Сети передачи данных - уч. пособие. Сети передачи данных
 Скачать 4.1 Mb.
|
|
Глава 5. Сети доступа ления со скоростью передачи данных 10 Гбит/с PON. Вероятнее всего эти решения не будут обратно совместимы с существующими технологиями PON (GPON или EPON). В этом случае возможно два способа миграции с одной технологии PON на другую. Вывести из сервиса все оптическое дерево целиком, заменить все оконеч- ные устройства, а затем вернуть структуру назад в сервис. Поскольку точки терминации оптической сети (ONT) обычно расположены на территории абонента, к которой у сервис-провайдера нет прямого доступа, этот про- цесс миграции может вызвать организационные проблемы и стать весьма трудоемким. Использовать уплотнение с разделением по длине волны, чтобы реализо- вать новую технологию PON с использованием тех же оптоволоконных линий, но на другой длине волны. Поскольку используемые в настоящее время приемники PON не поддерживают избирательность по длине волны, для этого необходимо перед началом миграции установить на всех оконеч- ных устройствах фильтры длины волны. Архитектура сети FTTH на базе коммутаторов так же представ- ляет собой дерево, только в точках ветвления находятся активные устройства — коммутаторы Fast Ethernet и Gigabit Ethernet. Это топология является более гибкой. Она позволяет реализовать режим пол- ной дуплексной связи между узлом и любым из абонентов, а так же, при необходи- мости, режим широкого вещания. Связь между портом коммутатора и абонентом осуществляется по индивидуальной выделенной линии с высокой скоростью пере- дачи данных. Преимущества архитектуры Ethernet FTTH (P2P) перед пассивной опти- ческой сетью Решение Ethernet FTTH имеет множество преимуществ перед архитектурой на базе PON. Практически неограниченная дискретная полоса пропускания. Прямая оп- товолоконная линия может обеспечить практически неограниченную полосу про- пускания, что позволяет достичь максимальной гибкости при развертывании сер- виса в будущем, когда потребность в пропускной способности возрастет. Архитек- тура Ethernet FTTH позволяет сервис-провайдеру гарантировать каждому абоненту необходимую пропускную способность и создавать в сети профили полосы пропус- кания для каждого клиента индивидуально. Каждый частный или корпоративный пользователь может в любой момент получить симметричную полосу пропускания любой необходимой ему ширины. Большой радиус действия. В типовых конфигурациях сетей доступа Ethernet FTTH применяются недорогие одноволоконные линии, использующие технологию 100BX или 1000BX, с заданным максимальным радиусом действия 10 км. Для работы на больших расстояниях имеются оптические модули, позволяющие увели- 5.4 Доступ к сетям передачи данных 111 чить мощность оптического сигнала, а также оптоволоконные пары с оптически- ми модулями, которые можно подключить к порту любого Ethernet-оборудования. В малонаселенных районах могут использоваться различные типы подключения Ethernet FTTH, которые не влияют на других абонентов на том же коммутаторе Ethernet. Гибкий рост. Использовать порты на коммутаторе доступа Ethernet FTTH мо- гут только те абоненты, которые оформили подписку у сервис-провайдера. В слу- чае появления новых абонентов можно добавить дополнительные линейные карты Ethernet с высокой степенью модульности. Напротив, при использовании архитек- туры на базе PON подключение первого абонента к оптическому дереву требует наличия наиболее дорогостоящего порта OLT, а при добавлении абонентов к тому же дереву PON стоимость подключения каждого абонента только увеличивается за счет приобретения ONT. Миграция полосы пропускания. Поскольку одномодовые оптоволоконные ли- нии не зависят от используемой технологии и скорости передачи данных, можно легко увеличить скорость для одного абонента, не влияя на работу других. Это означает, например, что абонент, использующий в настоящее время технологию Fast Ethernet, может в следующем году перейти на Gigabit Ethernet за счет простого переключения оптоволоконной линии абонента на другой порт коммутатора и за- мены только Ethernet-устройства в помещении абонента. Это изменение никак не повлияет на работу остальных абонентов сетей доступа Ethernet FTTH. Отделение абонентских линий. Отделение абонентских линий — это свой- ство, присущее архитектурам Ethernet FTTH. Оно трудно реализуется в архитекту- ре пассивной оптической сети из-за общего характера передающей среды в дереве PON. Безопасность. На сегодняшний день выделенная оптоволоконная линия яв- ляется самой защищенной средой (на физическом уровне), особенно в сравнении с общими передающими средами. Кроме того, коммутаторы Ethernet, использую- щиеся в средах сервис-провайдеров, призваны обеспечить разделение физического уровня портов и логического уровня абонентов и имеют множество надежных функций защиты, которые в состоянии предотвратить практически все попытки вторжений. Оборудование в помещении клиента. Архитектуры Ethernet FTTH предпо- лагают использование на территории абонента простых устройств подключения к сети (customer premise equipment, CPE), обладающих достаточной функциональ- ностью для обеспечения связи с сетью доступа и доставки всего спектра услуг каждому абоненту. Эти устройства Ethernet CPE стоят очень недорого и обычно размещаются в квартирах или домах абонентов. При использовании архитекту- ры на базе пассивной оптической сети (PON) устройство CPE (ONT) является неотъемлемой частью архитектуры PON, поскольку оно взаимодействует с други- ми устройствами при работе с общей передающей средой. 112 Глава 5. Сети доступа 5.5 Радиодоступ 5.5.1 Общие принципы беспроводных сетей Преимущества беспроводных технологий очевидны. Удешевление инфраструктуры в связи с отсутствием монтажа кабельных систем и активного оборудования. Стоимость самих работ, как правило, превышает стоимость кабелей. Удобство мобильного использования. Пользователь не привязан к рабочему месту и может свободно перемещаться в зоне обслуживания сети. Технология широкополосного сигнала в беспроводных сетях Приемлемые площадь покрытия и скорость передачи данных радиосети опре- деляются прежде всего отношением сигнал/шум. Согласно теореме Шеннона ско- рость V [бит/с] не может превышать значения: V W log 2 S N 1 , где W — ширина используемой полосы частот [Гц], S и N — значения уровней сиг- нала и шума в милливаттах соответственно. Для того чтобы послать радиосигнал большой мощности в СВЧ-диапазоне, нужен дорогостоящий передатчик с усилителем и дорогостоящая узконаправлен- ная антенна. Для того чтобы принять без помех сигнал малой мощности, также нужна аналогичная антенна и дорогой приемник с высокой чувствительностью. Превышение сигнала над шумами при использовании обычного «узкополосно- го» радиосигнала происходит за счет «вырезания» сигнала в частотной области и в пространстве. Картину усложняют еще и различные взаимные помехи меж- ду узкополосными сигналами большой мощности, передаваемыми близко друг от друга или на близких частотах. В частности, узкополосный сигнал может быть просто заглушен (случайно или намеренно) передатчиком достаточной мощности, настроившимся на ту же частоту. Применяемый в беспроводных сетях принцип широкополосной связи ориентируется прежде всего не на превышение сигнала над шумами, а на способность оборудования выделять информацию за счет расширения спектра, т. е. введения некоторой избыточности. Разработано два принципиально различающихся между собой метода исполь- зования такой широкой полосы частот: метод прямой последовательности (Direct Sequence Spread Spectrum — DSSS); метод частотных скачков (Frequency Hopping Spread Spectrum — FHSS). Оба эти метода предусматриваются и стандартом 802.11 (Radio-Ethernet), а по- следний используется также и в технологии Bluetooth. 5.5 Радиодоступ 113 Метод прямой последовательности (DSSS) Метод прямой последовательности (DSSS) можно представить себе следую- щим образом. Каждый передаваемый бит информации кодируется по заранее за- фиксированному алгоритму в последовательность из N символов. При приеме по- лученная последовательность декодируется с использованием того же алгоритма, что и при ее кодировании. Другая пара приемник-передатчик может использовать другой алгоритм кодирования-декодирования, и таких различных алгоритмов мо- жет быть очень много. Очевидно, для успешного приема информации приемнику необходимо знать следующее: кодовую последовательность, которая может насчитывать тысячи импульсов; фазу следования, которую невозможно определить, не зная самой последо- вательности. Такие последовательности называют псевдошумовыми. Случайность их объ- ясняется тем, что все вероятности значений последовательности распределены по определенным статистическим законам. Такой сигнал повторяется, но через боль- шой относительно единичного элемента интервал времени (период повторения) так, что на одном периоде такую последовательность можно считать случайной, шумоподобной. Это позволяет получить максимум корреляционной функции меж- ду опорной и принятой последовательностями только при полном совпадении их вида и фаз. Отличие полезного «шума» от мешающего состоит в том, что на сто- роне и передатчика, и приемника последовательность известна и имеет один вид. Первый очевидный результат применения этого метода — защита передавае- мой информации от подслушивания («чужой» DSSS-приемник использует другой алгоритм и не сможет декодировать информацию не от своего передатчика). Но более важным оказалось другое свойство описываемого метода. Оно заключается в том, что благодаря избыточности передачи можно обойтись малым значени- ем отношения сигнал/шум, приближающимся к единице, не увеличивая мощность передатчика. Еще одно чрезвычайно полезное свойство DSSS-устройств заключается в том, что благодаря очень низкому уровню спектральной плотности своего сигнала, они практически не создают помех обычным радиоустройствам (узкополосным боль- шой мощности), так как эти последние принимают широкополосный сигнал за шум в пределах допустимого. В другую же сторону — обычные устройства не мешают широкополосным, так как их сигналы большой мощности «шумят» каждый только в своем узком канале и не могут заглушить широкополосный сигнал весь целиком. Таким образом, можно выделить положительные эффекты расширения спектра: помехозащищенность; не создаются помехи другим устройствам; конфиденциальность передач; экономичность при массовом производстве; возможность повторного использования одного и того же участка спектра. 114 Глава 5. Сети доступа Метод частотных скачков (FHSS) При кодировке по методу частотных скачков (FHSS) вся отведенная для передач полоса частот подразделяется на некоторое количество подканалов (по стандарту 802.11 и Bluetooth этих каналов 79). Каждый передатчик в каждый данный мо- мент использует только один из этих подканалов, регулярно перескакивая с одного подканала на другой. Стандарт 802.11 не фиксирует частоту таких скачков — она может задаваться по-разному в каждой стране. Эти скачки происходят синхронно на передатчике и приемнике в заранее зафиксированной псевдослучайной последова- тельности, известной обоим; ясно, что не зная последовательности переключений, принять передачу также нельзя. Другая пара передатчик-приемник будет использовать и другую последова- тельность переключений частот, заданную независимо от первой. В одной полосе частот и на одной территории прямой видимости (в одной «ячейке») таких после- довательностей может быть много. Ясно, что при возрастании числа одновремен- ных передач возрастает и вероятность коллизий, когда, например, два передатчика одновременно перескочили на частоту №45, каждый в соответствии со своей по- следовательностью, и заглушили друг друга. Метод частотных скачков, так же как и описанный выше метод прямой по- следовательности, обеспечивает конфиденциальность и некоторую помехозащи- щенность передач. Помехозащищенность обеспечивается тем, что если на каком- нибудь из 79 подканалов передаваемый пакет не смог быть принят, то приемник сообщает об этом и передача этого пакета повторяется на одном из следующих (в последовательности скачков) подканалов. С другой стороны, поскольку при использовании метода частотных скачков, в отличие от метода прямой последовательности, на каждом подканале передача ведется на достаточно большой мощности (сравнимой с мощностью обычных уз- кополосных передатчиков), про этот метод нельзя сказать, что он не мешает другим видам передач. 5.5.2 Стандарты IEEE 802.11 (Wi-Fi) Для решения задач нестационарного беспроводного доступа в настоящее время наибольшую популярность приобрели сети на основе технологии «Wi-Fi», стан- дарты IEEE 802.11b и 802.11g с рабочей частотой 2.4 ГГц (11 Мбит/с у 802.11b, 22 Мбит/с у 802.11b+ против 54 Мбит/с у 802.11g). В это же семейство стандартов IEEE 802.11 входит и стандарт с индексом «а», работающий на частоте 5 ГГц (до 54 Мбит/с). Благодаря меньшей стоимости и простоте лицензирования частот наибольшее распространение получила ветвь стандартов, совместимая с IEEE 802.11b. В соот- ветствии с семиуровневой моделью OSI этот стандарт определяет физический и ка- нальный уровни взаимодействия для беспроводных локальных сетей. Во многом на канальном уровне технология схожа с Ethernet, поэтому ее называют также беспро- водным стандартом Ethernet. Наиболее важным отличием сети 802.11 от кабельных сетей являются ограничения по мощности передатчика и чувствительности прием- ника адаптера. В Ethernet все члены сети могут зафиксировать наличие коллизии в любой момент времени, в том числе и в момент передачи пакета. В беспровод- ной сети не все узлы могут находиться в зоне покрытия другой станции, поэтому 5.5 Радиодоступ 115 может возникнуть проблема «скрытого терминала». Пакеты в этом случае могут не мешать друг другу в местах передачи, но в месте приема может возникнуть кол- лизия, соответственно передатчик не может зафиксировать столкновение пакетов. Передающая станция 802.11 может убедиться в отсутствие коллизии только, если принимающая сторона ответит подтверждением о корректном приеме. В стандарте предусмотрена только полудуплексная связь, это обусловлено требованием просто- ты оборудования и ограничениями выделения рабочего частотного диапазона. Вся пропускная способность канала используется одной станцией в течение ограничен- ного стандартом интервала времени, поэтому скоростные характеристики сильно зависят от загруженности сети. На физическом уровне в стандарте 802.11b используется технология DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum — расширение спектра за счет прямой после- довательности), где каждый бит кодируется определенной последовательностью (чип-кодом), принятой в одной локальной сети. В стандартах 802.11а используется модуляция OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing — мультиплексиро- вание с ортогональным разделением частот). В 802.11g используется последний вид расширения спектра, но для совместимости с более старым 802.11b может применяться и DSSS. Существуют два вида архитектур, применяемых в 802.11: инфраструктурная сеть, или BSS (Basic Service Set — базо- вый служебный комплект), изображена на рисунке 5.19; независимая сеть, «ad-hoc», или IBSS (Independent Basic Service Set — независимый базовый служебный комплект), изображена на рисунке 5.20. Наиболее часто используется архитектура BSS с центральным элементом — точкой доступа, ТД (AP — Access Point). ТД представляет собой беспроводной кон- центратор, который можно подключить к обычной проводной сети, при этом для пользователя как мобильного, так и стационарного не существует различий в ра- боте с сетевыми приложениями. Как видно из рисунка, используется топология «звезда», и весь трафик, например от станции А к станции Б, в такой сети должен проходить через ТД, т. е. каждый кадр пересылается по радиоканалу дважды. Такой недостаток несущественен, если беспроводная сеть является средством доступа к более крупной проводной сети. Кроме того, такая структура решает проблему «скрытого терминала», т. к. все узлы находятся в зоне видимости ТД. Полудуплексный Ethernet использует принцип CSMA (CSMA — Carrier Sense Multiple Access) для доступа терминалов к среде, беспроводные стандарты 802.11 изначально ориентировались на полудуплексную связь, более простую в аппарат- ном и частотном обеспечении, поэтому технология «Wi-Fi» использует именно этот принцип. Это значит, что любой из участников сети может получить доступ к среде передаче данных, предварительно определив, что канал не занят. Одна- ко каким образом передающие устройства беспроводных адаптеров определяют факт «столкновения пакетов» друг с другом? В случае использования CSMA/CD 116 Глава 5. Сети доступа коллизию можно было бы обнаружить лишь на стороне приемника. В специфика- ции стандарта 802.11 указывается, что физический уровень наблюдает за уровнем радиосигнала, чтобы определить, не занят ли канал другой станцией. Но тогда од- новременно с передатчиком в адаптере должен работать специальный приемник для обнаружения коллизий. Рис. 5.19 – Архитектура BSS в беспроводных сетях 802.11 Рис. 5.20 – Архитектура IBSS в беспроводных сетях 802.11 5.5 Радиодоступ 117 Проблема обнаружения коллизий была решена при помощи видо- измененного принципа множественного доступа. Допустим, станция А и В имеют информацию для Б (рис. 5.21). Каждое из устройств определяет, занята ли среда. Если эфир свободен, то станция А выжида- ет время интервала между кадрами DIFS (Distributed Inter Frame Space). Если канал оказывается свободным в течение этого времени, то станция выжидает короткий случайный интервал, после чего может послать кадр. Интервал случайной дли- тельности помогает избежать ситуации, когда несколько узлов начинают передачу одновременно. ТД доступа, как и ее проводной аналог, просто транслирует полу- ченные пакеты. Получив корректный кадр, принимающая станция Б ждет в течение короткого периода времени SIFS (Short Inter Frame Space — короткий межкадровый интервал), затем посылает кадр подтверждения (ACK — aknowlegement, подтвер- ждение). Если подтверждение не пришло, станция А считает, что пакет потерян, и переходит к процедуре отката после коллизии аналогично Ethernet. За время общения двух станций — NAV (Network Allocation Vector) другие члены сети (В) находятся в режиме молчания. Этот интервал вычисляется на основе значения длины, которое содержится в служебных полях кадра. Рис. 5.21 – Принцип CSMA в сетях 802.11 Станции могут группироваться по принципу ad-hoc — сеть без центрального элемента, как показано на рисунке 5.20. В этом случае станции устанавливают связь друг с другом, используя топологию полносвязанной сети. Схема информирования о коллизиях эффективна для архитектуры BSS, но для независимой сети ad-hoc (IBSS) существует проблема скрытого терминала, которая решается при помощи принципа предотвращения коллизий. Для доступа к среде передачи данных используется метод коллективного до- ступа с обнаружением несущей и предотвращением коллизий CSMA/CA (Carrier- SenseMultipleAccess/CollisionAvoidance). |