Содержание

Содержание

Перечень условных обозначений, символов, единиц, сокращений и терминов

Введение

1.  Анализ рынка и применяемых технологий в компьютерных системах связи

2. Структура локальной вычислительной сети с применением атмосферных оптических линий связи, варианты использования оптических линий

3. Структура системы передачи данных с открытым атмосферным каналом

4. Анализ возникающих проблем при использовании систем с открытым атмосферным каналом передачи данных для удаленного доступа

5. Экспериментальная проверка предложенных технических решений

3аключение

Перечень ссылок

 

Перечень условных обозначений, символов, единиц, сокращений и терминов

АОЛС – атмосферная оптическая линия связи.

ПЛИС - программируемая логическая интегральная схема.

FSO – Free Space Optics (то же, что и АОЛС)

 

Введение

В связи с быстрым развитием информационных технологий вопрос простых, дешевых, защищенных систем передачи данных отнюдь не отходит на второстепенный план, а наоборот, приобретает все большую актуальность в связи с ростом количества вычислительной техники, вовлеченной в производственный процесс, увеличением информационного рынка, внедрением систем распределенных вычислений. Системы беспроводной передачи данных имеют ряд преимуществ перед так называемыми системами с закрытым каналом, что обеспечивает их конкурентоспособность на рынке. Среди беспроводных систем для оптических систем передачи данных остается свободное место, ниша, в пределах которой эта технология не имеет, и вряд ли будет иметь конкурентов. Совместно с увеличением распространенности других беспроводных технологий, оптические каналы передачи данных оказываются все более и более востребованными.

Уже сегодня имеются десятки тысяч успешных инсталляций беспроводных оптических линий во всем мире, но их внедрение задерживается тем, что выпускаемые системы направлены на узкий сегмент рынка, и лишь единичные разработки подходят по ценовому критерию для продвижения на рынке  массовых систем передачи данных, например для предоставления услуг домашней сети, для оперативной организации временного удаленного доступа к сети. Целью данной работы является исследование возможностей применения систем с открытым оптическим каналом передачи данных, разработанных на базе легкодоступных и дешевых компонентов, изучения вопроса защищенности таких систем и методов повышения защиты.

 

1. Анализ рынка и применяемых технологий в компьютерных системах связи

Технический базис для построения широкополосных систем оптической связи был создан в 60-е годы XX века, позволив передавать телефизионные и компьютерные сигналы [1,2].

Системы с применением атмосферных оптических линий связи (АОЛС, англоязычный термин – FSO, Free Space Optics) , успешно начавшие коммерчески использоваться с 2000 года, получают все большее распространение. Совершенствуются технологии, растет информационный рынок, расширяется его инфраструктура, и как следствие, повышается спрос на различное беспроводное оборудование. Например, сегодня компания LightPonte, один из признанных лидеров индустрии, ежегодно удваивает обороты и оценивает размеры глобального рынка FSO в 700 млн долл. в 2006 г. и 1,3 млрд – в 2007 г. По данным аналитиков этой компании системы АОЛС находят все более широкое применение в Северной Америке, Европе, России и во множестве других регионов

Согласно исследованиям других аналитиков, самое широкое применение FSO нашли в корпоративном секторе, который приносит отрасли около 65% доходов. Второй по популярности – операторский сектор, а замыкает список рынок решений удаленного доступа с долей дохода, равной одному проценту дохода всего рынка.

Для современных цифровых сетей передачи данных с увеличением количества передаваемой информации, и темпов физического роста сети все острее стоит вопрос выбора наиболее выгодных технологий, используемых для решения той или иной задачи информационного обмена (организации ЛВС, магистрального канала, точки удаленного доступа к сети, проведения мобильной или стационарной телефонной сети).

Сегодня существуют как проводные, так и беспроводные технологии передачи данных. При применении проводных систем, в качестве закрытой среды передачи данных используется медный, или оптико-волоконный кабель, в беспроводных системах открытым каналом выступают радио-эфир, или же атмосферный оптический канал.

Вариант применения дешевых и простых решений с использованием медного проводника в качестве среды передачи можно по праву назвать классическим. Однако современное оборудование для выделенной физической линии на больших расстояниях (при дальности больше двух километров) может обеспечить весьма небольшую скорость передачи данных (до 512 Кбит/с) и имеют ограничение на участок без активного повторителя в несколько десятков километров.

При длине каналов, превышающей километр, и в местах, сильно зашумленных различными помехами, наиболее часто используют волоконно-оптические линии связи (ВОЛС). По сравнению с предыдущими системами, при тех же расстояниях, скорость в десятки и сотни раз больше, максимальная дальность может достигать сотен километров. Однако стоимость прокладки километра волоконно-оптического кабеля в черте города обходится примерно в 20-50 тысяч гривен.

Предельная дальность беспроводных радиоканалов – 100 километров при скорости передачи от 2 до 34 Мбит/с, ограничивается засоренностью как радиоэфира, так и трудностями, связанными с получением лицензии на использование радиоканала, к тому же само радиооборудование является источником сильных помех.

Для атмосферных оптических линий дальность существующих систем связи составляет километры. Длина линий может составлять несколько десятков километров, но устойчивая, и предсказуемая работа обеспечивается уменьшением максимальной дальности, т.е. оставляется запас по мощности передатчика и чувствительности приемника, чтобы справиться с большинством атмосферных помех: песчаных бурь, различных осадков, туманов.

Наиболее распространенными сегодня являются атмосферные оптические линии передачи данных со скоростями от 10 Мбит/с до 1–2,5 Гбит/с и дальностями от 100 м до 4 км.

Существует ряд преимуществ АОЛС перед радиооборудованием при создании соединений типа «точка-точка». Максимальная скорость в несколько гигабит в секунду, отсутствие влияния радиопомех, низкая стоимость на единицу пропускной способности при возможности оперативного развертывания системы (время инсталляции от одного часа), частота появления ошибочных битов, сопроставимая с волоконно-оптическими системами, отсутствие необходимости приобретать лицензию на используемый частотный канал.

Атмосферные оптические линии реализуют двухточечные соединения: данные передаются между двумя оптическими терминалами, в каждом из которых имеются раздельные приемник и передатчик, как правило, с разнесенными оптическими трактами – во избежание возможных помех и переотражений.

Необходимое условие для работы – прямая видимость. Данные передаются направленными встречными пучками модулированного света. Источником света служат полупроводниковые инфракрасные светодиоды  или лазеры. При использовании светодиодов для формирования луча используются оптические системы, обеспечивающие круглую форму сечения луча, но из-за широкой полосы излучения существуют сложности передачи высокоскоростного сигнала. В лазерных системах этот недостаток отсутствует, но при этом увеличивается потенциальная вероятность резонансного поглощения излучения каким-либо атмосферным газом, так же в этом случае приходится, бороться с малыми размерами и параллельностью лучей источника или применять системы динамического наведения [5,6].

Механизмы поглощения света в прозрачной атмосфере во многом аналогичны происходящим в оптоволокне. В атмосфере свет распространяется практически в тех же окнах прозрачности, что и в стекле – 850, 1310 и 1550 нм, что позволяет использовать весьма распространенную элементную базу, применяемую в оптоволоконной оптике и заимствовать большую часть уже разработанных технологий (на создание новых потребовались бы немалые средства – лазеры, фото- и светодиоды, микролинзы, оптические усилители, спектральные маски, голографическая оптика, аттенюаторы и методы спектрального уплотнения каналов).

Более того, в атмосферных оптических линиях используется та же модуляция, что и в оптоволокне, по этой причине в FSO так же можно пользоваться произвольными протоколам передачи данных. Последний факт делает жизнеспособными пассивные оптические терминалы, минимизирующие стоимость выносного блока и о обеспечивающие повышенную защиту данных, но, к сожалению, повышающие стоимость системы в целом.

В общем случае атмосферные беспроводные оптические системы уже содержат активное оборудование, сегодня оно очень дорогое.

Среди фирм, производящих FSO-линии в России, можно назвать петербургский Катарсис и Рязанский МОСТ. Российские производители предлагают решения от 1200 долларов АОЛС  БОКС-10МЛ (50 – 250м, 10Мб/c). Зарубежные системы на порядок дороже. Высокая цена объясняется нацеленностью на рынок операторов связи и создание надежных высокоскоростных магистральных каналов передачи данных, в которых часто используется резервирование использованием гораздо менее скоростного, но более стойкого к погодным катаклизмам, радиоканала. Сложное внутреннее устройство, прецизионные оптика и механика, относительно малые объемы производства определяют цену.

Тем не менее иногда эта завышенная цена экономически оправданна, особенно если включить в расчет стоимость альтернативных решений – прокладку оптоволоконного кабеля, подключение, обслуживание. Затраты на аренду канала или радиочастот могут составлять, при сопоставимой скорости передачи данных, несколько тысяч долларов в месяц.

Между тем простой подсчет – два медиаконвертера общей ценой примерно 150–300 долл. и набор оптики, максимум 200 долл. за комплект, позволяет предположить, что стоимость атмосферной оптической линии без внедрения аппаратной криптозащиты уже сейчас может быть в пределах пятисот долларов. Столь впечатляющий разрыв обусловлен, затратами на разработку и продвижение продукции и все еще относительно небольшими объемами производства.

Поэтому разработка системы, изначально нацеленной на массовый рынок окупится при гораздо более низкой цене отдельных изделий.

В ряде случаев, например, при проведении разового мероприятия, требующего предоставления мобильной и высокоскоростной связи, у FSO просто может не оказаться альтернатив. Тем более, что настройка линии занимает всего несколько часов даже при минимальной подготовке.

Важен вариант применения FSO систем как временного канала, используемого во время прокладки основной линии. Таким образом немаловажен тот факт, что беспроводная оптическая линия может быть перенесена в другое место, например, при смене офиса. Преимущества беспроводных линий в данном случае очевидны [7,8].

Наряду с малым временем инсталляции принципиальным преимуществом атмосферных оптических линий является самодостаточность. Затраты на установку единовременны, лицензионные отчисления и разрешения на использование частот не требуются ни в одной стране мира.

Время службы устройств определяется в основном сроком службы лазера и может достигать 20 и более лет – среднее время наработки на отказ всего устройства имеет сопоставимые величины.

В случае необходимости можно обойтись даже без монтирования оборудования вне здания – оптический терминал можно разместить с внутренней стороны окна, чем повысить скрытность и, следовательно, защищенность канала.

Высокая защищенность (хотя все-таки не полная) от перехвата – еще одна положительная характеристика FSO. Некоторые аналитики сообщают об уровне защиты данных, превышающем реализуемые в оптоволоконных сетях. Что весьма логично, так как канал беспроводной оптическая линия связи просматривается визуально, в отличие от оптоволокна, расположенного в колодцах.

Для правильно расчета дальности работы FSO-линков в том или ином городе недостаточно опираться только на цифры дальности из спецификации производителей оборудования FSO. Необходимо изучение статистики многолетних наблюдений за погодой (дальностью видимости), и уже на основании этих данных понять, каковы предельные дистанции работы атмосферной оптики в данной географической точке. При этом в расчет принимается предельная вероятность работоспособности FSO-линии в зависимости от погоды. Чем выше требуемая вероятность, тем ниже оказывается расчетная длина гарантированной работы FSO-линии.

Кроме сильной зависимости от погодных условий, иным неблагоприятным фактором является недоверия к ОАЛС по причине низкой изученности побочных нюансов их использования, что объясняется новизной применяемой технологии. И потому необходимо использование различные методов повышения надежности АОЛС, в частности использование алгоритмов помехозащищенного кодирования передающихся данных данных, криптографической защиты и т.д.

Можно выделить две сферы применения и соответственно два рынка. Для обеспечения беспроводной связью территориально удаленных участков локальной сети предприятий (так называемых "Enterprise applications") уровень вероятности принимается за 99%. Рынок конечных клиентов - это тот сегмент, где число установленных FSO-линий наиболее высоко.

Для построения магистральных атмосферно-оптических линий уровень вероятности принимается как 99.999% (так называемые “5 девяток”). Повышенный уровень вероятности связан с тем, что магистральные FSO-линии (обычно это линии пропускной способностью 1.25 Гбит и выше) обслуживают множество клиентов, и должны сохранять работоспособность при практически любой погоде.

Экспериментальные данные, которые публично доступны на сайтах исследовательских организаций и фирм-производителей FSO-линий позволяют дать примерные оценки пределам работы линий в заваисимости от погодных условий. В общем случае, ослабление в атмосфере колеблется от 0.2 dB/km в исключительно ясную погоду до 350 dB/km при очень сильном тумане. Другие цифры, характеризующие ослабление сигенала в атмосфере для FSO-линий следующие: очень сильный туман 350 dB/km, плотный туман 310 dB/km, обычный туман 200 dB/km, снегопад 150 dB/km, ливень 45 dB/km. Таким образом, для того, чтобы FSO-линия была работоспособна в тумане, приходится чрезмерно сокращать расчетную дистанцию, вплоть до расстояний, не превышающих 100м.

Мировая практика показывает, что наиболее эффективным ("цена/качество") решением резервирования FSO-линий является установка параллельной гораздо более низкоскоростной радиолинии, работающей в диапазоне миллиметровых волн. Доказательством такого заключение является бюллетень FCC №70 "Rain Attenuation" [5,9-11]. Согласно приведенным там графикам, наибольшее затухание в дожде для частот 40-100ГГц находится в пределах 50dB/км.

Объединяя радио- и  атмосферно-оптические линии, можно достичь очень высокой устойчивости такого беспроводного канала к погоде. Однако она многократно удорожает систему и не является востребованной на массовом рынке конечных клиентов, который и исследуется в данной работой.