Глава 4. IP-сети
шифрование и дешифрование данных;
добавление нового заголовка к передаваемым пакетам.
Более всего на задержку влияет последний фактор. Так, например, в диспет- черских службах, в IP-телефонии размер передаваемых данных в пакете — 25 байт.
Заголовки IP (24 байта) и PPP (
10 байт) увеличивают размер пакета до 60 байт.
В то же время заголовок VPN SKIP содержит 112 байт, а заголовок IPSec — 54 байта.
Таким образом, производительность падает в 2–3 раза.
Для надежной работы VPN также важно учитывать совместимость и поддержку стандартных протоколов VPN.
Варианты реализации VPN разнообразны:
1. Программные решения, когда программное обеспечение (обычно ОС Li- nux/Unix) устанавливается на обычном компьютере. Пример ОС FreeBSD —
свободная UNIX-подобная операционная система.
2. Специализированное программно-аппаратное обеспечение. В этом случае применяются специально разработанные устройства в виде отдельных плат и специальное программное обеспечение, которые удаляют из пакетов все ненужные поля, чтобы ускорить процессы шифрования и передачи.
Известны следующие решения для VPN:
VPN на базе операционных систем. Здесь сеть создается штатными сред- ствами самой ОС. Наибольшее распространение получила система Win- dows NT/2000 и протоколы PPTP, PAP, GRE и IPSec. Это достаточно удоб- ное и дешевое решение.
VPN на базе маршрутизаторов. Здесь задача шифрования и дешифрования пакетов возлагается на них. Поддержка функции построения VPN включа- ется во многие маршрутизирующие устройства.
VPN на базе межсетевых экранов. МЭ — системы анализа трафика и бло- кировки доступа. На основе заданного набора правил МЭ анализируют пакеты на предмет разрешенных или запрещенных адресов и сервисов
(TCP/UDP портов). Экран, как правило, состоит из двух механизмов: огра- ничительного и разрешительного. Система соответствующих фильтров раз- деляет сеть на несколько частей и обеспечивает избирательное прохожде- ние пакетов между ними в соответствии с установленными классами защи- щенности.
Основные функции МЭ: администрирование, сбор статистики и предупрежде- ние об атаке, аутентификация. Реализуются МЭ на базе маршрутизаторов, серверов уровня соединения (TCP) и прикладного уровня (telnet, ftp, proxy server и т. д.).
Контрольные вопросы по главе 4
89
Контрольные вопросы по главе 4 1. Опишите суть передачи в IP-сетях в режиме «без установления соедине- ния» (датаграммный метод).
2. Опишите режим передачи в IP-сетях «с установлением соединения» (метод виртуального соединения).
3. С какими протоколами канального и физического уровней работают IP- сети?
4. Как идентифицируются (нумеруются) IP-пакеты?
5. Назовите основные поля таблицы маршрутизации.
6. Какие преимущества при адресации дает применение масок?
7. В чем заключаются суть и целесообразность введения динамических IP- адресов?
8. Опишите процедуру перехода от DNS-адресов к IP-адресам а затем МАС- адресам.
Глава 5
СЕТИ ДОСТУПА
5.1 Понятие сетей доступа
В последнее время наряду с делением сетей связи на первичные, вторичные и т. д. чаще применяют другую классификацию, разделяя телекоммуникационные сети на транспортные или магистральные и сети доступа. Это связано с тем, что функции первичных и вторичных сетей начинают объединяться, поскольку цифро- вые сигналы, что от телефонии, что от терминалов передачи данных, имеют одина- ковую структуру и между сетевыми узлами передаются цифровые потоки с муль- тисервисным содержанием. Поэтому под транспортной сетью понимают часть сети связи, включающую магистральные узлы, междугородные станции, а также те пор- ты городских и районных станций, которые связаны с междугородными станциями.
К
транспортной сети относятся также каналы, соединяющие все вышеназванные станции.
Сеть доступа — это совокупность абонентских и соединительных линий, узлов концентрации нагрузки и станций местной сети, обеспечивающих выход абонентов через свои терминалы в транспортную сеть или местную сеть без использования транспортной сети. Поскольку сеть доступа является мультисервисной (телефон,
данные, видео), то в ее составе необходимы узлы распределения по различным услугам. Обобщенная структурная схема сети доступа приведена на рисунке 5.1.
Здесь абонентские терминалы (АТ) — телефоны, модемы и т. п. — через сетевые окончания (СО) (розетки, разъемы) подключаются к сети доступа. От сетевых окончаний к концентраторам (К) или сразу к узлу распределения услуг (УРУ)
идут абонентские линии (АЛ). Концентраторы, УРУ и узлы представления услуг
(УПУ) связаны более скоростными соединительными линиями. Концентраторы нагрузки служат для уплотнения сигналов, идущих по абонентским линиям. Если сеть мультисервисная, то необходимы УРУ. Если услуга одна, то такой узел не нужен. В этом случае узел представления услуг будет один. Входные порты УПУ
можно отнести к сети доступа, а выходные порты уже подключены к транспортной
5.2 Доступ через телефонные сети91сети. В последующих разделах мы подробней рассмотрим различные варианты сетей доступа.
Рис. 5.1 – Структурная схема сети доступа
5.2 Доступ через телефонные сети
Телефонная сеть общего пользования представляет собой набор сетевых уз- лов и сетевых станций, связанных между собой системами передачи. К сетевым станциям подключаются сети доступа. В настоящее время доступ абонентов к те- лефонным сетям и сетям передачи данных осуществляется преимущественно по медным многопарным электрическим кабелям (рис. 5.2).
Рис. 5.2 – Сеть доступа на
основе аналоговых абонентских линийЗдесь абонентские терминалы, аналоговые телефонные аппараты (формируют речевые сигналы в диапазоне 0.3–3.4 кГц) через телефонные розетки типа RJ-45
(сетевое окончание) подключаются к распределительным коробкам (РК) с помо- щью однопарных электрических кабелей типа ТРП. К выходу коробки подключен
92Глава 5. Сети доступауже многопарный кабель (обычно 10 пар). Кабели с РК поступают на распреде- лительные шкафы (РШ), а затем на кросс, который располагается на АТС. Одна пара проводов, проходящая от абонента последовательно через РК, РШ и кросс,
составляет абонентскую линию (АЛ). Далее с помощью дифференциальной систе- мы (ДC) двухпроводное окончание преобразуется в четырехпроводное, с помощью которого абонентская линия подключается к порту коммутатора. В данном приме- ре коммутатор является узлом предоставления услуг, поскольку вместе с системой сигнализации организует услугу телефонной связи. Ни концентратора, ни УРУ
здесь пока нет, так как услуга одна.
Если через такую ТФОП с помощью модема
M, модемного пула и маршрути- затора
R организуется передача данных, то коммутатор уже начинает выполнять и роль УРУ, так как по серийному номеру модемного пула отделяет сигналы сети передачи данных (СПД) от телефонных. Для СПД узлом предоставления услуг будет маршрутизатор.
В последнее время в сетях доступа применяются мини-АТС или PBX (Private
Branch Exchange). Их назначение — коммутация трафика абонентов внутри одного учреждения и передача внешнего трафика в ТФОП (рис. 5.3). Здесь число входящих линий (от абонентов) больше, чем число выходящих (к АТС).
Рис. 5.3 – Включение мини-АТС в сеть доступа на аналоговых линиях
Поэтому абонентские линии, идущие к АТС, могут испытывать блокировку, но нагрузка в каждой линии (трафик) будет большой. Можно сказать, что мини-АТС
выполняют также функции концентратора.
Мини-АТС наряду с аналоговыми портами могут иметь и цифровые, и порты
Ethernet, и V.35 для подключения к СПД. Эти случаи будут рассмотрены ниже.
5.3
Цифровые сети доступаРазвитие транспортных цифровых сетей заставляет искать решения по циф- ровым сетям доступа с целью повышения качества и удобства телекоммуникаци- онных услуг. Для этого цифровой сигнал нужно как можно больше приблизить к абоненту. В этом случае все или большинство компонент сети доступа должны функционировать с цифровыми сигналами. Рассмотрим возможные варианты.
5.3.1 Абонентские линии
Коммутируемые — на основе канала тональной частоты работают в полосе ча- стот 0.3–3.4 кГц. Модемы с многоуровневой модуляцией, где число уровней кван- тования достигает 128, обеспечивают скорости передачи не выше 34 кБ/с (протокол
5.3 Цифровые сети доступа
93
V.34) в двустороннем режиме и до 56 кБ/с (протокол К56Flex) при симметричном режиме передачи. Основной особенностью такого (аналогового) режима передачи является ограничение полосы пропускания и тот факт, что устройство АЦП и ЦАП
находится на стороне АТС (рис. 5.4).
Рис. 5.4 – Модемное (dial up) соединение
В настоящее время этот метод доступа практически не применяется и здесь приведен с целью описания процессов развития технологий абонентского доступа.
5.3.2 Цифровые коммутируемые линии
В этих линиях цифровой сигнал формируется в терминальном оборудовании абонента (компьютер, цифровой телефон), а затем передается по линии связи но уже не в полосе 3.1 кГц, а в той, которую позволяет среда передачи. Средой передачи здесь является все та же пара или две пары медных проводов (рис. 5.5).
Рис. 5.5 – Цифровая линия доступа
Частотная характеристика затухания и волнового сопротивления двухпровод- ной линии на один километр длины приведена на рисунке 5.6.
Из него видно, что затухание увеличивается с ростом частоты, но эффективная полоса пропускания может быть значительно больше чем у КТЧ (3.1 кГц). Так, ес- ли допустить максимальную неравномерность затухания 75–80 дБ, то при полосе пропускания
∆f
500 кГц можно получить дальность действия линии в 3–5 км.
Скорость передачи при этом можно увеличить за счет многоуровневого кодиро- вания. Так, в соответствии с теоремой Шеннона пропускная способность канала связи в битах в секунду
94
Глава 5. Сети доступа
B
∆f log
2
1
S
N
,
где S
N — отношение сигнал-шум в децибелах.
Рис. 5.6 – Частотная характеристика затухания в двухпроводной линии
При
∆f
500 кГц и шестнадцатиуровневом кодировании B
2 Мбит/с.
Для реализации таких теоретических оценок разработано много разновидно- стей модемов для цифровых абонентских линий (ЦАЛ). Самым простым вариантом является использование линейного кодирования 2В1Q. Суть этого кода иллюстри- руется рисунком 5.7, где изображены осциллограмма (а) и векторная диаграмма (б)
цифрового сигнала. Здесь каждому временному интервалу соответствует одно из четырех состояний (4-уровневое кодирование).
Рис. 5.7 – Диаграммы сигнала 2B1Q
Спектр сигнала 2В1Q изображен на рисунке 5.8. Из этого рисунка следует еще одно важное свойство таких модемов.
Поскольку сигнал биполярный, то его спектральные составляющие на низких частотах равны нулю. Следовательно, наряду с широкополосным сигналом в такой линии можно одновременно передавать сигналы КТЧ (телефонию).
Разумеется, что в модемах реализуется компенсация неравномерности частот- ной характеристики линии, эхокомпенсация и другие технические приемы для по- вышения качества и скорости передачи.
Вернемся теперь к коммутируемым цифровым абонентским линиям. В настоя- щее время на основании рекомендаций ITU-T разработан стандарт ISDN (Integrated
5.3 Цифровые сети доступа95Services Digital Network) — цифровых сетей с интегральным обслуживанием. Этот стандарт предусматривает цифровой базовый доступ BRI по трем каналам 2
BD,
где
B — канал со скоростью 64 Кбит/с, а
D — цифровой канал со скоростью 16 Кбит/с.
Рис. 5.8 – Спектр сигнала 2B1Q
Цифровой способ формирования и передачи в ISDN-BRI позволяет реализовать гибкую систему подключения абонентских терминалов. Так, возможны следующие режимы работы:
одновременно работают два телефона,
одновременно работает телефон и модем на скорости 64 Кбит/с,
модем работает на скорости 144 Кбит/с.
5.3.3 Цифровые линии хDSL
Как уже говорилось в предыдущем разделе, по обычной медной линии можно передавать сигналы с шириной спектра до 1–2 МГц.
Применение многоуровневого или других видов кодирования поз- воляет получить скорости передачи данных до 50 Мбит/с.
Цифровые линии, использующие такие технологии —
цифровые абонентские линии или, как сейчас чаще говорят, DSL — Digital Subscriber Line. Поскольку ре- жим работы линии определяет модем, а разновидностей модемов DSL много, в ли- тературе применяют такую аббревиатуру хDSL, где х и отражает индивидуальность модема и технологии.
В таблице 5.1 приведены типы модемов хDSL и их основные ха- рактеристики.
Как следует из таблицы, в зависимости от скорости передачи меняется и даль- ность действия модемов. Другой отличительной особенностью является необходи- мость использования двухпроводной или четырехпроводной линии для организа- ции двусторонней передачи данных. Наконец, системы xDSL допускают передачу с одинаковой скоростью в обоих направлениях или асимметричный режим, когда скорость передачи информации к пользователю больше, чем от него.
96
Глава 5. Сети доступа
Таблица 5.1 – Характеристики модемов xDSL
Тип
Название
Скорость,
Мбит/с
Способ
передачи
Число
пар
Дальность,
км
DSL
Digital subscriber line (Цифровая
абонентская
линия)
0.160
Дуплекс
1 8
HDSL
High — data ra- te DSL (Высоко-
скоростная
ЦАЛ)
1.5 2.0
Дуплекс
Дуплекс
2 2–3 3.5
ADSL
Asymmetric
DSL (Ассимет-
ричная ЦАЛ)
1.5–8 0.016–1
К абоненту
От абонента
1 2.5–5.5
RADSL Rate adaptive
DSL (Адаптив-
ная по скорос-
ти ADSL)
Переменная
До 8
До 1
К абоненту
От абонента
1 2.5–5.5
VDSL
Very high data rate DSL (Высо-
коскоростная
ЦАЛ)
13–52 1.5–2.3
К абоненту
От абонента
1 0.3–1.5
Рассмотрим эти особенности подробней.
1. Поскольку полоса пропускания линии ограничена частотой 0.5 МГц, то по- лучить высокую скорость передачи можно только за счет совершенствования мо- демов. К настоящему времени известны три основные технологии, применяемые при разработке модемов.
Кодирование 2B1Q. Этот метод используется в ISDN BRI и описан выше. Кро- ме того, он применяется в первых системах HDSL и MDSL. Разумеется, что эта технология более предпочтительна, чем ИКМ-30, так как позволяет передавать ин- формацию со скоростью 2 Мб/с в полосе частот 500 КГц. Тем не менее затухание сигнала на высоких частотах и неравномерность волнового сопротивления очень велики, и это приводит к ухудшению качества передачи сигналов. К другим недо- статкам кодов 2B1Q как следствие наличия высоких частот в спектре относятся:
большой уровень перекрестных помех в соседних парах многопарного электрического кабеля;
неравномерность АЧХ, ослабление высокочастотных спектральных состав- ляющих, что уменьшает дальность действия модемов;
искажение формы импульса и групповая задержка сигнала вследствие дис- персии фазовой скорости.
Таким образом, необходимы другие методы модуляции и кодирования, позво- ляющие уменьшить ширину спектра сигнала.
5.3 Цифровые сети доступа97Технология CAP (Carrierless Amplitude and Phase Modulation). Эта технология позволяет существенно уменьшить влияние перечисленных недостатков техноло- гии 2B1Q. Уменьшение ширины спектра сигнала здесь происходит за счет приме- нения многоуровневой амплитудно-фазовой модуляции в сочетании с выделением одной (верхней) полосы частот модулированного сигнала. Несущая частота сиг-
нала модулируется по амплитуде и фазе, причем число значений вектора сигнала составляет 64 и 128 (рис. 5.9).
Рис. 5.9 – Диаграмма состояний CAP-64 сигнала:
3 — фаза,
A — амплитуда
Количество бит, передаваемых за одну посылку (бод), равняется
Ilg
l,
где
l — число разрешенных состояний. При
l64,
I6, а при
l128,
I7.
Таким образом, при CAP-64 за каждую посылку передается 6 бит информации,
в то время как при 2B1Q их передается 2. Увеличение информационной скорости позволяет сократить тактовую частоту и существенно снизить полосу пропускания.
На рисунке 5.10 приведены спектры сигналов 2B1Q и CAP-64 при одинаковой скорости передачи 1168 Кбит/с.
Рис. 5.10 – Сравнение спектров сигналов 2B1Q и CAP-64
Кодирование TC-PAM (Trellis Coded Pulse Amplitude Modulation). Здесь число уровней амплитудной модуляции по сравнению с 2B1Q увеличено до 16 и при-
98Глава 5. Сети доступаменен метод решетчатого кодирования по алгоритму Витерби для повышения ка- чества передачи (предсказание ошибок). Суть метода заключается в нахождении свертки последовательности входных битов с такой же последовательностью, но переданной на несколько тактов раньше. Сформированная так кодовая комбинация на приемном конце сравнивается с набором проверочных комбинаций и при этом выбирается наиболее близкая к принимаемой. В условиях сильных наводок и по- мех надежность передачи существенно возрастает. Это свойство кодов TC-PAM
оказалось более значимым при построении модемов, чем незначительное расши- рение спектра по сравнению с CAP-64 или CAP-128. По сравнению с технологией
2B1Q коды TC-PAM выигрывают и по ширине спектра (в 1.5–2 раза) и существенно в помехоустойчивости.
2. Режим двусторонней передачи в xDSL системах возможен как по двум парам проводов, так и по одной паре.
Наиболее простым способом является передача сигналов для каждого из двух направлений по своей паре (пространственное разделение каналов). Типичным представителем такой технологии является HDSL, где используется модуляция
2B1Q и по каждой паре передается цифровой поток со скоростью 2 Мбит/с.
Размещение пар может быть либо по однокабельной, либо по двухкабельной схеме. В первом случае провода обеих пар находятся в одном многопарном кабеле,
и здесь возможны наводки как на ближний, так и на дальний конец. При двухка- бельной схеме, когда провода разных направлений размещены в разных кабелях,
эти наводки минимальны. Основным недостатком такого метода передачи является необходимость выделения двух пар проводов, что дорого для абонента и не всегда возможно.
В связи с этим большинство разрабатываемых технологий xDSL сейчас позво- ляют организовать двустороннюю передачу по одной паре. Проблема разделения направлений передачи и приема решается тремя способами: 1) использованием дифсистем и эхокомпенсации, 2) разделением по времени, 3) разделением по часто- те. Первый способ был описан ранее. Разделение по времени чаще всего реализует- ся как переключение направлений передачи (полудуплекс или метод «пинг-понг»),
когда передатчики и приемники абонента и станции включаются поочередно. При синхронной передаче скорость уменьшается в два раза по сравнению со случаем двух пар.
При разделении направлений по частоте требуется более чем двукратное рас- ширение полосы, если учесть защитный частотный интервал между двумя ча- стотными диапазонами. Кроме того, этот метод требует применения
аналоговых высокоизбирательных частотных фильтров, что дорого, громоздко и нетехнологично.
Поэтому в настоящее время для двусторонней передачи используют чаще всего дифсистемы или временной метод.
3. Симметричный режим передачи в системах xDSL реализуется как для двух,
так и для одной пары.
К этим технологиям относятся ISDN BRI, HDSL, SDSL. Пропускная способ- ность этих систем постоянна (см. табл. 6.1), что не всегда эффективно. Поэтому разработаны адаптивные технологии, когда скорость может регулироваться либо вручную, либо автоматически. При этом изменяется и дальность действия модемов.
5.3 Цифровые сети доступа99Области применения симметричных модемов в сетях доступа следующие:
замена ИКМ — трактов в соединительных линиях при увеличении длины участка регенерации до 25 км;
подключение учрежденческих АТС;
подключение корпоративных абонентов к сетям передачи данных регио- нального масштаба с целью построения своих сетей;
скоростной доступ в Интернет организаций и частных пользователей;
оказание мультисервисных услуг (телефон и Интернет, видеоприложения и Интернет).
Асимметричные технологии и прежде всего ADSL в первую очередь пред- назначены для скоростного доступа в Интернет, когда трафик из сети к абонен- ту гораздо больше, чем обратный, который содержит только запросы. Для того чтобы эта технология стала массовой, необходимо было использовать существу- ющие двухпроводные абонентские линии без всяких переделок и с сохранением существующей телефонной связи (аналоговой или цифровой). Таким образом, для технологий ADSL необходимо применение линейных кодов, в спектре которых отсутствуют низкочастотные спектральные составляющие (рис. 5.8). При этом те- лефонный сигнал, спектр которого находится в области низких частот, не создает помех сигналу передачи данных. Разделение этих сигналов у абонента и на уз- ле сети реализуется с помощью частотных разветвителей (фильтров), называемых также сплиттерами (рис. 5.11).
Рис. 5.11 – Схема ADSL-подключения
ADSL-технология является альтернативой режиму dial up.
Она наиболее эффективна на небольших расстояниях (до 3 км) при диаметре проводника электрической пары 0.4–0.5 мм. Обычно на узле модемы объединя- ются в стойку, называемую DSL Access Module (DSLAM). Как правило, DSLAM
имеет порт Ethernet, к
которому могут быть подключены коммутаторы, маршрути-
Скачать 4.1 Mb.