Параметры и конфигурации одноволновых ВОСП - СЦИ

Волоконно-оптические системы, в которых оптический сигнал передается на одной длине волны, называются одноволновыми. Параметры одноволновых ВОСП СЦИ регламентированы нормами рекомендаций МСЭ-Т Рек. G. 957 [7]. В соответствии с этими нормами, ВОСП-СЦИ для городских и региональных се­тей связи работают в одном из двух диапазонов оптических длин волн: 1260...1360 нм (2 ОП — 2-е окно прозрачности волокна) или 1500...1580 нм (3 ОП или диапазон С). В зависимости от используемого диапазона протяженность этих линий может доходить до 40 км без регенерации для 2 ОП и до 80 км для 3 ОП. Средняя оптическая мощность (вернее, уровень мощности) при передаче во 2-м ОП, и скоростях 155 Мбит/с или 622 Мбит/с равна 8 дБм и для 3 ОП средняя оптическая мощность Р_ср (дБм)» —3...+3 дБ. В системах ВОЛС СЦИ со скоростью передачи 2,5 Гбит/с (STM-16), работающих во 2-м ОП или 3 ОП, средняя вводимая мощность также лежит в пределах от 3 до +3 дБм.

Такие системы ВОЛС строятся по конфигурации, представленной на рис. 1.3.

Магистральные одноволновые ВОСП СЦИ рассчитаны для передачи цифро­вой информации со скоростями 2,5 Гбит/с (STM-16), 10 Гбит/с (STM-64) или 40 Гбит/с (STM-256) в диапазонах длин волн 1530...1565 нм (диапазон С) или 1565... 1625 нм (диапазон L) с применением оптических усилителей. Параметры этих систем регламентируются нормами МСЭ-Т Рек. G.691 [8] и строятся по конфигурации, представленной на рис. 1.4.

Цифровой электрический сигнал с выхода аппаратуры СЦИ подается на вход оптического передатчика ОПд в цифровом коде NRZ. После преобразования в ОПд оптический цифровой сигнал в том же коде NRZ через предварительный компенсатор хроматической дисперсии ПКД (PDC) подается на вход оптического усилителя мощности. С выхода этого усилителя в контрольной точке MPI-S уси­ленный по мощности до уровня не более +17 дБм (50 мВт) оптический сигнал вводится в линию — в оптическое волокно, входящее в состав оптического кабеля (ОК). На выходе линии (элементарного кабельного участка — ЭКУ) в точке прие­ма MPI-R оптический сигнал поступает на вход оптического усилителя (предуси-литель ОУпр). С его выхода через пассивный компенсатор хроматической диспер­сии сигнал поступает на оптический вход приемной аппаратуры СЦИ. В документе Рек. G.691 рассмотрены три варианта конфигураций: а) без оптических усилителей и компенсаторов дисперсии, тогда схема вырождается в конфигурацию на рис. 1.3 — в этом случае длина ЭКУ L_ЭКУ ⁼ 40 км; б) с усилителем приема, при этом длина линии равна 80 км; в) с усилителем передачи ОУпд, компенсатором дисперсии и усилителем приема ОУпр. При такой конфигурации длина ЭКУ равна 120 км. Указанные длины ЭКУ могут считаться максимальными только для иерархии STM-256. Для более низких скоростей передачи длина ЭКУ может быть существенно большей: для STM-64 — 160 км, для STM-250 км.

1.7. Асинхронный режим переноса сообщений (ATM)

Описанные выше цифровые методы передачи ПЦИ и СЦИ ориентированы на передачу телефонного трафика и используются главным образом в сетях связи общего пользования. Вместе с тем в течение трех последних десятилетий происходило параллельное развитие ведомственных (т. е. корпоративных) сетей, в которых основным трафиком является передача данных. В связи с массовым внедре­нием компьютерных технологий и новейших средств и услуг связи в быт людей в производственные и технологические процессы, во многие другие сферы челове­ческой деятельности быстро набирает темпы процесс интегрирования сетей, услуг и средств связи. Создается Единая глобальная мультисервисная сеть, частью кото­рой является и телекоммуникационная сеть России. Уже сегодня все более оче­видным становится быстрый рост трафика передачи данных в виде пакетов, кото­рый в ближайшей перспективе станет основным. Это значит, что передача данных будет использоваться как основное средство унификации для передачи любых видов информации от телефонных услуг до технологической, финансовой, маркетинговой, медицинской и т. д. При этом перечисленные виды информации должны быть переданы с максимальной эффективностью — оперативно, по оптима­льным маршрутам и при минимальных затратах. В связи с этим, как отмечается в работе [9], технология передачи СЦИ (тем более ПЦИ) оказывается не очень хорошо приспособленной для решения обозначенных задач по следующим причи­нам: а) не всегда эффективно используется скорость передачи, поскольку разные каналы могут иметь большие различия по количеству передаваемой информации при одинаковой занимаемой полосе частот; б) связанное с этим отсутствие динамического авторегулирования полосы частот по требованиям абонента; в) большой шаг градаций деления частот между пользователями; г) отсутствие автоматической оперативной коммутации, связанной, например, с оптимальной маршрутизацией. К этому следует добавить, что системы передачи на основе СЦИ не ориентированы на соединение, поскольку в этих системах передача происходит сразу после подачи сигнала, при этом не решается задача доставки информации адресату. Эту задачу выполняет другое оборудование в соответствующих узлах связи. Вместе с тем в упомянутой работе сообщается о возможности модернизации систем ВОСП СЦИ для приспособления их к передаче данных.

Параллельное развитие различных систем передачи и связанное с этим существование различных, независимых друг от друга сетей связи (сети общего пользования, корпоративные сети, компьютерные сети), привели к такой ситуации, при которой пользователь вынужден устанавливать у себя различное оконечное оборудование: телефонный аппарат, телевизор, факс, компьютер. При этом каждый из перечисленных приборов подключается к соответствующей сети, если он желает воспользоваться качественными услугами связи (здесь мы не учитываем тот факт,что в настоящее время факс и компьютер включают в телефонный канал обычной телефонной городской сети, т. к. предоставляемые при этом услуги качественны­ми назвать трудно). Проблема предоставления высококачественных услуг связи при оптимальном использовании ресурсов сетей связи и минимальных затратах средств в настоящее время решается путем создания широкополосных цифровых сетей интегрального обслуживания (ШЦСИО). В результате внедрения таких сетей абонент сможет пользоваться всем спектром услуг связи с помощью одного терминала быстродействующего компьютера.

Одним из эффективных средств решения поставленной задачи является разра­ботка быстрой коммутации пакетов информации. При этом коммутация и переда­ча пакетов осуществляется в узлах коммутации с минимальным числом выполняе­мых операций. Такой режим переноса информации получил название асинхрон­ный режим переноса (доставки) информации ATM (Asynchronous Transfer Mode) [10]. Характерным свойством такого метода является передача любых видов ин­формации в виде пакетов (или ячеек) фиксированной длины, равной 53 байтам. Ячейка разделена на две части: 5 байт отведены под заголовок и 48 байт под ин­формационный поток. В первой 5-байтовой части содержится служебная инфор­мация об адресе, приоритетности, опознанию и т. д., вторая, 48 байт, принадле­жит пользователям, между которыми осуществляется связь. В этой части пакета (ячейки) передается информация любой службы независимо от вида информации. Режим передачи ATM отличается следующими характерными особенностями: отсутствие защиты от ошибок и управления потоком данных на уровне звена; ориентацией на соединение; ограниченным количеством функций заголовка (1-й части) пакета; относительно небольшой длиной информационной части пакета (48 байт), малая длина информационной части позволяет обеспечивать передачу цифровых информационных потоков при заданном коэффициенте ошибок [10]. По этой же причине отсутствует и управление потоком данных на уровне звена. По структуре пакета и по функциональным назначениям передаваемая ячейка в режиме ATM аналогична режиму работы абонентской соединительной линии обычной телефонной сети. На рис. 1.5 представлены временные диаграммы работы обычного телефонного аппарата и ячейки ATM (б).

Из структур режимов работы телефонного аппарата (ТА) и ATM можно видеть, что набор номера при работе ТА аналогичен заголовку в ячейке ATM фиксированное для данной телефонной сети количество цифр аналогично фиксированному размеру заголовка (5 байт) при режиме ATM. Отличие состоит в том, что в абонентской телефонной сети длина информационной части не ограничена, а в режиме ATM длина информационной части фиксирована и равна 48 байт. Понятно, что по абсолютным значениям длительность импульсов при наборе номера ТА и в заголовке ячейки ATM не сопоставимы. Если длительность импульсов при наборе номера ТА равна 60 мс (пауза 40 мс) [11], то длительность импульсов в заголовке ячейки ATM может доходить до 100 пс (10~¹⁰ с) при скорости передачи 10 Гбит/с [12].

В процессе передачи цифровой информации в режиме ATM потоки пакетов по 53 байта асинхронно мультиплексируются (уплотняются) в единый цифровой поток. При этом для каждого пакета, прежде чем передавать информацию, устанав­ливается виртуальное соединение между отправителем и получателем сообщения. Устанавливаемые соединения могут быть двух типов — виртуальная цепь или канал VC (virtual Circuit) и виртуальный маршрут или путь VP (virtual path). Первый тип устанавливается между узлами связи, второй тип соединений между крупными сетями (между городами или большими организациями). Для каждо­го типа соединений используются соответствующие идентификаторы: VC1 (Virtual Channel Identifier) идентификатор виртуального канала и VPI (Virtual Path Iden­tifier) идентификатор виртуального пути [13]. Соединения первого типа в свою очередь подразделяются на две разновидности: фиксированные виртуальные каналы PVC (Permanent VC) и коммутационные виртуальные каналы SVC (switched VC). В этом виде соединений коммутация осуществляется динамически в зависимости от вида передаваемой информации и конфигурации сети. В коммути­руемых каналах осуществляется коммутация пакетов, используя при этом идентификаторы VCI. На физическом уровне ATM основывается на технологиях ПЦИ и СЦИ всех иерархий и обеспечивает очень широкий диапазон скоростей передачи от 64 кбит/с до 40 Гбит/с. Благодаря своей универсальности режим ATM может применяться как в сетях доступа, так и в магистральных сетях. При этом использование ATM в сетях доступа является достаточно эффективным вследствие большого количества соединений и динамических переконфигураций. Таким образом, как отмечалось ранее, технология ATM разработана как единая транспортная система для новых поколений сетей широкополосных цифровых сетей интегрального обслуживания (ШЦСИО). Стандарты ATM разработаны Международной организацией ATM Forum под эгидой комитета IEEE при поддержке Международного союза по электросвязи МСЭ (ITU-T).

1.8. Компьютерная сеть Ethernet

Когда началось широкое внедрение персональных компьютеров в структурах различных предприятий и учреждений, возникла необходимость в обмене цифровой информации, получаемой с помощью этих компьютеров. Для этого потребовалось создание сетей связи первоначально в пределах одного предприятия. На крупных предприятиях (заводах, конструкторских бюро и т. д.), оснащенных де­сятками компьютеров, создание такой сети было особенно актуальным. Одной из первых таких сетей была компьютерная сеть компании Xerox (США), созданная в1973 году. Сеть связи, предназначенная для передачи и обмена данными между компьютерами, получила название Ethernet (от слова ether эфир). Компьютеры через соответствующие согласующие устройства подключались к общей среде передачи (шине) с помощью коаксиальных кабелей. Каждому компьютеру присваивался свой адрес в виде цифрового кода. Первые сети Ethernet были внутриобъек-товыми и длина их соединительных линий редко превышала 100 м.

Первые сети Ethernet имели простейшую схему (топологию), и подключенные к общей шине компьютеры работали поочередно. Пропускная способность пер­вых сетей составляла 10 Мбит/с. Наращивание количества подключаемых ПК уменьшало производительность сети. Кроме того, возрастала потребность в обмене данными не только внутри одного предприятия, но и между различными предприятиями, что также приводило к снижению производительности сети. Для решения проблемы увеличения производительности были разработаны новые поколения компьютерных сетей. Расширение этих сетей для связи между предприятиями поставило также задачу стандартизации параметров и стыков. Для разработки стандартов сетей Ethernet в институте IEEE (США) был организован комитет 802, разработавший семейство стандартов 1ЕЕЕ802х. В этих стандартах содержатся рекомендации по проектированию нижних уровней локальных сетей. Впоследствии они стали основой создания комплексов международных стандартов ISO8802-I...X [14]. В первых сетях Ethernet, в которых компьютеры подключались к общей шине, прежде чем включиться в линию, необходимо было сначала прослушать ее, и после того, как убеждались, что сетью никто не пользуется, включали компьютеры. Такая процедура сильно снижала производительность сети. В следующих стандартах, разработанных в 1980 г., этот недостаток в значительной степени был устранен благодаря введению в сеть коммутационных узлов и маршрутизаторов. Это были стандарты Ethernet DIX и стандарт IEEE802.3. Про­пускная способность этих сетей, как и предыдущих, равна 10 Мбит/с. Она остает­ся основной и по сей день. Рассчитанная на работу по коаксиальному медному кабелю, такая сеть имела соединительные линии длиной не более 500 м, при общей длине сети 2,5 км.

По типу направляющих сред, используемых в сетях Ethernet, стандарт ЕЕЕ802. 3 подразделяется на следующие стандарты:

• 10Base-5 — коаксиальный кабель диаметром 0,5 дюйма. Длина соединительной линии не более 500 м;

• 10Base-2 — коаксиальный кабель диаметром 0,25 дюйма. Максимальная длина соединительной линии не более 100 м;

• 10Base-F — волоконно-оптический кабель на основе многомодовых волокон. Длина соединительной линии до 2 км.

В сетях 10-мегабитных вариантов Ethernet максимально возможная пропускная способность составляет 9,75 Мбит/с (максимальная длина пакета 1518 байт). Такая производительность уже давно стала совершенно недостаточной, поэтому в 1992 году был разработан стандарт Fast Ethernet с пропускной способностью 100 Мбит/с. В комитете IEEE этот стандарт получил обозначение 802311. В вари­анте, использующем в качестве среды передачи оптическое волокно, стандарт обозначается как 100Base-FX. В этом варианте, также как и в 10Base-F, используется многомодовое оптическое волокно. Как в варианте Ethernet Base-T и Base-F, так и в Fast Ethernet форматирование пакетов остается неизменным, однако в Fast Ethernet конфигурация сети существенно изменилась, поскольку в этом случае

основной средой распространения сигналов становится оптическое волокно, причем не только многомодовое, но и одномодовое.

Потребность в увеличении пропускной способности сетей Ethernet быстро на­растала. Поэтому в 1998 году был принят стандарт IEEE802. 3Z-Gigabit Ethernet, a в 2002 г. 10 Гбит/с. В настоящее время конфигурация сетей Ethernet имеет вид, представленный на рис. 1.6.

Современная технология Ethernet используется в сочетании с транспортными сетями ATM и СЦИ (SDH). В результате длины соединительных линий могут до­стигать сотен км и более, органично вписываясь в концепцию единой широкопо­лосной цифровой сети интегрального обслуживания. Современный офис в расши­ренном понимании может располагать свои отделения на больших территориях с расстояниями более 1000 км. Один из примеров такого офиса приведен в работе [15], в которой описан проект создания распределенной корпоративной сети, объ­единяющей объекты, находящиеся в России и Швейцарии. На рис. 1.7 представ­лен пример использования Ethernet поверх SDH [16].

1.9. Всемирная сеть Internet

В конце 60-х — начале 70-х годов XX века быстрыми темпами развивалась вы­числительная техника (компьютерные технологии). Востребованные хозяйствен­ной деятельностью на основе использования электронно-вычислительных машин ЭВМ (ныне компьютеров) создавались вычислительные центры, обладавшие либо самостоятельным юридическим статусом, либо входивших в структуры различных ведомств, предприятий и учреждений. На базе компьютеров, использовавшихся предприятиями, создавались внутриобъектовые сети передачи данных (компьютерные сети), переросшие в дальнейшем в локальные и региональные сети передачи данных то, что сегодня называется Ethernet. Эти сети со своими алгоритмами передачи цифровой информации создавали отдельные предприятия или консорциумы. Развитие экономики ставило на повестку дня межведомственный

1.9. Всемирная сеть Internet

Рис. 1.7. ETHERNET поверх SDH

обмен информации, далее — между районами, городами и странами т. е. создание единой сети передачи данных. Такие сети создавались в большинстве технически развитых стран. В Советском Союзе создание общегосударственной системы передачи данных (ОГСПД) являлось одним из приоритетов государственной политики в сфере информации. В работе [I7] отмечается, что такая систе­ма должна обеспечивать связь вычислительных центров между собой, с абонент­скими пунктами и межабонентской связью. Для передачи данных используются, по возможности, существующие сети и создаются новые. Отечественная ОГСПД в начале 80-х годов имела пропускную способность от 9,6 кбит/с до 96 кбит/с. За рубежом наиболее интенсивно компьютерные сети передачи данных развивались в США. Американская компьютерная сеть развилась на основе разработок Агентства передовых проектов национальной безопасности США (United States Defense Advanced Research Project Agency DARPA). По имени этого агентства первая компьютерная внеобъектовая сеть США называлась ARPAnet. В конце 70-х годов началось производство персональных компьютеров (ПК), которые стали покупать не только предприятия, фирмы, офисы, но и частные лица. Стремительное развитие компьютерной технологии, выражавшееся, в частности, в росте быстродействия и объема памяти ПК и увеличении количества пользователей, сделали актуальным решение проблемы резкого увеличения пропускной способности и дально­сти передачи. Выше отмечалось, что развитие сетей передачи данных происходило (и продолжает развиваться по сей день) практически во всех технически развитых странах, т. е. кроме СССР и США, также и в Японии, ФРГ, Великобритании, Франции, Германии и т. д. Эволюция мировых межгосударственных отношений требовала создания международной сети передачи данных. Для этого требовалось дальнейшее повышение пропускной способности и дальности передачи компьютерной сети. Эти задачи успешно решены благодаря совместному использованию компьютерных и волоконно-оптических технологий, на базе которых в конце 80-х годов была создана международная (всемирная) сеть International Network INTERNET. Объем передаваемой информации в этой сети стал нарастать лавино­образно. По данным работы [18], за 10 лет, с 1990 г. по 2000 г. объем информации, передаваемой через Internet, вырос с 1,0 Тбит в месяц до 35 Тбит в месяц и продолжает нарастать, удваиваясь, каждые 3—4 месяца. Развитие Internet было бы невозможным без разработки соответствующих международных правил и стандартов взаимодействия различных межведомственных и межгосударственных компь­ютерных сетей. Поэтому в 1983 году был создан первый международный стандарт ISO7498 (ISO International Organization for Standardization) [19]. В соответствии с этим протоколом, процесс информационного взаимодействия между системами и сетями разбивается на уровни с четко определенными функциями для каждого из них. Это дает возможность передачи информации между узлами сети в виде более простых протоколов, обеспечивать разработку стандартов для каждого отдельного уровня, производить аппаратуру в модульном исполнении. В первых компьютер­ных сетях, когда еще не было Internet, т. е. не существовало международной сети, процесс информационного взаимодействия разбивался на 4 уровня [17]. Современная сеть Internet в соответствии с ISO7498 имеет 7 уровней (или слоев) ин­формационного взаимодействия [19]:

1) Физический уровень (Physical Layer);

2) Канальный уровень (DataLink Layer);

3) Сетевой уровень (Network Layer);

4) Транспортный уровень (Transport Layer);

5) Уровень сессии (Session Layer);

6) Уровень представления (Presentation Layer);

7) Уровень приложения (Application Layer).

С 5 по 7 — это верхние уровни в приведенной иерархии, 4—1 — нижние. В со­ответствии с представленной иерархией уровней строятся алгоритмы (протоколы) взаимодействия между районными, городскими, региональными и международ­ными узлами и сетями связи. К настоящему времени разработано большое коли­чество протоколов Internet, с которыми желающие могут подробнее познакомить­ся в [19]. Здесь же мы назовем только наиболее распространенное семейство про­токолов TCP/IP (Transmission Control Protocol/Internet Protocol). Это семейство протоколов обеспечивает процесс межсетевого взаимодействия. Протокол TCP выполняет следующие функции: доставка информации компьютеру пользователя (абонента), контроль последовательности передаваемой информации, повторная отправка пропущенных пакетов информации в случае сбоев работы сети, разделение длинного сообщения на несколько блоков и отправление этих блоков получа­телю.

Доставка сообщения, составленного из пакетов, по необходимому адресу вы­полняется в соответствии с алгоритмом (правилами) протоколу IP, управляемым протоколом TCP. По протоколу IP осуществляется адресация и маршрутизация трафика пакетов для доставки их адресату. С помощью специальных протоколов, выполняющих функции сопряжения с физической средой распространения цифровых сигналов (в том числе и такой средой, как ВОСП), протокол IP связывает эту среду с TCP. Эти протоколы являются низовыми, и пользователь ими непосредственно не занимается.

Основные службы Internet

Работая с компьютером, пользователь при входе в Internet имеет дело с прото­колами верхних уровней. В этих протоколах содержится информация о функциях и службах (видах услуг), которые интересуют потребителя. В настоящее время в Internet существует большое количество таких функций и служб (сервисов).

Сервис WWW

Из большого количества служб Internet мы рассмотрим только две (более об­стоятельно со всеми аспектами Internet, в том числе с ее разнообразными службами, желающие могут ознакомиться в [19]). Первая из них — сервис WWW — World Wide Web. Этот сервис предназначен для предоставления клиентам инфор­мации в виде текстов, таблиц, рисунков и других видов информации, хранящихся в памяти компьютеров, объединенных в единую сеть. Служба WWW в сети Inter­net представлена высокоуровневым протоколом HTTP — HypText Transfer Proto­col. Это протокол прикладного уровня. По алгоритму (правилам) этого протокола осуществляется доступ к информации, хранящейся в WWW-серверах. Протокол HTTP осуществляет ориентацию в пространстве WWW, опознавание пользователя по требованиям сервера WWW и передает заказанную информацию пользователю.