Interfaces V5. Engenheiro de Telecomunicações formado pela UFMG com bacharelado em Eng. Elétrica em 1997 e mestrado em Telecomunicações em 2001.

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1 Interfaces V5 Este tutorial descreve as Interfaces V5, seus elementos e camadas e exemplifica algumas trocas de mensagens entre o nó de acesso e a central local. Diaulas Hedin Gonzaga Engenheiro de Telecomunicações formado pela UFMG com bacharelado em Eng. Elétrica em 1997 e mestrado em Telecomunicações em Trabalhou na antiga Fundação General Alencastro de 1997 a 1999 na área de desenvolvimento de centrais telefônicas. Atualmente trabalha como consultor de suporte técnico para a Lucent Technologies em Campinas desde diaulas@lucent.com Duração estimada: 15 minutos. Publicado em: 02/08/

2 Interfaces V5: Introdução V5 é um padrão que fornece a capacidade de obter uma interface aberta entre o Sistema de Acesso e a Central Local, ou AN (Acess Node) e LE (Local Exchange) respectivamente, como são mais comumente chamados. O AN possui as linhas físicas de assinantes, e o LE possui os serviços. A Interface V5 possui protocolos baseados em troca de mensagens que são independentes da interface do usuário, e da tecnologia ou arquitetura do AN e do LE. No caso da interface V5, os sistemas de acesso (AN) não apresentam a característica de comutação e por isso devem ser conectados a uma central telefônica pública comutada (LE). A central é também responsável por fornecer os diversos serviços exigidos pelo usuário como Private Automatic Branch Exchange (PABX) virtual, identificação de chamadas, fornecimento de tom de discar, e outros. Uma central telefônica é conectada a um sistema de acesso através de uma rede de transporte responsável pela transmissão de mensagens através de estabelecimento de canais de troca de informações. Este meio deve ser transparente para ambos o AN e o LE. A Interface V5.2 definida na norma ETS apresenta melhorias em relação à Interface V5.1, pois permite a concentração de 16 E1s, ou seja 16 sistemas de 32 canais de 64kbps em uma mesma interface, bem como permite o fornecimento de serviços do tipo Rede Digital de Serviços Integrados - Interface Primária (ISDN-PRI). Pela Interface V5.2 trafegam as informações de voz ou dados (payload ), sinalização de assinantes, controle de portas (ex. bloqueio e desbloqueio de portas dos usuários), controle da interface, alocação dinâmica de canais de voz/dados, controle dos enlaces, e proteção dos canais de controle. 2

3 Interfaces V5: Conceitos Básicos da Interface V5.2 A interface V5 conecta uma rede de acesso (AN) à uma central telefônica local (LE). É uma interface baseada em E1s (um E1 para a versão V5.1, e até dezesseis E1s para a versão V5.2), na qual a sinalização dos assinantes é multiplexada em um ou mais canais de comunicação. O protocolo V5 é baseado em troca de mensagens, o que significa que para cada evento detectado ou processado (ex. fone fora do gancho), mensagens são trocadas entre o AN e o LE. A interface V5 é "aberta", o que quer dizer que o AN e o LE fornecidos por quaisquer fabricantes, distintos ou não, devem se comunicar via V5 sem problemas uma vez que seguem as mesmas regras. O AN e o LE O AN é o sistema implementado entre o LE e os assinantes, trocando a rede de distribuição total ou parcialmente. Assim as linhas dos assinantes (ex. par metálico) não são mais terminadas diretamente na central local e sim no AN, como mostrado na Figura 1. Figura 1: A rede de acesso substitui a conexão direta à central de comutação local em uma rede de telefonia. O AN é responsável pela conexão física (terminação) e manutenção das linhas dos assinantes. É também responsável pelo teste das linhas digitais e transporte da informação (voz ou dados) dos assinantes e dos sinais da linha. O LE contém a porta lógica dos assinantes e também faz o entroncamento com outras centrais telefônicas da rede de telefonia pública comutada (PSTN). O LE é responsável pelas funções de comutação, processamento e roteamento de chamadas, administração de serviços suplementares, tons e anúncios, tarifação e bilhetagem, e tráfego intra e intercentrais. Elementos da Interface V5.2 Os elementos de uma interface V5.2 se dividem em entidades físicas e lógicas. A parte física da interface é composta pelos E1s e seus timeslots, que são devidamente mapeados para uso dos canais de voz e controle. Os elementos lógicos são os canais de comunicação, canais de voz, caminhos de comunicação, os protocolos, os enlaces, e a própria interface V

4 E1 A interface V5 se baseia no uso de E1s. O E1 é um padrão europeu de taxa de transmissão de kb/s (32 canais de 64 kb/s). Cada E1 possui 32 timeslots mapeados de acordo com a Figura 2. O timeslot TS0 é usado para sincronização pelas terminações do E1. A norma V5 garante a reserva de 1, 2, ou 3 timeslots para canais de controle (TS16, TS15, TS31), se necessário. Os 28 a 31 canais restantes são utilizados para voz ou dados. Figura 2: Utilização dos timeslots dos E1s. Canais de Voz/Dados Canais de voz/dados utilizam timeslots de 64kbps para transportar voz e dados. Cada enlace V5.2 pode ter de 28 a 31 canais de voz ou dados. Os canais BC são dinamicamente alocados pelo LE. Canais de Comunicação (CC) Um canal de comunicação V5 utiliza um timeslot de 64kbps. Os CCs são utilizados para estabelecer um ou mais caminhos de comunicação. Até três canais de comunicação podem ser estabelecidos por enlace nos timeslots TS16, TS15, e TS31. Caminhos de Comunicação (CP) Caminhos de Comunicação se utilizam de canais de comunicação para transportar os seguintes tipos de informação entre o AN e o LE: Sinalização de assinantes (quadros LAPD para PSTN e IS); Controle de portas; Controle comum; Conexão de canais de voz/dados; Proteção; Controle de enlaces. 4

5 Protocolos V5.2 As informações que trafegam pela interface V5.2 são divididas e tratadas no AN e LE pelos protocolos da Camada 3. São eles o protocolo de sinalização, de controle de portas, de controle comum, de controle BCC ( Bearer Channel Connection ), de controle de enlaces, e de proteção. Essas entidades e suas funções são melhores descritas mais adiante. Outro tipo de informação é o payload transferido através dos canais de voz/dados entre dois assinantes. Os protocolos da interface V5.2 são do tipo handshake que envolve o envio de mensagens de reconhecimento para cada mensagem enviada. Enlaces V5 O enlace V5 é o elemento que compreende os canais de comunicação e os canais de voz/dados para um determinado E1. Uma interface V5.2 pode possuir até 16 enlaces sendo que dois deles, o enlace primário e o secundário, podem ser utilizados pelo protocolo de proteção. Interface V5.2 A Interface V5.2 é a entidade lógica que depende da existência de todos os elementos descritos nesta seção para garantir os serviços para seus assinantes. Figura 3: Comparação entre as interfaces V5.1 e V5.2. Os timeslots são fixos para cada assinante de uma interface V5.1. Além de permitir que os timeslots sejam dinamicamente alocados, a Interface V5.2 permite que 16 E1s sejam configurados. O número de assinantes mostrado foi calculado para um tráfego normal de aproximadamente 0,15 erlangs. A interface V5.2 apresenta vantagens sobre sua versão anterior, V5.1, dentre as quais podemos destacar a possibilidade de alocação dinâmica de timeslots para canais de voz, permitindo a possibilidade de concentração (mais assinantes conectados à rede de acesso do que canais de voz/dados disponíveis). Outras vantagens são a possibilidade de existirem canais de controle protegidos, e também a possibilidade de até 16 E1s poderem ser utilizados. 5

6 Interfaces V5: Camadas da Interface V5.2 Figura 4: Camadas da Interface V5.2. Como pode ser visto na Figura 4 a Interface V5.2 é composta por três camadas distintas. São elas a camada física, a camada de enlace de dados e a camada de rede. Camada 1 - Física A Camada 1 é responsável por extrair quadros do bit stream dos canais de comunicação e passá-los à Camada 2. A Interface V5 utiliza a funcionalidade elétrica e física do feixe E1 de kbps de acordo com as recomendações G.703 e G.704 (ITU-T). O bit stream carrega quadros por segundo. Cada quadro consiste de 32 timeslots de 8 bits cada. Os timeslots de mesma posição dentro de um quadro formam um canal lógico de 64 kbps. Camada 2 - Enlace de dados As funções da Camada 2 de uma Interface V5 são desempenhadas pelo protocolo LAPV5 ( Link Access Protocol for V5 Interfaces ) que é responsável por: Identificar um quadro recebido da camada 1 como sendo: Um quadro de mensagem de sinalização PSTN que contém informações de sinalização de um assinante PSTN; Um quadro de mensagem de sinalização ISDN que contém informações de sinalização de um assinante ISDN; Um quadro de mensagem de controle que contém informações de controle de porta ou controle comum; Um quadro com informações do protocolo BCC; Um quadro com informações do protocolo de proteção; Um quadro com informações do protocolo de controle de enlace. 6

7 Estabelecer e manter uma conexão de enlace de dados com sua entidade comunicante no lado remoto (AN ou LE). São envolvidos neste ponto os controles comuns, BCC, de porta, e proteção; Estabelecer e manter uma conexão de enlace de dados PSTN com sua entidade comunicante no lado remoto; Estabelecer e manter uma conexão de enlace de dados ISDN com sua entidade comunicante no lado remoto; Passar o conteúdo do quadro recebido para a Camada 3, e do quadro a ser transmitido para a Camada 1. Figura 5: Quadro V5.2. As informações presentes nos canais de comunicação são transportadas em quadros de função envelope (EF). A composição de um quadro EF é mostrada na Figura 5. Os campos Flag, FCS ( Frame Check Sequence ), e Controle são utilizados para controle de integridade do quadro EF. Já os campos Endereço EF e Endereço de Enlace de Dados V5 são usados para identificar os quadros pelo propósito - sinalização ou controle. Endereço de Camada 3, Tipo de Mensagem, e Elementos de informação são campos usados apenas na Camada 3. O discriminador de protocolos identifica qual tipo de protocolo V5.2 (ex. Protocolo de Proteção) irá utilizar a informação contida no quadro. Camada 3 - Rede A Camada 3 consiste em entidades de protocolos. Essas entidades são mostradas na Figura 4. Entrega de Mensagens - A entidade de entrega de mensagens se encarrega de verificar a integridade da mensagem de entrada, do tipo informação ou controle, e enviá-la para a correta entidade de Camada 3. Neste ponto também é executada a entrega da mensagem de saída à Camada 2. A entidade de Camada 3 é identificada pelo campo de endereçamento da mensagem. O endereço de Camada 3 identifica de forma única a porta de usuário (para sinalização PSTN e controle de portas) ou o destino da mensagem (Controle Comum, Controle BCC, Controle de Enlace, ou Proteção). As mensagens de sinalização ISDN são entregues diretamente à entidade de Camada 3 sem utilizar os serviços da entidade de entrega de mensagens. Protocolo de Sinalização (EF = 8176) - As informações presentes nesta entidade são utilizadas pelas aplicações de tratamento de chamadas. Ou seja, todos os pedidos feitos pela sinalização PSTN são lidados por este protocolo. Para a sinalização PSTN, consiste nas informações sobre os estados das linhas dos assinantes (ex. Fone Fora do Gancho - FFG, Fone no Gancho - FNG, Envio de Dígitos, Tarifação de 12kHz, Estabelecimento ou Liberação de Canal de Voz). Para sinalização ISDN, consiste nos quadros LAPD que são transferidos entre o LE e os assinantes (ex. Estabelecimento ou Liberação de Canal de Voz). 7

8 Protocolo de Controle (EF = 8177) - O Protocolo de Controle realiza funções como controle de portas e controle comum. O controle de portas consiste nas informações transferidas entre o AN e o LE para controlar o estado das portas dos assinantes (ex. Bloqueio, Desbloqueio, Chamada Falsa, Porta Inválida). A porta de usuário possui a identificação única (endereço de Camada 3) de um assinante para o AN e o LE. O controle comum consiste nas informações transferidas entre o AN e o LE para garantir o funcionamento ideal e o sincronismo de toda a Interface V5 (ex. Bloqueio de Processamento de Chamadas, Troca de Identicação da Interface, Inicialização, Recuperação de Faltas). Protocolo de Controle BCC (EF = 8178) - Consiste nas informações transferidas entre o AN e o LE usadas para alocar dinamicamente um determinado canal de voz/dados de uma Interface V5.2 a uma porta de assinante. Protocolo de Controle de Enlaces (EF = 8180) - Consiste em informações de monitoramento, identificação, e bloqueio/desbloqueio de enlaces. Protocolo de Proteção (EF = 8179) - Consiste de informações necessárias para garantir a proteção dos caminhos de comunicação. Os CPs podem comutar de um CC, pertencente a um determinado enlace, para outro CC de outro enlace. Os enlaces aqui envolvidos devem ser o primário e o secundário. Vale ressaltar que este protocolo não garante a proteção de canais de voz/dados. 8

9 Interfaces V5: Ativação e Controle de Interfaces V5.2 O estabelecimento da Interface V5.2 é o processo que faz com que a interface adquira o estado operacional. O processo pode ser inicializado pelo AN ou pelo LE por quatro razões: (i) por inicialização de um dos dois sistemas, (ii) via comandos pela Interface Q, (iii) por procedimentos de recuperação, (iv) ou no caso de falhas excessivas dos enlaces de dados. O protocolo de proteção é responsável por garantir os caminhos de comunicação quando nem todos os recursos estão disponíveis. Quando um canal de comunicação ativo se torna indisponível, o protocolo de proteção inicializa um processo de comutação, chamado de SWITCH-OVER, para um CC redundante caso exista. Os canais de comunicação são divididos em grupos de proteção. O Grupo de Proteção 1 consiste dos CCs dos dois timeslots 16 dos dois enlaces de 2Mbps (primário e secundário) que transportam os protocolos de proteção, BCC, controle comum, controle de enlaces, e possivelmente informações de sinalização PSTN. A confiabilidade é garantida pela duplicação de enlaces do Protocolo de Proteção. Isto significa que mensagens de proteção são enviadas pelos timeslots 16 de ambos os enlaces primário e secundário. Esse fato garante que em casos como falha de enlace, informações de proteção continuem a ser enviadas, permitindo o SWITCH-OVER de outros protocolos. Observação: O SWITCH-OVER pode ocorrer apenas entre os canais de um mesmo grupo de proteção. O Grupo de Proteção 2 é composto por todos os outros timeslots alocados para funções de controle (CC). Estabelecimento da Interface Assumindo-se que a Camada Física esteja estabelecida, pode ser dada a sequência ao processo de estabelecimento da Interface V5.2. Uma entidade de enlace de dados deve inicializar um pedido de estabelecimento da operação de quadros múltiplos (troca de mensagens) através da transmissão do comando SABME (Set Asynchronous Balanced Mode Extended). Todas as condições de exceção devem ser descartadas, o contador de retransmissão deve ser reinicializado, e o temporizador T200 (1 segundo), definido na norma ETS [9] (Q.921), seção 5.9.1, deve ser disparado. Uma entidade da camada de enlace de dados que receba o comando SABME, caso consiga assumir o estado de estabelecimento de quadros múltiplos, deve responder com um comando UA (Unnumbered Acknowledgement), com um quadro composto de alguns bits principais descritos em na norma ETSI , seção Caso contrário deverá responder com um comando DM (Disconnect Mode). O estabelecimento geral de uma Interface V5.2 consiste de um número de fases: Procedimento de estabelecimento dos enlaces de dados; Procedimento de alinhamento de enlaces; Troca de variantes e identificador da interface; Procedimento de identificação dos enlaces; Procedimento de (re)estabelecimento da sinalização PSTN; Procedimento de alinhamento acelerado. 9

10 Procedimento de estabelecimento dos enlaces de dados No primeiro estágio de (re)estabelecimento de uma Interface V5.2, a Camada 2 dos enlaces de dados é restaurada usando mensagens do tipo SABME e UA contendo os endereços EF correspondentes aos seus enlaces de dados. É interessante notar pela Figura 6 que as mensagens dos protocolos de proteção trafegam pelos enlaces primário e secundário. Como as mensagens de proteção são enviadas nos dois enlaces, é comum dizer-se que existem dois protocolos de proteção, PP1 e PP2, para o enlace primário e secundário respectivamente. As mensagens dos outros protocolos trafegam apenas pelo enlace ativo, que no caso da Figura 6 é o enlace primário. Figura 6: Estabelecimento dos enlaces de dados dos protocolos V

11 Procedimentos de alinhamento e identificação de enlaces, troca de variantes e identificação da interface No segundo estágio de (re)estabelecimento de uma Interface V5.2, os enlaces são alinhados. Isto significa que as informações dos enlaces que poderão, e os que não poderão (ex. bloqueio de enlace), ser utilizados é passada ao AN e ao LE. Logo após, é verificada a variante de provisionamento e o identificador da interface (Common CTRL (Var&ID Req)), que devem ser idênticos no lado do AN e do LE. Quando as verificações acima são bem sucedidas, o procedimento de identificação dos enlaces é realizado ( Common CTRL ACK e envio dos identificadores). A identificação de enlaces ( Link CTRL (ID-Req) ) pode ser inicializada pelo AN ou LE, sendo que o LE tem prioridade. Neste procedimento, o protocolo de controle de enlaces muda o valor do chamado bit SA7 para 0 e envia para o outro sistema (AN ou LE). Caso a identificação seja positiva, o lado receptor também estabelece o valor 0 para o bit SA7 e o retransmite. Caso ocorra algum tipo de desalinhamento dessas informações, ou caso não sejam idênticas, o pedido de identificação e estabelecimento do enlace é rejeitado( Link CTRL (ID-Rej) ). Figura 7: Estabelecimento dos enlaces V5.2 e verificação da identidade dos elementos. 11

12 Procedimentos de (re)estabelecimento da sinalização PSTN e alinhamento acelerado O último estágio de (re)estabelecimento de uma Interface V5.2 consiste no restabelecimento da sinalização PSTN Common CTRL (restart) e Common CTRL (restart cmp), caso tenha sido provisonada. O procedimento de alinhamento acelerado Common CTRL (unblock all ports) e Common CTRL (Unblock accepted) é usado para desbloquear todas as portas sem que ocorra troca de mensagens para cada porta individualmente. Ao final é possível bloquear alguma porta que não esteja operacional. Este último estágio conclui o estabelecimento da Interface V5.2 que deverá estar operacional neste momento. Figura 8: Estabelecimento das portas de assinantes. 12

13 Comutação dos Canais de Controle - SWITCH-OVER Os SWITCH-OVERS de proteção podem ser disparados autonomamente pela aplicação que gerencia o sistema no LE ou AN como resultado de uma detecção de falta ou procedimento de bloqueio de enlace, ou por operadores via interfaces homem-máquina para controle do AN, Q AN, e para controle do LE, Q LE. Para o Grupo de Proteção 1, a gerência do sistema não deve permitir que o SWITCH-OVER seja iniciado por operador via interfaces Q AN ou Q LE. Em um SWITCH-OVER, enlaces de dados são restabelecidos através da comutação para canais de comunicação redundantes {0 a 3 CCs redundantes podem ser definidos}. Quando os enlaces de 2Mbps que causaram o SWITCH-OVER são restaurados, os enlaces de dados não são comutados de volta aos seus CCs originais. Estes ficam automaticamente na situação de redundantes ( standby ). Figura 9: Comutação (SWITCH-OVER) dos caminhos de comutação para o canal de comunicação redundante. Neste caso ocorreu a comutação para o CC do enlace primário que se encontrava em standby. 13

14 O LE comanda o procedimento de comutação, mas o AN pode também fazer o pedido de SWITCH-OVER. No caso de conflito (ambos o LE e o AN fazem o pedido) o LE tem prioridade. O LE pode rejeitar o pedido de SWITCH-OVER quando, por exemplo, os CCs não estão disponíveis ou provisionados. Um pedido de SWITCH-OVER contém um Information Element com uma proposta de um novo CC. Um comando de SWITCH-OVER contém o CC para o qual ocorre a comutação. O cenário da Figura 9 mostra a troca de mensagens entre o AN e o LE para um processo de SWITCH-OVER típico no Grupo de Proteção 1. Este processo comuta para o CC redundante, não interessando que este esteja no enlace primário ou secundário. Após os comandos "SWITCH OVER COM" e "RESET SN COM" serem reconhecidos ( SWITCH OVER ACK e RESET SN ACK ) começa a etapa de restauração dos enlaces de dados dos protocolos restantes. 14

15 Interfaces V5: Referências e Glossário Referências Bibliográficas ETSI ( ). European Telecommunications Standards Institute - V interfaces at the digital Local Exchange (LE); V5.2 interface for the support of Access Network (AN); Part 1: V5.2 interface specification. ETSI EN v GONZAGA, Diaulas Hedin (2001). Prevenção, Detecção e Recuperação de Perdas de Serviços em Interfaces V5.2. Dissertação de Mestrado pela UFMG. Glossário Lista de definições e conceitos citados no texto: Bit Stream: Fluxo de bits. Canal de Comunicação (CC) Ativo: Canal por onde trafegam todas as informações dos caminhos de comunicação. Canal de Comunicação Redundante: Canal de proteção que pode ficar ativo após o processo de SWITCH-OVER por falha do CC ativo. Enlace: Entidade lógica que corresponde a um feixe de 2Mbps (E1). Enlace de Dados: Entidade lógica presente na Camada 3 de uma interface V5.2 para tratar informações de um protocolo específico. E1: Padrão europeu de taxa de sinalização a bits por segundo (32 canais de 64 kb/s). Interface Q: Interface homem-máquina utilizada para controle dos sistemas de acesso e das centrais de comutação locais de interfaces V5.2. ISDN - Integrated Services Digital Network}: Serviços de telefonia que visam o atendimento da necessidade de usuários de telefones digitais. As taxas de transmissão variam de 128kbps a 1.920kbps. Protocolo Handshake: Protocolo que implica no envio de confirmação de recebimento para cada mensagem enviada. PSTN - Public Switched Telephone Network: Rede de telefonia pública comutada que implica na interligação através de rotas entre centrais locais, trânsito nacional e trânsito internacional. Timeslot: Unidade temporal correspondente a um canal que trafega informações a 64 kbps. 15

16 Interfaces V5: Teste seu Entendimento 1) Algumas das vantagens da interface V5.2 sobre a V5.1 são: A possibilidade de alocação dinâmica de canais e utilização de até 16 E1s; A possibilidade de alocação dinâmica de E1s com utilização de até 16 canais; A alocação de 1 E1 com até 16 canais; A possibilidade de utilização de canais de voz, dados e controle. 2) O AN realiza todas as operações abaixo, exceto: Envio de informações do estado do assinante (ex. fone no gancho) para o LE; Envio de tom de discar para o assinante; Iniciar um SWITCH-OVER; Teste de linha. 3) O que deve acontecer quando ocorre uma falha num canal de comunicação protegido: A interface V5 fica inoperante até que este erro seja sanado pelo operador; A interface V5 fica obrigatoriamente inoperante até que ocorra um SWITCH-OVER para o canal de proteção; O operador deve sempre comandar o LE para que se inicie o processo de SWITCH-OVER; O AN ou LE deve iniciar o processo de SWITCH-OVER sendo que o LE comanda todo o procedimento até sua finalização. 16