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)
- Primary Rate Interface (PRI)
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
- na straně NT směrem k uživateli
- někdy je NT integrováno s ústřednou, takže rozhraní S/T je přímo na portu
ústředny (S0)
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
- Rozdílný formát příchozích (ústředna-účastník) a odchozích (účastník-ústředna) rámců.
- Posun začátků příchozích rámců o 2 bity za začátky odchozích rámců.
Význam jednotlivých bitů:
- B1,B2 - bity kanálů B1 a B2
- D - bity kanálu D
- F - framing, bity začátku rámce
- L - vyvážení datového vzoru (stejnosměrné složky)
- E - echo bity (kopírují bity D odchozích rámců, pro sdílení přístupu k D kanálu)
- S - Spare {rezerva, nevyužito)
- A - Activation bit - nastaven na 1, je-li přípojka v časové synchronizaci
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)
- Topologie bod-bod (point-to-point)
- dosah asi 1000 m (závisí na výrobci)
- pouze jediné koncové zařízení
- Topologie sběrnice (bus)
- dosah asi 200 m
- max. 8 zařízení, z toho však nejvýše dvě aktivní najednou (každé na jednom B kanále)
- čtyřdrát, zařízení zapojena paralelně (vždy zvlášť vysílací a přijímací páry),
- sběrnice ukončena terminátory (100 ohm) na obou párech
- každé zařízení může mít své vlastní telefonní číslo (na přípojce lze požádat o možnost MSN - Multiple Subscriber Number)
- topologie rozšířená sběrnice (extended bus)
- jako sběrnice, ale dosah až 500 m
- všechna koncová zařízení musí být na posledních 50 m (kvůli správné synchronizaci
všech zařízení, jinak by byl problém při významně se lišící době šíření signálu k jednotlivým
koncovým zařízením, zejména při řešení sdíleného přístupu k D-kanálu)
Napájení koncových zařízení
- stejnosměrné napětí 48V, mezi vysílacím a přijímacím párem, generuje NT (4W)
- nouzově generuje ústředna (0.4 W) - pro zajištění nepřetržité hlasové
služby (nebo k tomu nastaveného zařízení).
Nouzové napájení má opačnou polaritu než napájení generované NT
- koncová zařízení mohou mít vlastní napájení
- je-li NT integrováno s ústřednou, lze na portu ústředny napájení přípojky zapnout či vypnout
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)
- Fyzická vrstva přípojky PRI je definovaná v I.431 a odpovídá lince E1/T1.
- Okruh z ústředny je čtyřdrátový, vždy konfigurace bod-bod (ústředna-CSU/DSU).
- Koncovým zařízením pobočková ústředna (PBX) nebo směrovač s PRI rozhraním
- D kanál 64 kbps, nese signalizaci pro všechny B kanály.
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:
- připojení pobočkové ústředny s velkým počtem odchozích linek
- připojení routeru poskytovatele Internetu
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)
- Staticky přiděleno při instalaci koncového zařízení (0-63)
- Na požádání přiděluje ústředna (64-126)
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:
- vzdálené připojení do sítě (dial-in) - náhrada analogových modemových připojení
- propojení LAN s použitím vytáčení na žádost (BRI-BRI,PRI oproti několika BRI).
- záložní cesty
- paketový přenos s malými nároky na šířku pásma po D kanále (X.25)
-alarmy, vzdálené monitorování
Jen umožňuje-li operátor.
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)
- Přiřazení IP adresy BRI/PRI interface
- Konfigurace směrování (next-hop mířící na BRI/PRI interface)
- Definice dialer map (převod IP adresy sousedního směrovače propojeného přes ISDN
na telefonní číslo rozhraní tohoto směrovače)
- Definice interesting traffic - provoz, který způsobí zřízení okruhu a při průchodu existujícím okruhem resetuje idle timeout
- 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)
- Pro protokoly třídy Distance Vector, pracující na principu periodické výměny směrovacích
tabulek ve formě routing updates
- Definuje aktivní (active) a tichou (quiet) periodu
- Směrovací tabulky se vždy vyměňují jen během aktivní periody, během tiché zůstávají zakonzervovány
- Spojení se navazuje vždy jen na dobu aktivní periody
- Výpadek periodických routing updates se v tiché periodě ignoruje
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
- RFC 1990
- používá fragmentace a zasílání fragmentů paralelními kanály = > snížení latence
- Definuje se práh (procento zatížení kanálu), při kterém se má zřizovat další okruh.
Práh se může vztahovat k odchozímu nebo příchozímu provozu nebo k oběma.
Možnosti připojení routeru k ISDN
- U nás: zatím výhradně rozhraní S/T
- USA: rozhraní U nebo S/T
- Chybí-li na routeru podpora ISDN, lze připojit přes TA
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
- pro BRI
- externí ISDN modem: obvykle rozšířená sada AT příkazů
- interní ISDN modem: "ISDN karta" - aktivní/pasivní (možnost HW komprese)
- někdy možnost příjmu analogových volání - vestavěný "analogový" modem
- často integrované s routerem (Ethernet)
- použití: aplikace pro PC pro telefonii, fax, telekonference, přenos
souborů
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)