Сети передачи данных - уч. пособие. Сети передачи данных
 Скачать 4.1 Mb.
|
|
Глава 5. Сети доступа заторы и другие сетевые устройства. На участке между DSL модемом и DSLAM передаются три потока. Речевой телефонный (КТЧ) в диапазоне 0.3–3.4 кГц. Высокоскоростной цифровой поток к абоненту (downstream) со скоростями от 1.5 до 6 Мбит/с. Низкоскоростной цифровой поток от абонента (upstream) со скоростями от 15 до 640 Кбит/с. Каждый цифровой канал может быть разбит на несколько низкоскоростных каналов, в которых скорость кратна величинам 1.536 Мбит/с или 2.048 Мбит/с. Эта процедура позволяет регулировать скорость, которая зависит от параметров телефонной линии (длина, диаметр провода, наличие дефектов и неоднородностей). Для разделения перечисленных выше цифровых потоков применяют следую- щие методы. Как уже говорилось, сигнал КТЧ отделяется от цифрового сигнала сети передачи данных с помощью частотного фильтра. Разделение входящего и ис- ходящего цифровых потоков реализуется двумя способами: 1) с частотным разделе- нием каналов, 2) методом эхокомпенсации. В первом случае исходящий цифровой поток передается в полосе частот до 140 кГц, а входящий в полосе 0.14 –1.1 МГц. Для обеспечения высокой скорости передачи и ее регулирования применяется дис- кретная многотональная модуляция (DMT). При эхокомпенсации применяют дифсистемы, встроенные в модемы. Для дальнейшего совершенствования описанной технологии были разработаны ее модификации ADSL2 и ADSL2+. ADSL2 разработана в основном для увеличения скорости передачи на больших расстояниях в линиях с низкой помехоустойчиво- стью. Для этого в модемах применили более эффективную многоуровневую моду- ляцию и помехоустойчивое кодирование, сократили долю служебной информации. При этом удалось достигнуть прироста скорости на 100 кбит/с с одновременным увеличением дальности на 200 м. ADSL2+, напротив, предназначена для работы на коротких линиях (< 1500 м). Расширение полосы пропускания двухпарного электрического кабеля до 2.2 МГц позволяет реализовать скорость передачи до 20 Мбит/с. 5.3.4 Системы передачи (соединительные линии) Как уже говорилось ранее, соединительные линии идут от узла доступа к опор- ному узлу телекоммуникационной сети (АТС ТФОП, узел СПД и т. п.). Как правило, по ним передаются цифровые потоки n Е1 (ИКМ-30). Физиче- ской средой передачи могут быть: пары в многопарном электрическом кабеле в сочетании с xDSL модемами, волоконно-оптические линии связи (ВОЛС), цифровые радиорелейные линии (ЦРРЛ). При построении сетей доступа на основе ВОЛС необходимо на узле доступа со стороны соединительной линии обеспечить преобразование электрического сигна- ла в оптический, и наоборот. Для этих целей применяют оптоволоконные модемы (оптические конверторы). В качестве передатчиков используются полупроводнико- вые лазеры с длиной волны λ 0.85 мкм, 1.31 мкм, 1.55 мкм, а приемниками служат 5.3 Цифровые сети доступа 101 быстродействующие pin-фотодиоды. Оптическое волокно может быть как одномо- довое (SM), так и многомодовое (ММ). Дальность действия таких соединительных линий: до 6 км (ММ, λ 0.85 мкм), до 100 км (SM, λ 1.55 мкм). Интерфейсы доступа, кроме G.703–V.35, V.24, Ethernet. Скорости передачи до 1 Гбит/с. Цифровые радиорелейные линии применяются в условиях малонаселенной и труднодоступной местности, в городских условиях, когда прокладка кабеля за- труднена, а также в случаях, когда связь необходимо развернуть оперативно. Совре- менные ЦРРЛ работают в частотных диапазонах от 400 МГц до 20 ГГц. Дальность действия определяется условиями прямой видимости (5–40 км 1 пролет). Скорость передачи — до 34 Мбит/с, интерфейсы доступа: G.703, V.35, Ethernet. К недостаткам ЦРРЛ следует отнести: влияние осадков на качество передачи, необходимость высоких мачт для размещения антенн приемопередатчиков. 5.3.5 Узлы доступа Как уже говорилось, абонентские линии объединяются в узлах концентрации нагрузки, роль которых могут выполнять узлы рас- пределения услуг (УРУ) и узлы предоставления услуг. Будем называть ту или иную совокупность этих устройств узлами доступа. Эти узлы бывают следующих типов: мультиплексоры, выносные концентраторы, учрежденческие или мини-АТС, коммутаторы сетей передачи данных, маршрутизаторы доступа. Рассмотрим здесь мультиплексоры. Абонентские мультиплексоры предназначены для объединения цифровых сиг- налов, поступающих от абонентов, и последующей передачи в одном скоростном цифровом потоке (рис. 5.12). Здесь происходит стандартное уплотнение во вре- мени цифровых сигналов. Основное преимущество этой технологии — экономия количества пар в многопарном кабеле, а недостатки — неэффективное использова- ние скоростного выходного канала и отсутствие внутренней коммутации. Сигналы абонентов, принадлежащих одному мультиплексору при их разговоре, будут пере- даваться на АТС и затем обратно к абонентам. Число входных линий в абонентских мультиплексорах N может меняться от 2 до нескольких десятков и сотен. Типичным примером является мультиплексор ИКМ-30/32. В практике используются и мультиплексоры РСМ-4, РСМ-8 на 4 и 8 каналов соответственно, в которых используется кодирование 2B1Q и адаптивная дифференциальная импульсно-кодовая модуляция. Гибкие мультиплексоры. Это мультиплексоры с большим набором функций и возможностей объединять и перераспределять различные входные сигналы. Так, 102 Глава 5. Сети доступа они могут выделить (вставить) из цифрового потока переменное количество кана- лов, могут осуществлять функции кросс-коннектора, т. е. программируемое пере- ключение цифровых каналов как от одного входа к другому, так и к главным вы- ходным потокам. Объединяемые (разделяемые) сигналы могут быть различными (цифровые потоки n 64 Кбит/с, Е1 (2 Мбит/c), V.24/RS-232, ISDN BRI, xDSL, V.35, аналоговый телефон, Ethernet и др.). Физические интерфейсы тоже разнообразны (электрические двух- и четырехпроводные окончания, оптика, радиоканалы). Рис. 5.12 – Абонентский мультиплексор (МUХ) Рассмотрим несколько примеров реализации гибких мультиплексоров. 1. Разделение цифрового потока на несколько компонентных потоков (рис. 5.13). Рис. 5.13 – Мультиплексор доступа Здесь поток Е1 (2 Мб/с) разделяется на два. Один из них емкостью n 64 Кбит/с обеспечивает передачу данных от локальной вычислительной сети (ЛВС), а другой обслуживает учрежденческую АТС (УПАТС). Гибкость мультиплексора заключается в том, что n может меняться от 1 до 31. В другом канале (Fractional E1) передаются оставшиеся цифровые каналы (31 n). 2. Мультиплексор с интегрированием мультимедийного трафика (рис. 5.14). Этот мультиплексор является более функциональным по сравнению с предыду- щим. Здесь большое число входных портов, но что более важно, их назначение раз- нообразно. Здесь есть входы для обычных аналоговых телефонных линий, преду- сматривающих аналого-цифровое преобразование в цифровой сигнал со скоростью 32 Кбит/с и меньше. Есть входы для подключения компьютеров (V.24/RS-232), для скоростной передачи данных (до 2 Мбит/с) — V.35. Наконец, можно мультиплекси- ровать потоки ISDN BRI или просто часть цифрового потока Е1. По главной линии идет результирующий цифровой поток. Его скорость может быть различной — от 2 Мбит/с до n 2 Мб/с в зависимости от типа мультиплексора. 3. Мультиплексор с функциями кросс-коннектора (рис. 5.15). 5.4 Доступ к сетям передачи данных 103 Рис. 5.14 – Мультиплексор для объединения разнородного трафика Рис. 5.15 – Интегральный узел доступа Здесь, как и в предыдущем случае, на входе допустимы различные виды тра- фика, но мультиплексор (узел доступа) имеет четыре выхода. Трафик со входных портов может быть направлен на любой выходной порт. Эта процедура реализу- ется программным способом без блокировок и с созданием резервных маршрутов в случае неисправностей. Число входных каналов достаточно велико (например, узел Megaplex — 2200 фирмы RAD допускает 1200 каналов по 64 Кбит/с). 5.4 Доступ к сетям передачи данных 5.4.1 Общие сведения В сетях передачи данных (СПД) роль АТС играет узел маршрутизации (марш- рутизатор), к портам которого подходят соединительные линии от узлов доступа (узлов концентрации нагрузки). Узлов распределения услуг на сетевом уровне нет. Распределение услуг в стеке протоколов TCP/IP происходит на верхних уровнях. Различные способы доступа к СПД представлены на рисунке 5.16. Первый способ (dial up) осуществляется с помощью коммутируемых телефон- ных абонентских линий с помощью абонентских модемов M 1 и модемного пула (со- вокупность модемов), расположенного на узле доступа. Модемный пул содержит от нескольких десятков до нескольких сотен модемов, имеющих один серийный 104 Глава 5. Сети доступа телефонный номер. При наборе серийного номера абонентом его модем соединя- ется с любым свободным модемом на узле. Выход модемного пула подключен по цифровым каналам n E1 к порту маршрутизатора R. Скорость передачи и приема информации — десятки Кбит/с. Рис. 5.16 – Организация доступа к сетям передачи данных Второй способ реализуется для локальных вычислительных сетей (ЛВС) пред- приятий и организаций и отдельных абонентов. Здесь узлом доступа является концентратор (хаб) K, выход которого по скоростной линии xDSL подключен к маршрутизатору. Такой режим доступа абонентов (Ethernet) — является равно- правным и случайным и поэтому сопровождается коллизиями (конфликтами). Вме- сте с тем он достаточно прост и дешев и широко применяется в компьютерных сетях. Скорость передачи данных может достигать от нескольких Мбит/с (Ethernet) до нескольких десятков Мбит/с (Fast Ethernet). Расстояние от станций (компью- теров) до концентратора до 100 м при использовании в качестве линии передачи витой пары и до 2000 м при использовании оптоволокна. Число портов концентра- тора невелико (до 72), но, включая их каскадно или по топологии «дерево», можно достичь значения 1024. Третий способ аналогичен предыдущему. Он также предназначен для под- ключения к узлу СПД ЛВС, но в качестве узла доступа применяется коммута- тор (switch). Основное достоинство этой схемы — отсутствие коллизий, посколь- ку коммутатор в отличие от хаба не транслирует пакеты с входного порта на все остальные, а создает соединение только с получателем по известному МАС-адресу. В качестве соединительной линии здесь могут применяться как ВОЛС, так и xDSL- линии и цифровые РРЛ. Длина линии от абонента до узла может достигать 2 км для многомодового оптоволокна. Второй и третий способы работают на основе постоянного соединения (вы- деленная линия — on line) в отличие от первого, когда необходимо коммутируе- 5.4 Доступ к сетям передачи данных 105 мое соединение через ТФОП. Скорости передачи данных здесь существенно выше и могут достигать 100 Мбит/с (Fast Ethernet) и 1000 Мбит/с (Gigabit Ethernet). В настоящее время широко применяются сети доступа на базе оптоволоконных технологий. В них так применяются пассивные и активные схемы: пассивные на базе волоконных разветвителей, что эквивалентно технологии «общая шина»; активные на базе оптических коммутаторов. 5.4.2 Интерфейс V.35 В сетях доступа с использованием электрических кабелей на физическом уров- не широко применяется интерфейс V.35. Этот протокол регламентирует постоянное модемное соединение в синхронном режиме передачи по выделенной линии. В ка- честве выделенной линии могут использоваться «прямые провода» (4-проводная линия) или аналоговая система передачи в многопарном электрическом кабеле или аналоговой радиорелейной линии с частотным разделением каналов. Для этих це- лей выделяются первичные (60–108 кГц) или вторичные (312–552 кГц) аналоговые широкополосные каналы. Модемы используют синхронный дуплексный режим передачи по двум встреч- ным каналам. Схема синхронного модема приведена на рисунке 5.17. Рис. 5.17 – Схема подключения синхронного модема к оконечному оборудованию данных, где АПД — аппаратура передачи данных, P — переключатель 106 Глава 5. Сети доступа Здесь помимо функций «Обнаружение несущей», «Запрос передачи», «Прием и передача данных», характерных для асинхронных модемов, добавляются функ- ции синхронизации приема, передачи и подключения модема. В качестве физического интерфейса V.35 применяются либо разъемы М 34, либо разъемы DB-25 с 25 контактами. Высокочастотные сигналы (данные и син- хросигналы) передаются по сбалансированным парам проводов, а управляющие сигналы (запросы, ответы, тесты и т. п.) — по одиночным проводам и общей шине. Синхронные каналы передачи V.35 позволяют получить скорости передачи до 10 Мбит/с и используются в ГВС как в сетях доступа для подключения абонен- тов, так и для обеспечения связи с удаленными объектами, особенно в сельской местности. 5.4.3 Оптоволоконные сети доступа Оптоволоконные сети доступа получили название FTTH (Fiber to the Home). В них оптоволокно доходит либо до дома (узел размещается в цокольном этаже FTTB (Fiber to the Building)), либо до квартиры. В настоящее время в сетях доступа используются две технологии [9, 13]: технология пассивных оптических сетей (PON); технология на базе коммутаторов Gigabit Ethernet. Широкое распространение получила архитектура Ethernet типа «звезда». Такая архитектура предполагает наличие выделенных оптоволоконных линий (обычно одномодовых, одноволоконных линий с передачей данных Ethernet по техноло- гии 100BX или 1000BX) от каждого оконечного устройства к точке присутствия (point of presence, POP), где происходит их подключение к коммутатору. Оконечные устройства могут находиться в отдельных жилых домах, квартирах. Другим вариантом FTTH является архитектура на базе PON (Passive optical network). При ее использовании для развертывания сетей FTTH оптоволоконная линия распределяется по абонентам с помощью пассивных оптических разветви- телей с коэффициентом разветвления до 1:64 или даже 1:128. Нетрудно видеть, что эта архитектура представляет собой пассивное дерево, когда в точках ветвления нет активных элементов (коммутаторов). Архитектура FTTH на базе PON обычно поддерживает протокол Ethernet (рис. 5.18). В соответствии с рисунком входной поток данных (телефония, телевидение, компьютерные данные) от ONU разветвляется по многим направлениям и дохо- дит до конечных пользователей. В терминальных устройствах ONT происходит разделение цифрового потока по трем видам услуг. Такой режим распределения информации является широковещательным, когда к каждому ONT подходит весь цифровой поток от ONU. Терминальные устройства должны выделить из него только свою частную информацию. 5.4 Доступ к сетям передачи данных 107 Рис. 5.18 – Архитектура пассивной оптической сети (PON) Для обеспечения режима интерактивности в GPON используется та же пассивная волоконно-оптическая сеть, только восходящий трафик (телефония, IP-запросы) передаётся на другой длине волны. В частности, для наиболее простых систем нисходящий трафик передается на длине волны 1490 нм, а восходящий на длине волны 1310 нм. В некоторых случаях используется дополнительная длина волны нисходящего потока (downstream), что позволяет предоставлять традиционные аналоговые и цифровые телевизионные услуги пользователям без применения телевизионных приставок с поддержкой IP. Применяются следующие стандарты сети PON. Параметры полосы пропус- кания обозначают совокупную скорость передачи данных в нисходящем и вос- ходящем потоках. Эта скорость передачи данных делится между 16, 32, 64 или 128 абонентами, в зависимости от плана развертывания. EPON была разработана с целью снижения стоимости путем использования технологии Gigabit Ethernet, архитектура GPON разрабатывалась, чтобы обеспечить более высокую скорость 108 Глава 5. Сети доступа передачи данных нисходящего потока, снизить накладные расходы и обеспечить возможность передачи трафика ATM и TDM. Архитектура GPON используется в качестве транспортной платформы Ethernet. GPON (Gigabit PON) — перспективный стандарт PON ITU G.984 (2005). Транс- портный протокол — GFP (generic framing protocol). Нисходящий поток — 1490 нм, 2.4 Гбит/с или 1.2 Гбит/с. Восходящий поток — 1310 нм, 1.2 Гбит/с или 622 Мбит/с. В 2008 году принят стандарт GPON ITU G.984.6 (2008), с поддержкой до 128 або- нентов на дерево на расстоянии до 60 км. Технология GPON способствует эволюции телевидения от широковещательно- го (multicast) до персонального (unicast, Video-on-Demand) с качеством HDTV прак- тически для всех абонентов. Видеоканал в HDTV качестве занимает до 20 Мбит/с, то есть 1.2 Гбит/с для 64 абонентов в сегменте PON, что вдвое меньше ширины нисходящего канала в GPON (2.5 Гбит/с). GPON предоставляет масштабируемую структуру кадров при скоростях передачи от 622 Мбит/с до 2.5 Гбит/c, поддержи- вает как симметричную битовую скорость в дереве PON для нисходящего и вос- ходящего потоков, так и ассиметричную и базируется на стандарте ITU-T G.704.1 GFP (generic framing protocol, общий протокол кадров), обеспечивая инкапсуляцию в синхронный транспортный протокол любого типа сервиса (в том числе TDM). К другим преимуществом технологии PON следует отнести минимизацию ак- тивных устройств и портов. Они присутствуют только в ONU. Оптоволоконный кабель устойчив к электромагнитным воздействиям, не является источником элек- тромагнитных волн, привлекателен по массогабаритным параметрам и защищен от несанкционированного доступа. Инфраструктура GPON отличается крайней неприхотливостью и безопасностью: не требует электропитания и может быть смонтирована в любом, даже неприспособленном помещении. Проблемы PON-архитектуры При развертывании архитектуры пассивной оптической сети PON возникают несколько проблем. Общая полоса пропускания. Полоса пропускания в дереве оптоволоконных ли- ний сети PON используется как можно большим числом абонентов, что позволяет получить прибыль за счет снижения затрат на каждого абонента. Хотя технология GPON обеспечивает общую пропускную способность нисходящего потока, рав- ную 2.5 Гбит/с, она не может соответствовать росту сервисов и будущих требова- ний абонентов в долгосрочной перспективе, поскольку потребности в пропускной способности растут экспоненциально. Более того, некоторую часть полосы про- пускания необходимо резервировать для потоковых услуг (например, IPTV), что приводит к сокращению общей полосы пропускания. Шифрование. Поскольку PON — это технология с общей средой передачи, то необходимо шифрование всех потоков данных. В технологии GPON проводит- ся шифрование только нисходящего потока, а использование надежного усовер- шенствованного стандарта шифрования (Advance Encryption Standard, AES) с 256- разрядными ключами позволяет повысить безопасность личной информации конеч- ных пользователей и предоставляет сервис-провайдерам возможность предотвра- тить хищение услуг. Однако надежность стандарта AES обусловливает снижение производительности. Для шифрования необходима передача существенного объема служебной информации вместе с каждым пакетом, что может привести к замет- 5.4 Доступ к сетям передачи данных 109 ному снижению полезной скорости передачи данных в PON (в зависимости от сочетания различных видов трафика). Высокая рабочая скорость передачи данных. В связи с использованием в пас- сивных оптических сетях PON общей передающей среды, каждое оконечное устрой- ство (ONT) вынуждено работать на совокупной скорости передачи данных. Даже если клиент заплатил только за 25 Мбит/с, каждая конечная точка оптической сети (ONT) в этом дереве PON должна работать на скорости 2.5 Гбит/с (GPON). Работа электронных и оптических устройств со скоростью, в 100 раз превышающей необ- ходимую скорость передачи данных, повышает цену компонентов, особенно в том случае, если объемы производства не слишком большие. Необходимость большей мощности оптического сигнала. При каждом раз- ветвлении в соотношении 1:2 энергетический потенциал линии связи падает на 3.4 дБ. Следовательно, при разветвлении в соотношении 1:64 энергетический по- тенциал линии связи уменьшается на 20.4 дБ (эквивалентно отношению мощно- стей 110). Таким образом, в этой модели все оптические передатчики в архитектуре PON должны обеспечивать в 110 раз большую мощность оптического сигнала по сравнению с архитектурой FTTH «точка-точка» при передаче на то же расстояние. Доступ абонента. Обычно при развертывании сети FTTH выполняется од- новременное подключение оптоволоконных линий связи для всех потенциальных абонентов в данном районе. В случае пассивной оптической сети все эти оптово- локонные линии затем подключаются к разветвителям и стягиваются фидерным оптическим кабелем к центральной АТС или точке присутствия. Абоненты могут подписаться на сервис FTTH только после развертывания всех оптоволоконных линий. При развертывании услуг для частных абонентов сервис-провайдеры редко достигают 100-процентной подписки. Обычно этот показатель близок к 30 про- центам, что означает, что структура PON сети используется не оптимально, а сто- имость оборудования ONT для каждого абонента значительно возрастает. Одним из решений этой проблемы является использование удаленных оптических рас- пределительных узлов. Однако применение этого оборудования предполагает до- полнительные затраты, которые обычно не компенсируются улучшением загрузки пассивной оптической сети PON. Обслуживание, поиск и устранение неисправностей. Пассивные оптические разветвители не могут передавать информацию о неисправностях в центр управле- ния сетью. Поэтому с помощью обычного оптического временного рефлектометра (OTDR) очень сложно обнаружить какую-либо неисправность оптоволоконной ли- нии между разветвителем и точкой терминации оптической сети (ONT) абонента. Это значительно усложняет поиск и устранение неисправностей в сетях PON и по- вышает затраты на их эксплуатацию. Устойчивость. При повреждении точки терминации оптической сети (ONT) она может передавать в дерево оптоволоконных линий постоянный световой сиг- нал, что приводит к нарушению связи для всех абонентов этой пассивной оптиче- ской сети, причем найти поврежденное устройство очень трудно. Миграция технологии. Через какое-то время наступит момент, когда необхо- димо будет обновить развернутое оборудование PON новой технологией, обеспе- чивающей большую полосу пропускания. Организации IEEE и ITU-T работают над стандартизацией требований для пассивных оптических сетей следующего поко- |