop mířící na BRI/PRI interface)
  3. Definice dialer map (převod IP adresy sousedního směrovače propojeného přes ISDN na telefonní číslo rozhraní tohoto směrovače)
  4. Definice interesting traffic - provoz, který způsobí zřízení okruhu a při průchodu existujícím okruhem resetuje idle timeout
  5. Definice idle timeout (po jaké době od průchodu posledního paketu zařazeného jako interesting traffic se má zavěsit).
    Někdy se definuje "fast idle timeout" - zkrácený idle timeout pro případ, že má být rozhraním zřízen okruh k jinému směrovači.

Poznámka

V Cisco implementaci má PRI interface vždy jedinou IP adresu (pro všechny kanály).

Činnost dial-on-demand

Směrování při vytáčení na žádost

Cílem zamezit neustálému udržování vytáčeného okruhu v aktivním stavu vlivem výměny směrovací informace

Pokud lze, vyloučit směrovací protokol na vytáčených okruzích a použít statických a default cest.

Použití dynamických směrovacích protokolů třídy Link State (OSPF, EIGRP, ISIS) problematické, protože vyžadují nepřetržitou konektivitu, kterou stále kontrolují pomocí Hello protokolu.

Zpravidla se používají protokoly třídy Distance Vector a tzv. Snapshot routing.

Je-li ISDN rozhraní zahrnuto do směrovacího protokolu, často se definuje jako passive interface a definuje se statická cesta do sítě dosažitelné pomocí ISDN, která se do dynamického směrovacího protokolu redistribuuje.

Snapshot routing (Cisco)

Záložní trasy

Záložní trasy se zpravidla konfigurují jako statické cesty se špatnou administrativní vzdáleností (tzv. floating static routes, normálně se vlivem špatné AD nepoužívají a "vyplují", jen při výpadku primární linky (tj. když cesta s lepší administrativní vzdáleností ze směrovací tabulky zmizí.) ).

Svazkování kanálů (channel bundling)

Paralelní kanály do jednoho cíle se zřizují a uvolňují podle okamžité zátěže (např. B1, B2 u BRI).

Obvykle použití Multilink PPP - obsahuje rozšířené volby pro vyjednání dalšího spojení, resp. jeho uvolnění.

Multilink PPP

Možnosti připojení routeru k ISDN

Vlivem nekomaptibilit v ISDN ústřednách a mutacích protokolu na D kanále se musí na routeru konfigurovat typ ústředny. Ve většině států Evropy (vč. ČR) ISDN sjednocená, tzv. Euro-ISDN.

ISDN modemy

Bezpečnost při propojování sítí pomocí ISDN

Autentikace a kryptování je věcí koncových zařízení, data v B kanálu jsou pro síť ISDN transparentní.

Na vytáčených linkách mezi routery se zpravidla požaduje obousměrná autentikace.
Obvykle se použije PPP a CHAP nebo PAP.

Lze také provádět kontrolu čísla volajícího (přichází ve zprávě SETUP od ústředny)