Была версия, что в будущем TDM может уступить место ATM (хотя данная технология внедрялась крайне медленно, а на сегодняшний день развитие ATM полностью прекращено^[1][2]); более реалистичным представляется, что TDMможет уступить место IP; но на сегодня TDM — это преобладающая технология местного доступа.

TDM и пакетная передача данных

В своей первичной форме TDM используется для коммуникационных схем, использующих постоянное число каналов и постоянную пропускную способность в каждом из каналов.

Главное отличие мультиплексирования с разделением во времени от статистического мультиплексирования, такого как пакетное мультиплексирование, это то, что таймслоты в нем следуют в заданном, периодически повторяющемся порядке, в отличие от пакетной обработки (по мере поступления пакетов). Статистическое мультиплексирование похоже, но не должно быть рассматриваемо как мультиплексирование с подразделением времени.

В динамическом TDMAccess алгоритм планирования динамически резервирует переменное число временных интервалов для организации динамического изменения пропускной способности, основанным на требованиях к трафику каждого потока данных. Динамический TDMA используется в:

• IEEE 802.11;

• IEEE 802.16a.

[править]Передача с использованием TDM

В сетях с коммутируемыми каналами связи, таких как, например, городские общественные телефонные сети, существует необходимость передавать одновременно множество звонков разных абонентов в одной среде передачи. Для реализации этой задачи можно использовать TDM. Стандартный голосовой сигнал(DS0) использует 64 кбит/сек. TDM берет фреймы голосового сигнала и мультиплексирует их в TDM-фреймы, которые передаются с большей пропускной способностью. Таким образом, если TDM-фрейм содержит n голосовых фреймов, то пропускная способность будет n*64 кбит/сек.

Каждый голосовой таймслот в TDM-фрейме называется каналом. В европейских системах TDM-фрейм состоит из 30-и цифровых голосовых каналов, в Американском стандарте их 24. Оба эти стандарта включают в себя битовые таймслоты для сигнализации (см.: ОКС-7) и синхронизационные биты.

Мультиплексирование более чем 30-ти и 24-х цифровых голосовых канала называется мультиплексирование высшего порядка, который может быть достигнут посредством мультиплексирования стандартных TDM-фреймов. Например, европейский 120-канальный TDM-фрейм формируется с помощью мультиплексирования четырех 30-канальных TDM-фреймов. При каждом мультиплексировании более высокого порядка комбинируются 4 фрейма предыдущего порядка, созданных мультиплексированием n*64 кбит/сек, где n = 120, 480, 1920 и т. д.

ции до 155 Мбит/с. В компьютерных и телефонных сетях лазерная связь обеспечиен информацией в режиме полного дуплекса. Для приложений, не требующих высоко 50. Интеграция Ethernet технологий на базе оптических сетей

51. Различие между коммутатором и маршрутизатором

Сетевой коммутатор (жарг. свич, свитч от англ. switch — переключатель) — устройство, предназначенное для соединения нескольких узлов компьютерной сети в пределах одного или нескольких сегментов сети. В отличие отконцентратора, который распространяет трафик от одного подключенного устройства ко всем остальным, коммутатор передаёт данные только непосредственно получателю, исключение составляет широковещательный трафик (на MAC-адресFF:FF:FF:FF:FF:FF) всем узлам сети. Это повышает производительность и безопасность сети, избавляя остальные сегменты сети от необходимости (и возможности) обрабатывать данные, которые им не предназначались.

Коммутатор работает на канальном (2) уровне модели OSI и потому в общем случае может только объединять узлы одной сети по их MAC-адресам. Коммутаторы были разработаны с использованием мостовых технологий и часто рассматриваются как многопортовые мосты. Для соединения нескольких сетей на основе сетевого уровня служат маршрутизаторы.

Коммутатор хранит в памяти таблицу коммутации (хранящуюся в ассоциативной памяти), в которой указывается соответствие MAC-адреса узла порту коммутатора. При включении коммутатора эта таблица пуста, и он работает в режиме обучения. В этом режиме поступающие на какой-либо порт данные передаются на все остальные порты коммутатора. При этом коммутатор анализирует кадры (фреймы) и, определив MAC-адрес хоста-отправителя, заносит его в таблицу. Впоследствии, если на один из портов коммутатора поступит кадр, предназначенный для хоста, MAC-адрес которого уже есть в таблице, то этот кадр будет передан только через порт, указанный в таблице. Если MAC-адрес хоста-получателя не ассоциирован с каким-либо портом коммутатора, то кадр будет отправлен на все порты. Со временем коммутатор строит полную таблицу для всех своих портов, и в результате трафик локализуется. Стоит отметить малую латентность (задержку) и высокую скорость пересылки на каждом порту интерфейса.

Коммутаторы работают таким же образом, как и концентраторы, но при этом могут определить место назначения полученных данных, поэтому передают их только тем компьютерам, которым эти данные предназначаются. Коммутаторы могут получать и передавать данные одновременно, поэтому они работают быстрее концентраторов. Если в домашней сети насчитывается четыре и более компьютера или требуется использовать сеть для действий, предполагающих обмен большими объемами информации между компьютерами (например, для участия в сетевых играх или совместного прослушивания музыки), возможно, следует выбрать коммутатор вместо концентратора. Коммутаторы стоят немного дороже концентраторов.

Маршрутиза́тор (проф. жарг. ра́утер (от англ. router /ˈɹu:tə(ɹ)/ или /ˈɹaʊtəɹ/^[1], /ˈɹaʊtɚ/) или ро́утер (прочтение слова англ. router как транслитерированного)) — сетевое устройство, пересылающее пакеты данных между различными сегментами сети и принимающее решения на основании информации о топологии сети и определённых правил, заданных администратором.

Маршрутизаторы делятся на программные и аппаратные. Маршрутизатор работает на более высоком «сетевом» уровне 3 сетевой модели OSI, нежели коммутатор и сетевой мост.

бычно маршрутизатор использует адрес получателя, указанный в пакетах данных, и определяет по таблице маршрутизации путь, по которому следует передать данные. Если в таблице маршрутизации для адреса нет описанного маршрута, пакет отбрасывается.

Существуют и другие способы определения маршрута пересылки пакетов, когда, например, используется адрес отправителя, используемые протоколы верхних уровней и другая информация, содержащаяся в заголовках пакетов сетевого уровня. Нередко маршрутизаторы могут осуществлять трансляцию адресов отправителя и получателя, фильтрацию транзитного потока данных на основе определённых правил с целью ограничения доступа, шифрование/дешифрование передаваемых данных и т. д.

Маршрутизаторы позволяют компьютерам обмениваться данными как в текущей сети, так и между двумя отдельными сетями, например между домашней сетью и Интернетом. Маршрутизаторы получили свое название благодаря возможности направлять сетевой трафик по определенному маршруту. Маршрутизаторы могут быть проводными (с использованием Ethernet-кабелей) или беспроводными. Если требуется просто соединить компьютеры, концентраторы и коммутаторы будут идеальным решением. Однако если необходимо предоставить всем компьютерам доступ к Интернету с помощью одного модема, используйте маршрутизатор или модем со встроенным маршрутизатором. Кроме того, маршрутизаторы обычно содержат встроенные компоненты обеспечения безопасности, например брандмауэр. Маршрутизаторы стоят дороже, чем концентраторы или коммутаторы.

53.

Линейные эффекты

Наиболее распространенным линейным эффектом пока является затухание — ослаб­ление сигналов при их распространении вдоль оптического кабеля. Чтобы понять важ­ность учета затухания при разработке волоконно-оптических кабелей, давайте вновь вернемся к рис. 3.9. Обратите внимание на очень высокое затухание в области первого волнового диапазона и значительно более низкий его уровень в области высших диапа­зонов. Такое поведение затухания заставило производителей волоконно-оптических кабелей начать поиск иных, кроме многомодовых кабелей, средств передачи сигналов в области нижних уровней ослабления сигнала.

Большая величина затухания при меньших длинах волн обусловлена, главным обра­зом, явлением, называемым рэлеевским рассеянием (по имени английского физика лорда Рэлея (Rayleigh)), и в меньшей степени — поглощением световых волн. Для выражения результатов измерений в обоих случаях используются децибелы.

При столкновении фотонов с атомами высвобождаются дополнительные фотоны, порождающие световое излучение. Этому сопутствуют два других эффекта. Часть све­товой энергии поглощается, а часть — рассеивается (см. рис. 4.5).

Когда на пути света встречаются частицы, диаметр которых меньше длины световых волн, они направляют часть света в других направлениях. Причиной этого эффекта в оптических волокнах являются незначительные вариации плотности стекла, возникаю­щие в процессе его охлаждения.

Нежелательные последствия рассеяния сильнее всего проявляются при коротких длинах волн. Так происходит потому, что рэлеевское рассеяние является функцией раз­меров рассеивающего объекта, отнесенных к длине волны, и именно по этой причине оптическая связь ограничивается длинами волн свыше 800 нм. Эффективной связи на более коротких длинах волн препятствует рассеяние.

Рассеяние — не единственное явление, происходящее в рассматриваемых условиях. Наша способность различать цвета объясняется другим явлением — поглощением, а так­же, заходя немного далее, отражением света объектами. Количество поглощаемого све­та определяется свойствами конкретного вещества и длиной световой волны. Обычное стекло поглощает сравнительно мало света и потому кажется прозрачным. Решающим шагом в развитии производства кремнеземов высокой чистоты, идущих на изготовле­ние оптоволоконных кабелей, было исключение из них некоторых примесей, которые приводили к повышению степени поглощения.

Рэлеевское рассеяние

КОММЕНТАРИИ ДОКТОРА ЧОКА ПО ПОВОДУ ~ ПОГЛОЩАТЕЛЬНОЙ СПОСОБНОСТИ ОБЪЕКТОВ

Все объекты поглощают свет, но как рассчитать степень поглощения? Если на свет влияет только поглощение, используйте следующее уравнение:

(1 - .

где;

а — доля света, поглощаемая единицей длины волоконно-оптического кабеля, Р — длина кабеля.

Итак, если степень поглощения кабеля составляет 0,5 %, то доля света, продолжающего распространяться после прохождения 1 м (100 см) должна составлять:(1 - 0.005)¹⁰⁰ = 61 %.

Децибелы - что это такое?

Совокупный эффект поглощения и рассеяния определяет суммарные потери, или ослабление, светового потока и выражается в децибелах. Децибелы (дБ) — специфичес­кие единицы измерения, поскольку они выражают величину эффекта лишь косвенным образом. Потери величиной 5 дБ означают, что от первоначальной мощности остается немногим более 32 %, а потери в 10 дБ — только 10 % (см. таблицу

54, 55. Типы волоконно-оптических кабелей

Игру, которая выпадает на долю оптики в волоконно-оптических кабелях, можно было бы назвать «Передай сигнал подальше без потери четкости световых импульсов». Возникающие при этом трудности носят двоякий характер. Во-первых, в силу целого ряда причин сигналы при их прохождении вдоль волокон ослабляются или искажаются. Во-вторых, высококачественные компоненты, необходимые для соединения волокон не­большого диаметра, обладающих улучшенными характеристиками, дороги. Влияние этих факторов привело к появлению двух основных типов оптических кабелей — многомо-довых и одномодовых, а также нескольких их подтипов. Каждый из них подчиняется различным стандартам, устанавливающим диапазоны изменения переменных величин (для получения более подробной информации обратитесь к Приложению).

В корпоративных сетях главным образом используются многомодовые волоконно- оптические кабели. Для этих кабелей характерен относительно большой диаметр цент­ральной жилы (50 или 62,5 мкм), и они могут применяться на расстояниях примерно до одного километра. Увеличенный диаметр светопроводящей жилы позволяет импульсам использовать множество путей, или мод, для распространения по волоконно-оптичес- кому кабелю (см. рис. 4.3). Существует два типа многомодовых оптоволоконных кабе­лей, характеризуемых, соответственно, ступенчатым или плавным профилями показа­теля преломления. В оптоволоконных кабелях со ступенчатым профилем показателя преломления значение Ш одинаково по всему диаметру центральной жилы, и они в настоящее время редко используются. Оптоволоконные кабели с градиентным профи­лем показателя преломления обеспечивают передачу сигналов на значительно большие расстояния за счет того, что значение Ы в них плавно увеличивается при перемещении по диаметру центральной жилы от ее края к центру, где достигает максимума, а затем вновь плавно уменьшается при приближении к периметру кабеля (см. рис. 4.4).

РИСУНОК 4.3

Большие размеры центральной жилы многомодового волоконно-оптического кабеля допускают существование множества световых траекторий, называемых модами, по которым свет может распространяться вдоль волокна.

РИСУНОК 4.4

В отличие от волоконно-оптических кабелей со ступенчатым профилем показателя преломления, значения Ш в кабелях с градиентным профилем при приближении к центру увеличиваются, что позволяет лучам различных мод одновременно прибывать в конечную точку.

КОММЕНТАРИИ ДОКТОРА ЧОКА ПО ПОВОДУ ... ГРАНИЧНОЙ ДЛИНЫ ВОЛНЫ

При определенной длине волны, называемой граничной длиной вол- (cut-off wavelength), оптические волокна становятся одномодовыми. Волны с меньшей

длиной волны распространяются в режиме многомодовой передачи. Для определения точки перехода волокна в одномодовый режим используется следующее уравнение:

7Ю\ п² - п²

1 1

2.4

где:

X — длина волны (произносится «лямбда») О — диаметр волокна

п_о — показатель преломления (1*1) центральной жилы п,— показатель преломления (1*1) плакировки

Предположим, что диаметр центральной жилы оптического волокна составляет 8 мкм, значение 1*1 для плакировки — 1,485 и для центральной жилы - 1,5; тогда формула приоб­ретает вид:

_х= _7С8Х10³\| 1.5² — 1.485²

2.4

в результате чего для граничной длины волны получаем значение 1281 нанометра. Лю­бые волны, длина которых в данном кабеле составляет менее 1281 нанометра, будут передаваться в режиме многомодовой передачи.

В сетях общего пользования используются одномодовые волоконно-оптические ка­бели. Центральные жилы этих кабелей имеют намного меньший диаметр (6-8 мкм), что ограничивает число возможных мод при данной длине волны, благодаря чему обеспе­чивается-намного большая дальность связи, достигающая 50 км.

При сужении центральной светопроводящей жилы кабеля часть энергетических им­пульсов начинает распространяться не только по ней, но и по плакировке. Поэтому, когда речь заходит об одномодовых волоконно-оптических кабелях, понятие диаметра центральной жилы становится неоднозначным. Вместо этого производители использу­ют понятие «диаметра поля моды» (mode field diameter), которое относится не только к центральной жиле оптического кабеля, но и к части плакировки, выход за пределы ко­торой приводит к ухудшению рабочих характеристик кабеля. Поскольку эту величину трудно строго определить, упоминаемые разными производителями значения диаметра поля моды могут отличаться друг от друга. Типичное значение модового диаметра поля для длины волны 1550 нм составляет 9,2-10 мкм.

Одномодовые волоконно-оптические кабели делятся на два широких класса — во­локно с несмещенной дисперсией (non-dispersion shifted fibers — NDSF) и волокно со смещенной дисперсией (dispersion shifted fibers — DSF). Для повышения дально­сти передачи данных кабели NDSF, или стандартные одномодовые кабели, имеют сту­пенчатый профиль показателя преломления центральной светопроводящей жилы. В ка­белях DSF характеристики волокна изменяются таким образом, чтобы можно было воспользоваться определенными его свойствами, уменьшающими ослабление сигна­лов. В кабелях со смещенной нулевой дисперсией (zero-dispersion-shifted fibers — ZDSF) показатель преломления RI изменяется таким образом, чтобы исключить дисперсию сигнала. В кабелях со смещенной ненулевой дисперсией (non- zero-dispersion-shifted fibers — NZDSF) вводится номинальная степень дисперсии, обеспечивающая возмож­ность реализовать плотное волновое мультиплексирование (плотное мультиплекси­рование по длине волны) (dense wave-division multiplexing — DWDM), с лучшими из усилителей — оптический усилитель на волокне, легированном эрбием (erbium-doped fiber amplifiers — EDFA). Были также разработаны специальные виды одномодовых волоконно-оптических кабелей, предназначенные для компенсации специфических дисперсионных эффектов, возникающих в одномодовых волокнах. Противодисперси- онные (dispersion-limiting) кабели используются для борьбы с хроматической диспер­сией. В поляризационных (polarization) кабелях показатель преломления RI изменяет­ся таким образом, чтобы обеспечивалась компенсация еще одного нежелательного дисперсионного эффекта, называемого поляризационной модовой дисперсией (polarization mode dispersion — PMD). Явление PMD будет рассмотрено более подроб­но далее в этой главе.

56. Существует три основных модели, в рамках которых определяются используемые форматы адресации и способ функционирования упомянутого «почтальона». Самым простым для понимания является, пожалуй, мультиплексирование с разделением длин волн (wave-division multiplexing — WDM), которое также называют мультиплексирова­нием с разделением частот (frequency-division multiplexing), применяемое в мире анало­говой связи. В модели WDM сеть рассматривается как последовательность двухточеч­ных соединений, и передача по ней различных сигналов осуществляется с использованием различных длин волн. Эти сигналы попадают в мультиплексор с разде­лением волн или частот, в котором они смешиваются и все вместе направляются по единственному кабелю (см. рис. 2.8).

Если провести аналогию, то WDM напоминает ситуацию, в которой к каждому дому приписан отдельный почтальон, — эффективно, но очень дорого, и кроме того при боль­шом количестве почтальонов интенсивность их движения возрастет и они будут препят­ствовать друг другу. То же самое происходит и в сети WDM. Доступным для сети ока­зывается лишь некоторое число каналов, при превышении которого они начнут создавать взаимные помехи.

Четырехволновое смешение

По мере того как провайдеры стали переходить к использованию механизмов EDFA и DWDM, еще одно явление привлекло к себе внимание и, в конечном счете, привело к отказу от использования кабелей ZDF в сетях общего пользования — четырехволновое смешение (four-wave mixing). И EDFA, и DWDM — оба используют третий диапазон передачи. В EDFA сигнал усиливается невзирая на шум или иные факторы, создающие помехи, а оборудование DWDM разделяет линию на несколько узких каналов, отделен­ных друг от друга участками полосы пропускания фиксированной ширины. Данные передаются по каждому из этих подканалов, в результате чего производительность ли­нии увеличивается.

Проблема состоит в том, что в результате комбинирования двух или трех сигналов может создаваться третья или даже четвертая волна (отсюда и название). В тех случаях, когда каналы отделены друг от друга эквидистантными частотными интервалами, эта новая волна вызывает перекрестные помехи, «садясь» на существующий канал. Если же промежутки, отделяющие каналы друг от друга, имеют разную ширину, то четырехвол­новое смешение вызывает появление шумов между каналами.Как это ни парадоксально, избавиться от этой проблемы можно с помощью хрома­тической дисперсии. На выходе лазеров, используемых в одномодовых системах пере­дачи данных, получается когерентное световое излучение, в котором сигналы находят­ся в фазе по отношению друг к другу. Поэтому, когда сигналы распространяются вдоль волоконно-оптического кабеля и в конечном счете комбинируют между собой, они об­разуют новую волну. Этому эффекту противодействует дисперсия, обеспечивающая ус­ловия, при которых согласованность фаз сигналов не может сохраняться после прохож­дения ими больших расстояний. Применительно к волоконно-оптическим кабелям ZDF проблема усугубляется тем, что в этом случае предприняты меры к устранению диспер­сии как раз в тех диапазонах, в которых работают DWDM и EDFA. Именно в связи с рассматриваемой проблемой и появились кабели NZDF, допускающие наличие умерен­ного проявления дисперсии в оптоволоконном кабеле.

57. Хотя методы оптической коммутации являются довольно новыми, сама идея комму­тации довольно стара и базовая архитектура для проектирования систем коммутации в основном осталась неизменной. Простейшими коммутаторами являются оптические кросс-соединители (optical crossconnects — ОХС), которые получают данные на один входной порт и коммутирует их на два или более выходных порта.

Существует два типа кросс-соединителей, или, выражаясь техническим языком, про­странственных (space-division) коммутаторов: транспозиционные (permutation) и обще­го типа (generalized). Транспозиционные коммутаторы состоят из соединений типа «один- один» между различными портами. Соединения типа «один-множество» невозможны; полное число соединений определяется суммарным количеством попарных комбинаций конечных точек, отсюда и название коммутаторов этой категории — транспозиционные (см. рис. 6.3).

Выходные порты С D Е F

РИСУНОК 6.3

В транспозиционных коммутаторах допустимы лишь соединения типа «один-один».

Выходные порты ABCDEFGH

					► ' j i	i |
					*— ♦ ^1 j i
					► + i
					T
		—н	} i	Ь—	►—Ф-—<
			> ? ^1 1 5 !		:

РИСУНОК 6.4

В коммутаторах общего типа возможен любой тип соединения: «один-один» (8-Н), «один- множество» (3-А, В, D и С) и «множество-один» (5 и 6-Е).

В то же время, коммутаторы общего типа могут соединять один входной порт с мно­жеством выходных или же множество входных портов с одним выходным. В результате число различных возможных вариантов соединения увеличивается (см. рис. 6.4). Даль­нейшим шагом являются специальные коммутаторы, называемые линейными делителя­ми-объединителями (linear divider-combiner — LDC), которые позволяют телефонным компаниям распределять входную мощность между выходными портами для обеспече­ния улучшенных характеристик затухания.

КОММЕНТАРИИ ДОКТОРА ЧОКА ПО ПОВОДУ ... КОММУТАТОРОВ

Интересно ли вам узнать, какое полное число различных вариантов со­единений позволяют обеспечивать транспозиционные коммутаторы и коммутаторы общего типа. Определить это число довольно легко. Количество соединений, которые способен поддерживать транспозиционный коммутатор с конфигурацией портов лхл, выражается факториальной функцией: л!. Это является следствием того, что транспозиционные ком­мутаторы поддерживают лишь соединения типа «один-один». Поэтому для коммутаторов с конфигурацией 8x8 портов всего получаем 8x7x6x5x4x3x2x1 или 40320 различных соединений.

Вам кажется, что это много? Тогда что вы скажете о коммутаторах общего типа! По­скольку в этом случае допускаются соединения типа «один-множество» и «множество- один», то полное возможное количество соединений оказывается гораздо большим. Для коммутатора с числом входных и выходных портов равным, соответственно, л и у коли­чество состояний соединения выражается формулой: 2^пу, что в нашем конкретном слу­чае, для которого л = у = 8, составляет 18446744073709551616.Кроме того, коммутаторы общего типа и LDC могут не выпускать сигнал наружу, тогда как в случае транспозиционных коммутаторов это невозможно. Это означает, что сети, включающие в себя транспозиционные коммутаторы, могут быть очень запутан­ными, и возможность образования вследствие этого непреднамеренных соединений может доставить много головной боли. Например, в случае сетей WDM для некоторых волновых каналов замкнутые маршруты могут образовывать кольца. Во многих сетях WDM используются усилители, и эти усилители являются источником шумов, хотя эти шумы и небольшие. В случае образования колец шумы накапливаются и очень быстро нарастают, интерферируя с другими волновыми каналами или отбирая от них мощность.

Основные конструкционные типы коммутаторов

При создании оптических коммутаторов применяют два подхода. Для более просто­го из них характерно использование координатных (матричных) коммутаторов, пред­ставленных на рис. 6.3 и 6.4. Линии входных и выходных портов, пересекаясь друг с другом, образуют своего рода сетку. В случае электронных переключателей перемычки могут быть выполнены в виде печатных схем с использованием электронных вентилей. В основе оптических коммутаторов лежит та же идея, только вместо электронных вен­тилей используются оптические ответвители (optical couplers). Управляя положением этих ответвителей, удается соединять между собой различные порты.

В случае координатных коммутаторов наибольшие сложности связаны с наличием большого числа точек пересечения. Для коммутаторов, рассчитанных на 100 входных и 100 выходных портов (не столь уж необычная для центральной части сети ситуация), результирующее число пересечений составляет 100² или 10000. Для каждого из этих пе­ресечений требуется делитель (splitter) или объединитель (combiner), что увеличивает стоимость системы.

Все это является достаточно хорошим основанием для использования координатных коммутаторов небольшой емкости в качестве конструкционных элементов при разра­ботке коммутаторов увеличенной емкости. В случае коммутаторов подобного конструк­ционного типа, называемого архитектурой Клоза (Clos architecture), имеется три яруса соединений. Входные порты подключены к одному набору координатных коммутато­ров, а выходные — к другому, и оба набора подключены к третьему (см. рис. 6.5).

РИСУНОК 6.6

Пример рекурсивного соединения в коммутаторе Бенеша.

В случае транспозиционных коммутаторов конструкция Клоза может быть введена в коммутационную структуру Бенеша (Benes switch fabric), в которой для обеспечения произвольных комбинаций используются коммутаторы конфигурации 2 х 2. В общих чертах, идея заключается в том, чтобы одна половина портов любого из промежуточ­ных коммутаторов, расположенная с одной стороны коммутатора, играла роль входных портов, а вторая, расположенная с другой стороны, — выходных (см. рис. 6.6).

Промежуточные коммутаторы в свою очередь могут быть разбиты на две группы и так далее до тех пор, пока вся схема не будет представлена соединителями 2x2 (см. рис. 6.7). Несмотря на то что архитектура Бенеша близка к оптимальной в отношении использования аппаратных средств, разработчики коммутаторов предпочитают исполь­зовать коммутирующие элементы большей чем 2x2 размерности, иначе с определен­ного момента начинают возникать сложности с масштабированием.

Коммутаторы LDC и коммутаторы общего типа используют сходные архитектуры. Коммутаторы общего типа используют координатную схему, но число коммутирующих элементов в них больше. Так происходит потому, что они могут поддерживать более сложные соединения, чем «один-один». В то же время, координатным коммутаторам свойственно ослабление сигналов, происходящее на каждой из стадий двухстадийного процесса разделения и объединения сигналов. В LDC с этой проблемой удается спра­виться за счет введения энергетически управляемого разделения и объединения (power- dividing and power-combining) сигналов.

Блокировать иль не блокировать ...

Производители коммутаторов часто приводят характеристики блокирования выпус­каемых ими изделий. То, что при этом имеется в виду, легко понять, если представить себе двухплечевой механический коммутатор старого образца, который соединяет пор­ты, расположенные по обе стороны устройства. Любой порт может сообщаться с любым другим портом, но, в зависимости от скорости работы коммутирующего элемента, мо­жет оказаться так, что некоторые соединения не удастся организовать, и они окажутся блокированными (см. рис. 6.8).

РИСУНОК 6.7

Коммутатор Бенеша с конфигурацией портов 8x8.

Существует три категории неблокирующих коммутаторов, которые различаются сте­пенью сложности аппаратной части, легкостью управления и влиянием, оказываемым ими на само соединение. В перестраиваемых неблокирующих коммутаторах (rearrangeably nonblocking switches) имеющиеся соединения при необходимости перемещаются, чтобы сделать возможным создание нового соединения. Коммутаторы N х N относятся к чис­лу перестраиваемых неблокирующих коммутаторов. Определение маршрута по комму­тационной матрице с помощью необходимых логических схем не всегда просто осуще­ствить. Для организации нового соединения может потребоваться прервать некоторые из существующих соединений. Вследствие этого аппаратная часть подобных коммута­торов является сравнительно простой, но сложность управления — весьма высокой, а воздействие на соединения — значительным.

РИСУНОК 6.8

Свойства блокирования характеризуют возможности коммутатора в обеспечении соединений одновременно для всех портов. Так, представленный на рисунке координатный коммутатор старого образца может обеспечивать в каждый момент времени только одно соединение.

Неблокирующие коммутаторы в широком смысле, такие как коммутаторы с архитек­турой наподобие архитектуры Клоза, позволяют избежать переустановки существующих соединений, но лишь в том случае, если для маршрутизации новых соединений приме­няются корректные правила. Реализация этих сложных дополнительных функций и ал­горитмов маршрутизации требует наличия дополнительного оборудования, но не затра­гивает существующие соединения.

Неблокирующие коммутаторы в строгом смысле, такие как коммутаторы с архитек­турой Клоза и Бенеша, позволяют избежать использования сложного оборудования для перестройки существующих соединений и маршрутизации нового соединения. Для но­вых соединений может быть использован любой свободный маршрут. Однако платой за это является увеличение общего количества оборудования по сравнению с тем, которое должно использоваться в коммутаторах предыдущего типа.

Таблица 6,1 Достоинства неблокирующих коммутаторов

Тип	Стоимость оборудования	Сложность алгоритма соединения	Степень воздействия на существующие соединения
Перестраиваемые	Низкая	Высокая	Высокая
Неблокирующие в широком смысле	Средняя	Высокая	Низкая
Неблокирующие в строгом смысле	Высокая	Низкая	Низкая

Для каждого из описанных подходов имеется свой круг задач. В случае сетей, требу­ющих установления и разрыва многочисленных соединений, как это имеет место в цен­тральной части общегородских сетей, использование перестраиваемых архитектур, а также неблокирующих архитектур в широком понимании этого термина сопряжено с резким ростом объема сложных вычислений. В тех же случаях, когда число используе­мых соединений невелико, как, например, в случае междугородней связи, применение этих архитектур может стать вполне распространенной практикой.

58. Любая из столь захватывающих и удивительных современных технологий может быть использована в наши дни для создания оптических коммутирующих элементов. В то же время, основная идея остается неизменной: как добиться того, чтобы в результате при­ложения энергии в той или иной ее форме световой сигнал можно было заставить рас­пространяться в нужном направлении. К подобного рода технологиям относятся: микроэлектромеханические системы (microelectromechanical systems — MEMS), оптоме- ханические, термооптические, пузырьковые, жидкокристаллические и акустооптичские коммутаторы, а также электрически коммутируемые решетки Брэгга. Каждая из них будет рассмотрена нами по отдельности.

58 .MEMS

Представьте себе огромное зеркальное ателье размером со складское помещение, заполненное сотнями, если не тысячами зеркал. Вы входите в ателье, и ваше изображе­ние моментально проецируется на зеркала, расположенные на другом конце ателье.

В MEMS-коммутаторах реализован примерно тот же принцип работы, только в на­много меньших масштабах. При использовании технологии MEMS на одной подложке размещаются сотни миниатюрных зеркал, которые могут переориентироваться в тече­ние нескольких миллисекунд. Оптические сигналы, ударяющиеся в эти зеркала, отра­жаются от них и направляются в соответствующий выходной порт.

MEMS-коммутаторы выпускаются в двух-, трех- и четырехплоскостном вариантах исполнения. В двухплоскостных MIMS-коммутаторах зеркала могут резко подниматься и'опускаться (см. рис. 6.9). В трехплоскостных коммутаторах свет может направляться в трех различных направлениях, а в четырехплоскостных свет может коммутироваться между портами, расположенными со всех четырех сторон.

Плоскость 3

Плоскость 2

Плоскость 1

Четырехплоскостная конфигурация

обеспечивает коммутацию между портами плоскостей 1 и 2, а кроме того, когда зеркала не активизированы, позволяет сигналам распространяться между портами плоскостей 2 и 3, а также 1 и 4.

, _с Плоскость4

Плоскость 2

Плоскость 1

Двухплоскостная конфигурация

обеспечивает коммутацию между портами плоскостей 1 и 2.

Плоскость 1

Трехплоскостная конфигурация

обеспечивает коммутацию между портами плоскостей 1 и 2, а также, когда зеркала не активизированы, позволяет сигналам распространяться между портами плоскостей 2 и 3.

РИСУНОК 6.9

Примерные конфигурации MEMS (публикуется с любезного разрешения компании ОММ Inc., Сан- Диего, Калифорния).

В случае коммутаторов рассматриваемого типа имеются определенные сложности, о которых следует знать. Возможно, наибольшей из них является проблема долгосрочной надежности. Никогда нельзя быть уверенным в том, как только выдержат отдельные зер­кала до того, как наступит их износ и они потеряют способность к точному позициони­рованию.

Много хлопот доставляет также потеря мощности сигналов. Для MEMS характерны потери величиной в несколько децибел при прохождении сигнала через коммутатор. Чтобы вы могли почувствовать порядок этой величины, заметим, что потерям на уровне пятидецибел соответствует мощность сигнала, составляющая 32 % от первоначальной. В отно­шении последних разработок MEMS утверждается, что удалось создать устройства, харак­теризующиеся значительно меньшими потерями величиной порядка 1 и менее децибел.

Наконец, пока не удается обеспечить высокую плотность портов. Хотя и существу­ют коммутаторы с конфигурацией свыше 16 х 16 портов, достигается это за счет ухуд­шения надежности. Сложной задачей остается также управление углом отражения сиг­нала — эта технология все еще находится в стадии разработки.

59,60,61,62,63. Оптомеханические коммутаторы

В одном из подходов, напоминающем технологию MEMS, для переадресации сиг­налов из одного порта в другой используется подвижный отрезок волоконно-оптичес- кого кабеля. Для фокусировки сигнала на каком-то определенном выходном порте в коммутаторах этого типа, называемых оптомеханическими коммутаторами, применяет­ся механический ползунок, который перемещает отрезок волоконно-оптического кабе­ля или иного аналогичного компонента. Зафиксировав этот компонент в нужном поло­жении, можно направлять свет из входных портов в выходные (см. рис. 6.10).

Несмотря на простоту самой идеи, ее использование для создания оптомеханичес- ких коммутаторов предъявляет высокие требования к производственному процессу. Передвижение коммутирующих компонентов должно контролироваться с высокой точ­ностью. Даже незначительные отклонения сигнала от нужного направления могут при­вести к нарушениям нормального режима работы.

И все же оптомеханические методы коммутации находят широкое применение, по­скольку их проще всего реализовать. Часто они используются в тех случаях, когда осу­ществлять коммутацию приходится не очень часто, например, с целью организации обхода сбойных компонентов. Этот тип оптической коммутационной технологии при­меняется также в некоторых видах испытательного оборудования.

— I— ■■		1 •	1	1
I	• • •		1 • • •	Г
I 1 I 1

РИСУНОК 6.10

Оптомеханический коммутатор.

Электрооптические и термооптические коммутаторы

Применение электрооптического эффекта позволило поставщикам компонентов со­здать быстродействующие, хотя и допускающие лишь небольшое количество портов, коммутаторы. Суть электрооптического эффекта состоит в том, что при изменении на­пряженности приложенного электрического поля показатель преломления (Ы) некото­рых материалов также изменяется, причем эти изменения воздействуют на скорость

5 Зыс.774 распространения света почти немедленно. Поскольку скорость света в веществе равна скорости света в вакууме, деленной на RI, увеличение RI приводит к уменьшению ско­рости света, а уменьшение R1 — к увеличению.

Электрооптические коммутаторы состоят из двух соединителей, имеющих активные участки, расположенные в середине одного или обоих соединений (см. рис. 6.11). При­кладывая к одному из участков электрическое поле, фазу света можно изменить на 180? и направить его в другой порт. Прилагая к обоим участкам поля сравнимой величины, можно перемещать сигналы из одного порта в другой.

Огромным преимуществом использования электрооптического эффекта является достигаемая при этом высокая скорость коммутации. Вместе с тем, при масштабирова­нии возникают сложности. Электрооптическая технология эффективна в случае комму­таторов с конфигурацией портов 2 х 2, но создание коммутаторов большей размерности сопряжено с определенными трудностями.

В термооптических коммутаторах используется аналогичный принцип, но вместо при­ложения электрического поля для изменения характеристик волоконно-оптического ка­беля применяется температурное воздействие, позволяющее добиться того же эффекта. На сегодняшнем рынке представлены два типа термооптических коммутаторов. Интер- ферометрические коммутаторы имеют меньшие размеры, но их эксплуатационные ха­рактеристики зависят от длины волны пропускаемого света. В результате часто требует­ся применение дополнительных средств контроля, обеспечивающих поддержание температуры отдельных соединений в строго установленных пределах. В то же время, цифровые оптические коммутаторы (digital optical switches — DOS) отличаются большей живучестью. Простейшими из них являются коммутаторы с конфигурацией портов 1 х 2. Увеличение температуры одного плеча вызывает увеличение RI и блокирует прохож­дение света. Соответственно, требования к температурному контролю в этом случае оказываются не такими жесткими.

РИСУНОК 6.11

Электрооптический коммутатор

>Р<

Электрическое поле

Пузырьковые коммутаторы

Могли ли вы себе когда-нибудь представить, что в один прекрасный день струйный принтер окажется в самом центре сети общего пользования и от него будет зависеть прохождение миллионов телефонных разговоров, ведущихся по всей планете? Пожалуй, нет, особенно если учесть, что если даже печать со скоростью нескольких десятков стра­ниц в минуту для них является проблемой, то что уж говорить о поддержании несколь­ких миллионов соединений в секунду. И тем не менее, технология, лежащая в основе работы струйных принтеров, с успехом может быть использована для создания эффек­тивных масштабируемых оптических коммутаторов.

Суть данной идеи заключается в использовании двух наборов кремниевых полос. Нижний слой состоит из вытравленных в кремнии продольных микроскопических вы­емок, пересекающихся друг с другом. Эти выемки играют роль волноводов, по которым может распространяться входящий световой поток и которые заполнены специальной жидкостью, имеющей тот же показатель преломления, что и кремний. В верхнем слое располагаются электроды, с помощью которых осуществляется нагрев жидкости, вызы­вающий образование пузырьков газа (см. рис. 6.12).

В обычных условиях свет беспрепятственно проходит через жидкость, как если бы она была стеклом. Но когда в одном из пересечений образуется пузырек, свет изменяет свое направление и направляется в другой канал. Для любого газового пузырька пока­затель преломления RI гораздо ниже как показателя преломления жидкости, так и по­казателя преломления, соответствующего критическому углу, при котором начинает происходить полное внутреннее отражение.

Хорошо то, что в пузырьковых коммутаторах отсутствуют какие-либо подвижные части, и поэтому проблема надежности, с которой приходится сталкиваться в случае MEM или оптомеханических коммутаторов, не возникает. Единственной реальной про­блемой является то, что на сегодняшний день пузырьковая технология еще не покинула своей колыбели.

РИСУНОК 6.12

В результате возбуждения заполненных жидкостью каналов в критических узлах системой электрического нагрева (элементы которой на рисунке не представлены) свет направляется в другие каналы и, в конечном счете, попадает в выходной порт.

Жидкокристаллические коммутаторы

Если в пузырьковых коммутаторах некоторые идеи скопированы из технологии прин­теров, то жидкокристаллические коммутаторы оказываются в том же положении по отношению к технологии изготовления мониторов или дисплеев часов. То же самое основное вещество, которое используется для создания мониторов переносных компь­ютеров или цифровых дисплеев наручных часов; может быть использовано и для пере­адресации света в различные порты, правда, при этом требуется использование кое-ка- ких дополнительных технологических приемов.

В данном случае ключевую роль играют свойства жидких кристаллов. Обычно моле­кулы вещества выстраиваются друг относительно друга случайным образом. В жидких кристаллах наблюдается иная ситуация. Для них характерно наличие отчетливого моле­кулярного порядка, характеризующегося тем, что сигарообразные молекулы жидких кристаллов выстраиваются вдоль одного направления, называемого оптической осью.

64. Иерархия SONET

С приходом SONET описанная картина изменилась. Использование единой синх­ронизации позволило механизму SONET обеспечить точное комбинирование сигна­лов. Для описания того, каким образом эти сигналы могут комбинироваться, SONET определяет иерархию из трех классов пропускной способности, которую можно ис­пользовать для передачи и приема информации данных SONET. Наименьшему инк­ременту каналов соответствует стандарт виртуальных притоков (виртуальные каналы меньшей пропускной способности — virtual tributaries — VT), за которым следуют стандарт систем синхронной передачи сигналов (synchronous transport signals — STS) для электрического интерфейса и стандарт систем оптической связи (optical carrier — ОС) для оптических интерфейсов.

Единицей для разворачивания описанных систем синхронизации является линия STS- 1/ОС-1 (51,84 Мбит/с). Две линии STS-1/OC-1 могут быть объединены для образова­ния линии STS-2/OC-2 , а три — линии STS-3/OC-3. Эта группировка образует семей­ство STS и известна под названием линий SONET нижнего уровня.

В стандарте SDH дела обстоят несколько по-другому. Линии STS-1 также могут объе­диняться, образуя линии STM, обладающие увеличенной пропускной способностью. Линия STM с наименьшей пропускной способностью эквивалентна линии STS-3 (155,520 Мбит/с). Самый большой на сегодняшний день по емкости сигнал специфицируется как STM-256 (39,81 Гбит/с) (см. таблицу 7.1).

Таблица 7.1 Иерархия SONET

Оптический Электри-		Уровень	Скорость	Макси­	Макси	Экви
уровень	ческий	объединения	передачи,	мальная	мольные	валент
	уровень		Мбит/с	полезная	издержки	SDH
				скорость	на передачу
				Мбит/с	служебной
					информации,
					Мбит/с
ОС-1	STS-1	-	51,840	50,112	1,728	-
ОС-3	STS-3	3 х STS-1	155,520	150,336	5,184	STM-1
ОС-9	STS-9	3 х STS-3	466,560	451,008	15,552	STM-3
ОС-12	STS-12	4 х STS-3	622,080	601,344	20,736	STM-4
ОС-18	STS-18	6 х STS-3	933,120	902,016	31,104	STM-6
ОС-24	STS-24	8 х STS-3	1244,160	1202,688	41,472	STM-8
ОС-36	STS-36	12 х STS-3	1866,240	1804,032	62,208	STM-13
ОС-48	STS-48	26 х STS-3	2488,320	2405,376	82,944	STM-16
ОС-96	STS-96	32 х STS-3	4976,640	4810,752	165,888	STM-32
ОС-192	STS-192	64 х STS-3	9953,280	9621,504	331,776	STM-64
ОС-768*	STS-768	256 х STS-3	39813,12	38486,016	1327,104	STM-256

* В процессе разработки.

Для достижения более мелкой разбивки полосы пропускания линии 8Т5-1 подраз­деляются на каналы УТ. Существует четыре типа каналов УГ: УТ-1.5, УГ-2, УТ-З и УТ- 6. По этим каналам, обладающим небольшой пропускной способностью, информация «вытекает» из корпоративных офисов и вливается в более крупные линии подобно тому, как мелкие ручейки вливаются в большую реку (см. таблицу 7.2).

Таблица 7.2 Иерархия УТ

Тип VT	Скорость	Количество	Количество
	передачи	каналов VT	каналов VT
		в группе VT	в STS-1
VT-1.5	1,728 Мбит/с	4	28
VT-2	2,403 Мбит/с	3	21
VT-3	■ 3,456 Мбит/с	2	14
VT-6	6,912 Мбит/с	1	7

Прикладывая к жидкому кристаллу электрическое напряжение, можно заставить моле­кулы изменить свою ориентацию, в результате чего некоторые свойства жидкого крис­талла, например показатель преломления (М), изменяются. Способность молекул из­менять свою ориентацию, а вместе с ней и показатель преломления может быть использована для коммутации оптических сигналов. Как именно это осуществляется, зависит от конкретного варианта реализации этой идеи.

Одно время в жидкокристаллических коммутаторах использовалось явление поляри­зации. Как ранее уже говорилось, направлением поляризации называется направление колебаний электрического поля световой волны. Линейно поляризованный свет состо­ит из световых волн, электрическое поле которых все время колеблется в одном и том же направлении. Эллиптическая или круговая поляризация света имеет место в тех слу­чаях, когда плоскость, в которой колеблется электрическое поле, вращается вокруг на­правления распространения волны.

В рассматриваемых жидкокристаллических коммутаторах для переадресации света из одного порта в другой используется некий многостадийный процесс. На первой стадии входящий световой поток попадает в линзу, которая разделяет поляризованный сигнал на два пучка, обладающие противоположной поляризацией. Оба пучка соударяются с жидкокристаллическими компонентами и отражаются на другую линзу, где они реком- бинируют. К каждому из жидкокристаллических элементов присоединены электроды. Меняя величину напряжения, подведенного к электродам, можно изменять полярность сигналов, тем самым направляя их в нужный выходной порт (см. рис. 6.13).

Поляризационно-зависимый жидкокристаллический коммутатор

РИСУНОК 6.13

После прохождения светом входного порта он попадает в линзу, которая расщепляет световой поток на две составляющие. Эти составляющие проходят далее через жидкокристаллическое устройство, содержащее электрические заряды. Поляризацией световых сигналов можно управлять, изменяя величину приложенного поля, и после их рекомбинации на выходе сигналы можно направить либо в порт Ь, либо в порт с.

Линза Поляризованный Жидкий Линза

свет кристалл

Существует и другой подход, в котором используются отражательные свойства жид­ких кристаллов. В соответствующей конструкции жидкокристаллический слой и элект­роды размещаются между двумя призмами. На противоположных сторонах призм рас­положены два входных и два выходных порта. Когда свет попадает через входной порт внутрь коммутатора, он ударяется о границу раздела между призмами и жидкокристал­лическим слоем. В зависимости от величины приложенного к слою электрического на­пряжения жидкий кристалл либо отражает свет обратно в призму в направлении одного выходного порта, либо позволяет свету пройти через следующую призму в другой вы­ходной порт (см. рис. 6.14).

Поляризационно-независимый жидкокристаллический коммутатор Входной световой сигнал

РИСУНОК 6.14

В зависимости от величины электрического напряжения, приложенного к жидкокристаллическому слою, входящий световой поток либо отражается в порт а, либо проходит в порт Ь.

Жидкокристаллическая технология обладает несколькими преимуществами. Посколь­ку отсутствуют подвижные части, коммутаторы этого типа должны отличаться высокой надежностью. Более того, хотя на сегодняшний день имеются только коммутаторы с конфигурацией портов 2x2, количество портов может быть увеличено. Правда, потери могут становиться заметными, но в пользу отражательной конструкции коммутаторов говорит то, что потери для нее должны быть меньше по сравнению с первым подходом. Потребление энергии очень мало, но временами необходимость нагревания кристаллов для улучшения эксплуатационных характеристик коммутатора может повысить требо­вания к питанию.

Уходящая сцена

На основе описанной технологии развиваются две новые технологии, в рамках ко­торых ведется поиск путей, позволяющих управлять появлением и исчезновением ре­шеток Брэгга с помощью электрического поля. В электроголографических коммутато­рах для этих целей используются голографические изображения решетки Брэгга, которые создаются в специальных кристаллах, называемых KLTN (potassium lithium tantalate niobate — танталат-ниобат лития-калия). Эти кристаллы образуют ряды и столбцы, где ряды представляют отдельные оптические волокна, а столбцы — волновые каналы. Каж­дый кристалл управляется электрическим полем. Обычно свет беспрепятственно про­ходит через все кристаллы, но когда прикладывается напряжение и активизируется го­лограмма, входящий световой сигнал отклоняется в определенный выходной порт.

У электроголографии может быть яркое будущее (автор вовсе не пытается каламбу­рить!). Здесь отсутствуют подвижные части, поэтому такие коммутаторы должны быть довольно надежными. Технология легко масштабируется, а коммутация осуществляется с действительно высокой скоростью. Потери также довольно низки. В то же время, энер­гопотребление можно, вероятно, охарактеризовать как несколько повышенное.

В основе второй технологии, называемой электрически коммутируемыми решетками Брэгга (electrically switghable Bragg gratings или ESBGs — произносится «эс-багз») лежит тот же принцип. Однако чтобы заставить решетку «появляться», в данном случае капли жидкого кристалла наносятся на полимер, которым покрывают световод. В отсутствие напряжения решетка отклоняет распространяющиеся по световоду волны определенной длины. При подаче электрического напряжения решетка исчезает, и свет проходит по световоду насквозь обычным образом.

ESBG, если верить поборникам этой технологии, сулят довольно впечатляющие ре­зультаты. Скорость коммутации составляет примерно 100 микросекунд, что делает ESBG значительно более быстрыми, чем MEM или пузырьковые коммутаторы. Пред­полагается, что потери будут составлять порядка 1 дБ, а потребление мощности — около 50 милливатт.

Акустооптические коммутаторы

Звук также может быть положен в основу оптической коммутации, причем некото­рые из полученных на этом пути результатов оказываются довольно впечатляющими. В акустооптических коммутаторах используется технология, которая применяется в совре­менных кинопроекционных установках. Суть идеи заключается в том, чтобы использо­вать акустические волны для создания в твердом теле областей с повышенной и пони­женной плотностью. Образующиеся неоднородности плотности могут отклонять проходящие световые пучки под различными углами. Изменяя акустические узоры, можно перемещать оптические сигналы между портами.

Эта технология обеспечивает поразительно быструю коммутацию (интервал време­ни переключения между портами от 500 наносекунд до 10 микросекунд), а поскольку движущиеся детали отсутствуют, ее надежность обещает быть очень высокой.

Коммутация с преобразованием длин волн

До сих пор нами рассматривались главным образом коммутаторы, в которых длина волны входного и выходного сигналов была одной и той же, но в будущем следует ожи­дать развертывания систем с преобразованием длин волн.

Сегодня оптическая коммутация осуществляется на общей для всех сигналов дли­не волны. Если предназначенные для передачи в Нью-Йорк сигналы покидают Сан- Франциско, имея длину волны 1565 нм, то и в Нью-Йорк они прибудут с длиной вол­ны 1565 нм.

Вместе с тем, существует настоятельная необходимость иметь возможность менять длину волны сигналов в процессе их передачи. Необходимость в этом может, напри­мер, возникать, если телефонная компания в данный момент не располагает свободным сквозным каналом с данной длиной волны для организации двухточечной связи. В та­ком случае, вероятно, компания могла бы передать сигнал из Сан-Франциско, скажем, в Чикаго на длине волны 1586,2 нм, а затем из Чикаго в Нью-Йорк — на длине волны 1565 нм (см. рис. 6.15).

Атланта

РИСУНОК 6.15

В имеющихся технологиях для двухточечной связи должна использоваться одна и та же длина волны. В данном примере, поскольку волновой канал 1565 нм занят сеансом связи между Атлантой и Нью- Йорком, передача из Сан-Франциско оказывается заблокированной.

Сегодня для организации работы с такой «сменой беговой дорожки» требуется, прежде всего, преобразовать волновой канал в электрическую форму. Преобразование сигна­лов из оптической формы в электрическую и наоборот изначально являются дорогосто­ящими. Возможно, преобразовывать волновые каналы чисто оптическим путем было бы, в конечном счете, дешевле, но подобное оборудование все еще не покинуло стены ла­бораторий.

64. Иерархия sonet

С приходом SONET описанная картина изменилась. Использование единой синхронизации позволило механизму SONET обеспечить точное комбинирование сигналов. Для описания того, каким образом эти сигналы могут комбинироваться, SONET определяет иерархию из трех классов пропускной способности, которую можно использовать для передачи и приема информации данных SONET. Наименьшему инкременту каналов соответствует стандарт виртуальных притоков (виртуальные каналы меньшей пропускной способности — virtual tributaries — VT), за которым следуют стандарт систем синхронной передачи сигналов (synchronous transport signals — STS) для электрического интерфейса и стандарт систем оптической связи (optical carrier — ОС) для оптических интерфейсов.

Единицей для разворачивания описанных систем синхронизации является линия STS-1/ОС-1 (51,84 Мбит/с). Две линии STS-1/OC-1 могут быть объединены для образования линии STS-2/OC-2 , а три — линии STS-3/OC-3. Эта группировка образует семейство STS и известна под названием линий SONET нижнего уровня.

В стандарте SDH дела обстоят несколько по-другому. Линии STS-1 также могут объединяться, образуя линии STM, обладающие увеличенной пропускной способностью. Линия STM с наименьшей пропускной способностью эквивалентна линии STS-3 (155,520 Мбит/с). Самый большой на сегодняшний день по емкости сигнал специфицируется как STM-256 (39,81 Гбит/с).

Для достижения более мелкой разбивки полосы пропускания линии STS-1 подразделяются на каналы VT. Существует четыре типа каналов VT: VT-1.5, VT-2, VT-3 и VT-6. По этим каналам, обладающим небольшой пропускной способностью, информация «вытекает» из корпоративных офисов и вливается в более крупные линии подобно тому, как мелкие ручейки вливаются в большую реку.

64. Конфигурация sonet

Описанные каналы отображаются на три основных типа сетей: двухточечные, звездообразные и кольцевые — мы уже касались их в главе 2. Каждый из этих типов обладает присущими только ему достоинствами. Двухточечные сети — самые недорогие в реализации. Звездообразные сети обладают потрясающей гибкостью. Кольцевые сети обеспечивают очень высокую устойчивость связи. Чтобы вы могли лучше почувствовать, как все это используется в сети, рассмотрим соединение, действующее между головным офисом компании и удаленным отделением.

Что происходит, когда компания соединяет два офиса, каждый из которых использует, например, линию Т1? В упрощенном изложении, провайдер предоставляет линию Т1 каждому офису. Временные окна выделяются в каждом из различных узловых соединений, обеспечивая канал связи между двумя офисами.

В предположении, что область действия SONET заканчивается на периметре сети оптической связи, провайдер мог бы использовать для создания соединения между офисами двухточечную конфигурацию. В этой схеме на конце сети находится мультиплексор, называемый оконечным элементом пути (path termination element), который принимает Т-1 — сигналы, приходящие от пользователя, и мультиплексирует их для образования сигнала STS-1.

Затем этот вновь образованный сигнал проходит через мультиплексор ввода — вывода (add-drop multiplexer — ADM) и цифровой кросс-соединитель (digital crossconnect system — DCS, произносится «дэкс»). ADM позволяет провайдерам демультиплексировать конкретный канал, который требуется для подключения к сети. DCS коммутируют временные промежутки между портами на одном и том же или различных ADM в соответствии с определенными правилами и параметрами, устанавливаемыми операторами. Узкополосные DCS коммутируют каналы вплоть до DS0(64 Кбит/с); DCS с расширенной полосой (wideband) коммутируют каналы до DS1 (1,544 Мбит/с), а широкополосные (broadband) DCS коммутируют каналы DS3 (44,736 Мбит/с).

64. Два типа колец sonet

Как только информация покидает DCS, она проходит через ADM и попадает в третий элемент сетевой топологии — кольцо. Телекоммуникационные сети восприимчивы к сбоям любой природы, будь то обрыв волоконно-оптического кабеля ковшом экскаватора при проведении строительных работ, повреждение кабеля грызунами или в результате ошибочных действий людей — возможны мириады самых различных причин. Главной причиной обрывов является то, что волоконно-оптические кабеля укладываются в те же трассы, что и другие коммуникационные средства, например водопроводные или газопроводные трубы. Кольцевая топология обеспечивает высокую степень защиты сети при номинальном резервировании полосы пропускания. Чтобы по достоинству оценить кольцевые топологии SONET, рассмотрим некоторые схемы восстановления работоспособности сети.

При ознакомлении с сущностью автоматической защитной коммутации (automatic protection switching — APS) необходимо учитывать влияние трех факторов. Первым из них является скорость переключения соединений. SONET может осуществить переключение в обход сбойного участка в течение 50 миллисекунд — достаточно быстро для того, чтобы высокоуровневые протоколы, такие как IP, вовсе не почувствовали никаких перебоев в работе. Однако это возможно лишь в том случае, если под такую задачу была заранее зарезервирована полоса пропускания. Это подводит нас ко второму фактору — стоимости. Неполное использование полосы пропускания волоконно-оптического кабеля лишь ради редких случаев, когда это может потребоваться для восстановления работоспособности сети, является непростительной роскошью. Это соображение послужило причиной разработки альтернативных схем восстановления, которые позволяли бы компаниям резервировать некоторую часть пропускной способности, используя ее в тоже время для дублирования канала гораздо большей емкости подобно тому, как каналы ISDN обеспечивают дублирование выделенной линии.

Существует еще один фактор, о котором нельзя забывать, в особенности, когда речь идет об изменении схем восстановления в имеющихся вариантах установки сетей: направления прокладки кабельных траншей. Характер прокладки траншей может налагать серьезные ограничения на выбор топологии. В пределах общегородских сетей кольцевая топология нередко оказывается единственно возможной, потому что она вписывается в имеющиеся схемы кабелепроводов. Альтернативные схемы потребовали бы прорывать новые траншеи, приводя к значительному увеличению стоимости развертывания сети.

Простейшая схема защиты линии предполагает наличие дублирующей линии. Так называемые схемы «один к одному» (1:1) способны обеспечить восстановление связи при разрыве любого одиночного волоконно-оптического кабеля, но требуют отведения для этой цели запасной полосы пропускания, эквивалентной используемой, что не слишком-то эффективно, и в частности, по той причине, что запасную полосу пропускания нельзя использовать для передачи какого-либо трафика. Более эффективна защита по схеме UN, в которой одна линия может быть использована для защиты вплоть до 14 линий. Кроме того, что эта схема дает возможность выделять в качестве резерва меньший объем полосы пропускания, она также допускает использование запасной линии для передачи трафика.

С другой стороны, кольцевая топология предлагает более эффективные пути восстановления соединений при меньших требованиях к полосе пропускания. В SONET определены два общих типа кольцевой топологии: UPSR (unidirectional path-switched rings — кольцо с коммутацией однонаправленных путей ) и BLSR (bidirectional line-switched rings — кольцо с коммутацией двунаправленных линий). В случае топологии UPSR резервное кольцо работает вхолостую, а в случае сбоя ADM переключается на следующее кольцо. Топологии BLSR могут использовать резервное кольцо для передачи данных, объем которых скачкообразно возрастает в случае сбоя. В технологии 4F-BLSR используется четыре волоконно-оптических кабеля, по два в каждом направлении, что обеспечивает выделенную защиту путем предоставления альтернативного кольцевого маршрута и защиты пролета (dedicative protection with alternative ring path and span protection). В технологии 2F-BLSR используется два волоконно-оптических кабеля, по одному в каждом направлении, что обеспечивает выделенную защиту путем предоставления альтернативного кольцевого маршрута.

64. Отображение служб SONET+++

Отображение служб SONET

Может сложиться впечатление, что сплошные линии на диаграммах являются действительным отображением рассмотренных нами конфигураций, однако в действительности все обстоит намного сложнее. В рамках SONET соединение между офисами следует описывать как путь (path), состоящий из последовательности каналов (line) и секций (sections).

К наиболее высокому уровню абстракции относятся пути (path). Считайте, что путь является соединением между двумя офисами. Разумеется, поскольку мы обсуждаем SONET, путь может начинаться лишь там, где начинается SONET, и заканчиваться на концах сетей, предоставляемых провайдерами. Линии Т1, которые соединяют главные офисы клиентов (customer’s headquarters) и удаленный офис (remote office) с сетью общего пользования, не являются частью сети SONET и, следовательно, не принадлежат пути.

И все же, на самом деле путь является лишь виртуальной конструкцией. Уровнем ниже находятся физические каналы, которые идут от одного элемента сети к другому. Подобным же образом каждый канал (line) состоит из множества секций медных или волоконно-оптических кабелей, связанных между собой усилителями или повторителями, предназначенными для усиления амплитуды сигналов. Каждая такая часть канала называется секцией (section). Запомните эти термины — пути, каналы, секции— поскольку их понимание станет особенно важным при рассмотрении формирования кадров (framing) SONET.

64. Формирование кадров sonet

Формирование кадров SONET

Теперь, после получения некоторого представления об иерархии и архитектуре SONET, вам будет легче понять работу «внутренней кухни» — структуру кадров SONET. В особенности SONET известен благодаря своей способности доставлять низкоуровневую служебную сетевую информацию. Короткого взгляда на кадр SONET достаточно, чтобы понять, почему это так. Несмотря на то, что по размеру он примерно в два раза меньше кадра Ethernet (810 против 1518 байт), в нем содержится почти на 100 % больше служебной информации.

Сам кадр можно представить в виде сегментированного прямоугольника, состоящего из 90 столбцов и 9 строк. Пусть эта картинка не сбивает вас с толку — кадр пересылается в виде единого потока битов данных в порядке слева направо и сверху вниз.

Дадим теперь этому описание. По мере того как кадр STS-1 путешествует по проводам, его компоненты последовательно считываются и отделяются от него на различных стадиях прохождения сети. Первой стадией служит регенератор, который отмечает конец секции (мы уже обращали ваше внимание на то, что некоторые термины нам еще пригодятся). Вторая стадия — это конец канала, а стадия три, как вы сами уже догадываетесь, — это конец пути, являющийся конечным пунктом назначения SONET.

Неудивительно поэтому, что структура кадра SONET отражает наличие указанных сетевых компонентов. Эта структура представлена четырьмя разделами. Три из них содержат служебную информацию, необходимую для сетевого управления, а также идентификации ошибок на уровне секций, каналов и путей, а четвертый — фактические данные, составляющие полезную нагрузку (payload) SONET. В первых трех столбцах содержится служебная информация о секции (первые три строки) и канале (последние шесть строк). Рассматриваемая как одно целое, она называется транспортной служебной информацией. В последних 87 столбцах содержится служебная информация о пути и полезные данные, которые, взятые вместе, называются конвертом полезных данных SONET (SONET payload envelope — SPE). При обсуждении вопросов синхронизации понятие SPE будет включать в себя последовательности кадров.

При переходе, путем объединения кадров STS-1, к кадрам STS-Зс структура кадра становится более сложной. Транспортная служебная информация объединяется и выносится в переднюю часть кадра, a SPE — назад.

Более мелкого структурирования данных (granulation) добиваются, заполняя кадры SPE конкатенированными VT. Каждый тип VT хранится в отдельной группе; всего таких групп может быть семь на один STS-1. Каждая группа может содержать либо VT1.5, VT2, VT3, либо VT6. Таким образом, при скоростях ниже STS-1 пользователи могут, хотя и не без некоторых сложностей, масштабировать свои сети с инкрементом 1.5. При скоростях, превышающих скорости STS-1, сети наращиваются с инкрементом STS-1.

64. Новые региональные сети (рис. 8.1)

64. Новые региональные сети (рис. 8.2)

65. Новые региональные сети (рис. 8.3)

Новые региональные сети

Решение проблем региональной сети содержится в двух ее компонентах: устройствах, которые размещены в центральном офисе, подключаемом к сети общего пользования, и технологии передачи, лежащей в основе работы самой сети. Современные центральные офисы являются в буквальном смысле рогом изобилия в отношении всего, что касается новых технологий. Наряду с оборудованием SONET каждая из служб, предлагаемых провайдером, требует установки собственного оборудования. Для Internet-служб требуются маршрутизаторы и коммутаторы, а также инсталляция программного обеспечения. Если дополнительно предлагаются также высокоуровневые IP-службы, такие как управляемые брандмауэры (firewall) или службы VPN, количество оборудования, которое должно устанавливаться, возрастает. Аналогичным образом, современные коммерческие службы передачи данных (private data services) могут использовать технологии ретрансляции кадров (Frame relay) и ATM, для каждой из которых могут требоваться собственные коммутаторы и интерфейсы.

Порождаемые многочисленностью этого оборудованием проблемы имеют многосторонний характер. Каждое устройство выдвигает ряд физических требований, связанных с необходимостью его обслуживания. К устройствам должно быть подведено питание. Для размещения шкафов с оборудованием должно быть изыскано место. Более того, с приходом новых технологий добавляются присущие им дополнительные сложности, что означает необходимость привлечения еще большего количества обслуживающего персонала, не говоря о возрастании сложности управления системой. Сегодня обеспечение IP-соединения между микрорайонами сети (locations) может означать необходимость конфигурирования трех наборов оборудования, относящихся соответственно к IP, Frame Relay (ретрансляция кадров) или ATM, и SONET, что увеличивает стоимость и время подготовки к работе такой службы.

Провайдерам хотелось бы, чтобы необходимое число развертываемых технологий и устанавливаемых шкафов оборудования было сведено к минимуму, снижая тем самым уровень денежных расходов. Откликом на эти требования было предложение поставщиками целого ряда устройств с совмещенными функциями. Некоторые из них объединяют в себе основные функциональные возможности SONET, используемые в центральной части региональных сетей, такие как DCS и ADM.

Другие поставщики идут еще дальше, создавая многофункциональные устройства по принципу швейцарского армейского складного ножа, иногда называемые «God Box* («Волшебная шкатулка»), которые, например, объединяют возможности оптических коммутаторов, устройств коммутации ATM и/или Frame Relay, IP-маршрутизаторов, мультиплексоров ввода — вывода и DWDM в одном блоке.

Несомненно, эти подходы позволяют уменьшить число шкафов оборудования, но и они не лишены потенциальных недостатков. Требования владельцев линий весьма разнородны, и единственный шкаф не всегда может им всем удовлетворять. Более того, стремясь втиснуть все функции оборудования в один шкаф вместо разработки специализированных устройств, провайдеры рискуют оказаться не в состоянии предоставить ту или иную услугу на уровне наивысшего качества.

64. Объяснение технологии многократного использования волновых каналов

RPR

В значительной мере исходя из описанных опасений, провайдеры приступили к разработке нового протокола, который был бы лучше приспособлен к кольцевой архитектуре. Этот протокол, получивший название устойчивой (динамической) кольцевой сети для обмена пакетами (resilient packet ring — RPR), исходит от рабочей группы ШЕЕ 802.17. Указанный стандарт уходит корнями в одну из технологий компании Cisco Systems, Inc., которая называется протоколом многократного использования волновых каналов путем их пространственного разнесения (spatial reuse protocol — SRP), или просто — протоколом многократного использования каналов, и фигурирует под торговой маркой протокола динамической передачи пакетов (dynamic packet transport — DPT). Иногда его также называют «оптическим Ethernet*, хотя, если не считать того, что в блоках RPR устанавливаются порты Ethernet, этот протокол имеет мало общего с настоящим Ethernet.

RPR совершает три вещи, каждая из которых нашла свое отражение в названии этого протокола. Термин «resilient» (эластичный, т.е. динамичный) означает способность протокола организовывать обходы сбойных участков за счет одновременного использования по крайней мере двух колец, работающих в противоположных направлениях (counterrotating), аналогично DTM. При отказе одного кольца узлы RPR переключаются на резервное кольцо и продолжают работу. Как и в DTM, в RPR используется технология многократного использования каналов, так что полоса пропускания не «закрепляется» жестко за этим кольцом. Вместо этого пропускная способность, используемая для передачи данных в одной части сети, может повторно использоваться для передачи других данных в другой части сети при условии, что они не взаимодействуют друг с другом (см. рис. 8.6).

Технология основана на использовании кадров, или пакетов (packet), что и дало начало второй части названия RPR. Однако, в отличие от Ethernet, протоколом RPR предусмотрено три уровня встроенного качества службы. Так, класс синхронного трафика (synchronous traffic class — STC) позволяет провайдерам передавать по RPR высококачественный голосовой трафик. Класс гарантированного трафика (guaranteed traffic class — GTC) дает провайдерам возможность предоставлять услуги в области высококачественной передачи цифровых данных, беря на себя обязательства по обеспечению оговоренного уровня качества службы. Третий класс — класс предоставления трафика с наименьшими доступными затратами (best effort traffic class — BETC) — будет использоваться для обслуживания передачи цифровых данных без каких-либо конкретных гарантий качества службы.

Точное функционирование протокола является предметом некоторых споров. Одни его сторонники доказывают, что узлам RPR не должна предоставляться информация относительно доступной пропускной способности в сети. Вместо этого они должны просто получать входящие пакеты Ethernet и упаковывать их в кадры RPR. Кадр снабжается меткой, обозначающей определенный приоритет трафика, и пересылается в сеть. Кадр проходит транзитом кольцо, где его адрес назначения и приоритет проверяются каждым узлом сети. После достижения кадром своего конечного пункта назначения в кольце станция удаляет транзитный кадр (transit frame) из кольца для доставки к следующему пункту назначения.

Единственным исключением из приведенного выше описания является случай многоадресного трафика (multicast trtaffic). Многоадресная передача означает передачу одного кадра многочисленным получателям. В случае многоадресной передачи оба подхода требуют, чтобы удаление кадра из сети осуществлялось передающей станцией.

Просто, не так ли? Но что произойдет в том случае, когда станция должна передать два кадра: один — транзитный (transit frame) и еще один — собственный кадр станции RPR, или передаваемый кадр (transmit frame)? Для подобных случаев в каждом узле RPR предусмотрены высоко- и низкоприоритетный транзитные буферы. После того как станции проверят адрес транзитного кадра и решат, что он не должен удаляться из сети, кадр помещается в соответствующую транзитную очередь. Первыми обслуживаются высокоприоритетные транзитные кадры, а затем— высокоприоритетные кадры, передаваемые самим узлом. Для низкоприоритетных транзитных и передаваемых кадров используется алгоритм равноправного обслуживания очередей (fair-queuing algorithm), предоставляющий всем кадрам равные возможности доступа к сети. Если очередь низкоприоритетных транзитных кадров начинает переполняться, коммутатор передает другим станциям сигнал, извещающий о том, что они должны замедлить передачу. После очистки очереди и истечения определенного промежутка времени станции вновь начинают увеличивать скорость передачи.

В альтернативном подходе делается попытка избежать подобного риска, связанного с использованием буферов большой емкости. В рамках этой модели узлам известно значение доступной пропускной способности в сети. После получения кадра и проверки его адреса он помещается в транзитный буфер для передачи в кольцо. На этот раз размер транзитного буфера значительно меньше и соответствует лишь максимально возможному размеру кадра RPR. Если имеется другой кадр, который необходимо передать, приоритет предоставляется транзитному кадру. Если такая ситуация происходит слишком часто и подлежащие передаче данным узлом RPR кадры не могут быть переданы, коммутаторы извещают другие узлы, расположенные вдоль (или против) направления движения трафика в кольце, о необходимости изменения параметров доступа к сети, чтобы сделать возможной передачу высокоприоритетного кадра.

Раскол в рядах сторонников RPR может создать серьезные проблемы для технологии. Этот тезис приобретает особую актуальность из-за наличия серьезного конкурента в лице Ethernet. Несмотря на то что Ethernet не предназначен, для кольцевых сетей, как RPR, он борется за рынок региональных сетей. Легкости использования этого протокола в сочетании с его низкой стоимостью оказалось вполне достаточно для нанесения поражения протоколам Token Ring и ATM в корпоративных сетях. И хотя такие факторы, как отсутствие QoS, и замедлят разворачивание Ethernet в региональных сетях, он, несомненно, будет для RPR опасным конкурентом.

64. Проблемы колец Ethernet

Топология "Кольцо" — относительно новая для сетей Ethernet и реализуется в основном существующими операторами SDH связи. Для нее характерно, что все оборудование по кольцу обладает примерно одинаковой производительностью, но должно обеспечивать функции запрета петлевого трафика. Основное преимущество такой топологии — нечувствительность к отказу отдельного сектора кольца. Основной недостаток — оборудование такой сети должно быть достаточно интеллектуальным и соответственно достаточно дорогим, чтобы обеспечивать функции запрета петлевого трафика и нечувствительность к отказу отдельного сектора кольца.

Обычно кольцевые Ethernet сети строят на маршрутизаторах или коммутаторах 3-го уровня (ниже рассмотрим, почему). Но для упрощения и удешевления таких сетей применяют два частных случая кольцевой топологии, так называемые "Подкова" и "Многоточечный луч".

Топология "Подкова" — это та же кольцевая топология, но с разрывом на одном из узлов сети. В разрыв кольца устанавливается маршрутизатор, с помощью которого достигается целостность сети передачи данных при отказе отдельного сектора кольца, а также недопустимость петлевого трафика. Такая топология снижает стоимость сети без потери функциональности, но за счет таймаутов, заданных для недопустимости петлевого трафика на маршрутизаторе, снижается производительность такой сети.

Топология "Многоточечный луч" это удешевление кольцевой топологии за счет потери надежности сети в целом. Отказ любого отрезка или узла сети приводит к нарушению целостности сети.

64. Коммерческая «последняя миля» (рис. 9.1)

Ключ к сетям завтрашнего дня таится в сегодняшних жилищных и корпоративных сетях доступа. До тех пор пока не будут созданы все условия для высокоскоростного локального доступа, потребительский спрос на трафик служб делового сектора и сектора развлечений, которые еще долго будут стимулировать развитие сети общего пользования, сформироваться не сможет. Побудительные же мотивы для расширения возможностей локального доступа различны для корпоративного и жилищного сектора.

Начнем с корпораций. В отношении доступа к сетям коммерческим фирмам сегодня приходится сталкиваться с двумя основными проблемами. К подавляющему большинству зданий (около 75 %), в которых располагаются фирмы, оптоволоконные кабели вообще не подведены. Но даже в тех случаях, когда оптоволоконное подключение имеется, доступ к службам осуществляется через магистраль SONET.

К этому моменту, после прочтения глав 6 и 7, вы уже должны иметь хорошее представление о тех изъянах, которые присущи традиционному протоколу SONET. Он замечательно работает при обмене голосовыми сообщениями, но жесткая иерархическая структура делает его плохо приспособленным для обработки трафика корпоративных данных с его изменчивой природой. Для владельцев линий все заканчивается тем, что передаваемые по их магистралям кадры не достигают даже минимального размера кадров STS-1.

Для подключения офисов к сети сегодня используются самые различные способы (см. рис. 9.1). Для обслуживания очень крупных зданий или, например, университетских городков в подвальных помещениях могут установливаться SONET ADM с собственными маршрутизаторами офисных АТС для голосовой связи и коммутаторами ATM, подключенными к портам ADM. В уменьшенных вариантах установки ADM могут располагаться в центральных офисах, где они должны быть подключены к цифровым кросс-соединителям (digital crossconnects — DCS). В этом случае один набор портов DCS выходит на телефонный коммутатор и через него к внешнему оборудованию, которое, в конечном счете, подключается к цифровой линии, такой, например, как линия Т1 в CSU/DSU или мультиплексор. В то же время, другой набор портов DCS выходит через маршрутизатор и АТМ-коммутатор на внешнее оборудование, подключенное к сетевой инфраструктуре здания. В этом месте соединение будет заканчиваться другим мультиплексором или CSU/DSU.

В случае жилищных сетей наблюдается совершенно иная картина. Жилые дома подключаются к телефонной сети с помощью медных линий, которые заканчиваются на ADM. Доступ к сети кабельного телевидения осуществляется через подведенный к дом) коаксиальный кабель. Далее телевизионные сигналы проходят по кабелю к головному узлу, где они извлекаются и после этого используются по назначению.

Оба рынка находятся в состоянии развития. Телефонные компании RBOC и CLEC предоставляют возможности высокоскоростного доступа преимущественно с помощью цифровых абонентских линий (digital subscriber lines — DSL). Верхний предел скорости передачи данных для DSL назвать трудно, поскольку существует много типов этих линий, производительность которых к тому же существенно зависит от их состояния. С учетом вышесказанного, заметим, что в случае асимметричных DSL (asymmetric DSL — ADSL), являющихся наиболее распространенной технологией, теоретически достижимая производительность составляет для абонента 8,192 Мбит/с, а для «сети» — 768 Кбит/с. Реальная же производительность таких линий оказывается намного меньшей.

По сравнению с оптическими сетями эти цифры, может быть, и кажутся ничтожно малыми, однако не следует забывать, что развертывание ADSL не требует прокладки новой проводки, и в этом-то вся соль! Иное дело — новое оборудование. В помещениях клиентов обычно происходит следующее: модем ADSL получает Ethernet-сигнал от компьютера, преобразует его в ячейки ATM или кадры HDLC и через передающий канал клиента (upstream channel) помещает их в линию ADSL. На стороне провайдера картина выглядит следующим образом: мультиплексор доступа к DSL (DSL access multiplexor — DSLAM) получает сигналы из линии DSL и помещает их в сеть передачи цифровых или голосовых данных. DSLAM также принимает предназначенные для клиента входные сигналы и пересылает их по высокоскоростному приемному каналу клиента (downstream channel).

Более высокие скорости доступны в рамках развивающейся спецификации сверхвысокоскоростной цифровой абонентской линии (very high data rate digital subscriber line — VDSL). Во время написания этой книги максимальная скорость загрузки данных для линий VDSL длиной до 1000 футов (300 м) составляла 52 Мбит/с, или 26 Мбит/с для скорости передачи в одном направлении для симметричной линии.

И все же, в обоих вариантах реализации DSL достижение рекламируемых скоростей продолжает оставаться очень сложной задачей. Реальные условия, существующие в линиях (наличие мостовых перемычек, удлинений), отрицательно влияют на скорость DSL. Скорость передачи данных является адаптивной, поэтому производительность каналов DSL с увеличением расстояния от DSLAM уменьшается.

К тому же, дополнительно проявляются проблемы, специфические для технологии TJSL. К числу таких проблем относится, например, интерференция. Если линии VDSL протянуты на высоте, они могут действовать как антенна, излучая и принимая энергию з любительских радиодиапазонах. Попытки предотвращения подобного рода интерференции могут дополнительно ограничивать длину кабеля.

Вторая проблема, о которой следует упомянуть, это выбор конструктивного варианта исполнения оборудования, которое должно устанавливаться в помещениях клиентов. Принимая во внимание степень сложности управления данными системами, степень их надежности, наличие законодательных ограничений, а также исходя из соображений переносимости, можно отдать предпочтение таким схемам, как ADSL или ISDN, в которых соответствующие устройства питаются от сети и могут работать в качестве концентраторов. С помощью такого концентратора можно обеспечить доступ к каналу VDSL сразу нескольких устройств, примерно так, как это делается в LAN.

С точки же зрения стоимости более выгодной оказывается организация пассивного сетевого интерфейса, когда интерфейс VDSL устанавливается на оборудовании клиента, а мультиплексирование выгружаемых (upstream) данных осуществляется во многом так же, как в LAN. В данном случае вопросы стоимости приобретают особую важность, поскольку аппаратура VDSL, установленная «на границе» обслуживает лишь нескольких пользователей, оказание услуг которым предположительно должно окупить стоимость всего оборудования, включая волоконно-оптические кабели, интерфейсы и аппаратные шкафы. Поэтому стоимость VDSL изначально должна быть меньшей, чем ADSL, оборудование DSLAM которой может устанавливаться на центральной АТС и обслуживать намного большее количество потребителей.

64. Схема оборудования домов DSL (рис. 9.2)

DSL

Этот вид связи представляет собой семейство технологий, обеспечивающих высокоскоростной доступ в Интернет по обычным телефонным линиям.

В отличие от коммутируемого доступа сигнал передается по каналу DSL в цифровом виде и имеет свой спектр, отделенный по частоте от спектра телефонного сигнала. Благодаря этому можно одновременно разговаривать по телефону и пользоваться Интернетом.

Схема подключения пользователей по технологии ADSL, обратите внимание чтобы отделить телефонный трафик от Интернет-трафика используют сплитеры.

Аббревиатура DSL (Digital Subscriber Line) переводится с английского как «абонентская цифровая линия». В начале обозначения может стоять буква A, S или другая, указывающая на выбранный вариант подключения. Различаются варианты по соотношению скоростей нисходящего (от Cети к пользователю) и восходящего (от пользователя к Cети) потока данных.

Наибольшее распространение получил вариант ADSL (асимметричная линия), а SDSL (симметричная линия) применяется гораздо реже. ADSL передает данные из Интернета к пользователю с максимальной скоростью до 8 Мбит/с, а в обратном направлении – со скоростью до 768 Кбит/с.

SDSL же имеет полосу пропускания 2 Мбит/с в обоих направлениях.

При этом сохраняется возможность пользоваться телефонными услугами в полном объеме одновременно с широкополосным доступом в Интернет.

Преимущества DSL

+ DSL превращает обычную телефонную линию в высокоскоростной канал передачи данных, одновременно оставляя телефон свободным.

+ Такое подключение обеспечивает высокоскоростной удаленный доступ в Интернет и корпоративные сети, а также доступ к онлайн-услугам по обычным телефонным линиям.

+ ADSL обеспечивает индивидуальный, выделенный и надежный канал связи.

+ Так как линия выделенная (а не коллективная), то скорость передачи не зависит от того, находятся ли в системе другие пользователи.

+ ADSL «всегда включена» и готова к работе, также как и телефон.

Недостатки DSL

- Главный же недостаток всей группы DSL-технологий состоит в том, что их нельзя применять в случаях когда у пользователя спаренный телефон, сигнализация по телефонной линии, блокиратор и другие штуковины, коими напичканы старые телефонные сети.

64. Модемная кабельная сеть (рис. 9.4)

Самый простой и, пожалуй, самый старый вариант связи 2 компьютеров, известный еще с дедовских времен.

Существуют Параллельные LPT и Последовательные Com порты. Первые обеспечивают более быструю передачу данных, вторые большее расстояние, на которое можно передать сигнал до 150 метров. 0-модемные Com кабели до сих пор легко приобрести в большинстве компьютерных фирм, LPT связь менее распространена, в то время как найти кабель для связи 2 LPT сложнее. Com порты бывают двух типов DB-9 и DB-25, соответственно 9 и 25 контактные, вторые практически не используются в современных компьютерах. Большинство операционных систем поддерживают прямое подключение через параллельные или последовательные порты. При этом один из компьютеров выступает ведущим (компьютер который получает доступ), второй ведомым, (компьютер к файлам которого получают доступ).

Операционная система Windows XP поддерживает прямое подключение 2 компьютеров через протокол TCP/IP, поэтому такое соединение имеет возможности схожие с обычной ЛВС.

Последовательность настройки для ведомого компьютера.

Панель управления > Сетевые подключения > Запуск мастера новых подключений > Установить прямое подключение к другому компьютеру > подключиться напрямую к другому компьютеру > Ведомый компьютер > Выбираете порт (Com, Lpt) к которому будет происходить подключение > Выбираете учетные записи, которым разрешено производить подключение.

Последовательность настройки для ведущего компьютера.

Панель управления > Сетевые подключения > Запуск мастера новых подключений > Установить прямое подключение к другому компьютеру > подключиться напрямую к другому компьютеру > Ведущий компьютер > Имя компьютера (его можно узнать или изменить в свойствах “Мой Компьютер) > Выбираете порт (Com, Lpt) к которому будет происходить подключение.

Главным недостатком такого подключения остаётся скорость, которая даже при использовании LPT соединения едва дотягивает до мегабита в секунду.

С помощью 0-модемной связи можно объединять множество машин. Разумеется, для связи 1 и 3 системы необходимо, что бы 2 компьютер был включён.

1.3. Что такое модем и как он работает

Когда компьютер используется для обмена информацией по телефонной сети, необходимо устройство, которое может принять сигнал из телефонной сети и преобразовать его в цифровую ин-формацию. На выходе этого устройства информация подвергается модуляции, а на входе демодуляции, отсюда и название модем. Назначение модема заключается в замене сигнала, поступающего из компьютера, электрическим сигналом с частотой, соответствующей рабочему диапазону телефонной линии. Акустический канал этой линии модем разделяет на полосы низкой и высокой частоты. Полоса низкой частоты применяется для передачи данных, а полоса высокой частоты - для приема. Используется много способов кодировки информации, наиболее известными из которых являются метод FSK ( Frequency Shift Keying ) для скорости передачи до 300 бит/с и метод PSK ( Phase Shift Keying ) для более быстрых модемов, скоростью передачи до 2400 бит/с. FSK использует четыре выделенные частоты. При передаче информации сигнал частотой 1070 Гц интеpпpетиpуется как логический нуль, а сигнал частотой 1270 Гц - как логическая единица. При приеме нуль соответствует сигналу 2025 Гц, а единица - 2225 Гц.

PSK использует две частоты: для передачи данных - 2400 Гц, для приема - 1200 Гц. Данные передаются по два бита, при этом кодировка осуществляется посредством сдвига фазы сигнала. Используются следующие сдвиги фазы для кодировки: 0 градусов для сочетания битов 00, 90 градусов для 01, 180 градусов для 10, 270 градусов для 11.[3, с. 66-67]

Существуют также и другие виды модуляции (DPSK, QAM, TCM). Модем выполняется либо в виде внешнего устройства, которое одним выходом подсоединяется к телефонной линии, а другим к стандартному COM-поpту компьютера (разъем RS232 по рекомендациям CCITT V.24), либо в виде обыкновенной печатной платы, которая устанавливается на общую шину компьютера. Внутренние варианты модемов могут быть приспособлены как к обычной ISA, так и к PCI шинам.

Контpоллеp модема - это, как правило, специализированный микpокомпьютеp типа SC1107 или SC1108, содержащий восьмиpазpядное АЛУ, ПЗУ в 8 Кбайт, ОЗУ 128 байт, таймер, командный pегистp, контpолеp пpеpываний, стек, поpт ввода/вывода. Если плата модема пpисоединена к системной шине ПК, то применяется "параллельный" контpоллеp SC1107. Если же плата работает с компьютером посредством RS232, то используется "последовательный" контpоллеp SC1108.

1.3.1. Модем как средство связи между компьютерами

Если на одном компьютере работают, хотя бы два человека, у них уже возникает желание использовать этот компьютер для обмена информацией друг с другом.

На больших машинах, которыми пользуются одновременно десятки, а то и сотни человек, для этого предусмотрены специальные программы, позволяющие пользователям передавать сообщения друг другу, а администратору - оповещать пользователей о новостях в системе.

Стоит ли говорить о том, что как только появилась возможность объединять несколько машин в сеть, пользователи ухватились за эту возможность не только для того, чтобы использовать ресурсы удаленных машин, но и чтобы расширить круг своего общения. В pамках пpедпpиятия, небольшого города или просто ограниченной местности возможно создание обычной локальной сети на базе стандартов Ethernet или Arcnet и их объединение посредством стандартных кабелей. Hо, когда речь заходит о соединении компьютеров, находящихся на расстоянии многих тысяч километров друг от друга, то мгновенно встает вполне разумный вопрос: а почему бы не использовать такое старое и пpовеpенное средство коммуникации, как телефонные линии? Ведь ни для кого не секрет, что весь земной шар в прямом смысле слова "окутан" нитями телефонных кабелей. Назначение этих кабелей одно - передавать сигналы определенной частоты. Вот тогда и потребовалось это загадочное устройство модуляции/демодуляции, которое могло бы переводить информацию в сигналы определенной частоты. Впервые такое устройство было представлено pазpаботчиками и стандартизовано МККТТ в 1964 году.

Параллельно с аппаратными изобретениями начали выходить в свет и программные разработки, обеспечивающие удобный, доступный и простой диалог в цепочке модем-ЭВМ-человек. Создаются программы, предназначенные для обмена сообщениями пользователей, находящихся на разных машинах. Из-за разнообразия компьютеров, операционных систем, способов соединения машин в сеть и целей, преследуемых при этом людьми, этих программ оказалось достаточно много и они не всегда совместимы между собой. Практически каждый пpогpаммист способен создать подобный "почтовик" на базе которого можно было бы создать компьютерную сеть.

64. Технология и сеть pon (рис. 9.5)

PON (аббр. от англ. Passive optical network, пассивная оптическая сеть) — технология пассивных оптических сетей.

Распределительная сеть доступа PON основана на древовидной волоконно-кабельной архитектуре с пассивными оптическими разветвителями на узлах, представляет экономичный способ обеспечить широкополосную передачу информации. При этом архитектура PON обладает необходимой эффективностью наращивания узлов сети и пропускной способности, в зависимости от настоящих и будущих потребностей абонентов.

Принцип действия PON

Основная идея архитектуры PON — использование всего одного приёмопередающего модуля в OLT (англ. optical line terminal) для передачи информации множеству абонентских устройств ONT (optical network terminal в терминологии ITU-T), также называемых ONU (optical network unit в терминологии IEEE) и приёма информации от них.

Число абонентских узлов, подключенных к одному приёмопередающему модулю OLT, может быть настолько большим, насколько позволяет бюджет мощности и максимальная скорость приёмопередающей аппаратуры. Для передачи потока информации от OLT к ONT — прямого (нисходящего) потока, как правило, используется длина волны 1490 нм. Наоборот, потоки данных от разных абонентских узлов в центральный узел, совместно образующие обратный (восходящий) поток, передаются на длине волны 1310 нм. Для передачи сигнала телевидения используется длина волны 1550 нм. В OLT и ONT встроены мультиплексоры WDM, разделяющие исходящие и входящие потоки.

Прямой поток

Прямой поток на уровне оптических сигналов является широковещательным. Каждый абонентский узел ONT, читая адресные поля, выделяет из этого общего потока предназначенную только ему часть информации. Фактически, мы имеем дело с распределённым демультиплексором.

Обратный поток

Все абонентские узлы ONT ведут передачу в обратном потоке на одной и той же длине волны, используя концепцию множественного доступа с временным разделением TDMA (time division multiple access). Чтобы исключить возможность пересечения сигналов от разных ONT, для каждого из них устанавливается свое индивидуальное расписание по передаче данных с учётом поправки на задержку, связанную с удалением данного ONT от OLT. Эту задачу решает протокол TDMA .

TDMA (англ. Time Division Multiple Access — множественный доступ с разделением по времени) — способ использования радиочастот, когда в одном частотном интервале находятся несколько абонентов, разные абоненты используют разные временные слоты (интервалы) для передачи.

азвитие сети Internet, в том числе появление новых услуг связи, способствует росту потоков данных, передаваемых по сети и заставляет операторов искать пути увеличения пропускной способности транспортных сетей. При выборе решения необходимо учитывать:

• разнообразие потребностей абонентов

• потенциал для развития сети

• экономичность

На развивающемся телекоммуникационном рынке опасно как принимать поспешные решения, так и дожидаться появления более современной технологии. Тем более что, на взгляд авторов, такая технология уже появилась – это технология пассивных оптических сетей PON (passive optical network). Распределительная сеть доступа PON, основанная на древовидной волоконной кабельной архитектуре с пассивными оптическими разветвителями на узлах, возможно, представляется наиболее экономичной и способной обеспечить широкополосную передачу разнообразных приложений. При этом архитектура PON обладает необходимой эффективностью наращивания и узлов сети, и пропускной способности, в зависимости от настоящих и будущих потребностей абонентов.

Преимущества архитектуры PON:

1. отсутствие промежуточных активных узлов

2. экономия оптических приемопередатчиков в центральном узле

3. экономия волокон

4. легкость подключения новых абонентов и удобство обслуживания (подключение, отключение или выход из строя одного или нескольких абонентских узлов никак не сказывается на работе остальных)

Древовидная топология P2MP позволяет оптимизировать размещение оптических разветвителей исходя из реального расположения абонентов, затрат на прокладку ОК и эксплуатацию кабельной сети.

К недостатку можно отнести возросшую сложность технологии PON и отсутствие резервирования в простейшей топологии дерева.

Свойства сети PON

1. Древовидная архитектура с передачей по одному волокну на двух длинах волн навстречу друг другу: 1550 нм (от центрального узла к абонентам, нисходящий поток) и 1310 нм (от абонентов к центральному узлу, восходящий поток);

2. На промежуточных узлах дерева, размещаются пассивные оптические разветвители;

3. Использование метода доступа TDMA позволяет гибко распределять полосу пропускания между абонентами;

4. На одно волокно, идущее из центрального узла (OLT), можно подключить до 32 абонентских узлов (ONT);

5. Максимальное удаление составляет 20 км

64. FTTx.

FTTx

В России все больше растет интерес к развертыванию сетей доступа с возможностью предоставлением абоненту широкополосного канала связи. Причиной данного интереса служит быстрый рост требований к полосе пропускания сетей связи, обусловленный появлением новых широкополосных услуг. К таким услугам можно отнести услуги для бизнеса (видеоконференц-связь, удаленное обучение, телемедицина) и развлекательные услуги (видео по запросу, цифровое вещание, HDTV, on-line игры и т.д.). Используемые в настоящее время технологии не могут предоставить экономически выгодного решения для удовлетворения растущих потребностей, поэтому в ход идут не совсем привычные технологии.

Одна из них - FTTx (Fiber To The ... — «волокно до …») - технология организации сетей доступа с доведением оптического волокна до определенной точки. Несмотря на то, что FTTx - технология не новая, однако широкое распространение она получает именно сейчас.

Есть несколько вариантов реализации FTTx, из них можно выделить:

FTTH - Fiber To The Home (доведение волокна до квартиры);

FTTB - Fiber To The Building (доведение волокна до здания),

и варианты, по сути, дублирующие FTTH и FTTB с небольшими изменениями:

FTTO - Fiber To The Office (доведение волокна до офиса);

FTTC - Fiber To The Curb (доведение волокна до кабельного шкафа);

FTTCab - Fiber To The Cabinet (аналог FTTC);

FTTR - Fiber To The Remote (доведение волокна до удаленного модуля, концентратора);

FTTOpt - Fiber To The Optimum (доведение волокна до оптимального пункта);

FTTP - Fiber To The Premises (оведение волокна до точки присутствия клиента);

Отдельно нужно отметить концепцию FITB (Fiber In The Building) — организация распределительной сети внутри здания.

Рассмотрим более подробно два первых варианта FTTx.

FTTB

При использовании варианта FTTB оптическое волокно заводится в дом, как правило, на цокольный этаж или на чердак (что более экономически эффективно) и полключается к устройству ONU (Optical Network Unit). На стороне оператора связи устанавливается терминал оптической линии OLT (Optical Line Terminal). OLT является primary устройством и определяет параметры обмена трафика (например, интервалы времени приема/передачи сигнала) с абонентскими устройствами ONU (или ONT, в случае FTTH).

Дальнейшее распределение сети по дому происходит по «витой паре».

Этот подход целесообразно применять в случае развертывания сети в многоквартирных домах и бизнес-центрах среднего класса. Российские операторы связи разворачивают сети FTTB пока только в крупных городах, но в перспективе использование данной технологии повсеместно. В FTTB нет необходимости прокладывать дорогостоящий оптический кабель с большим количеством волокон, как при использовании FTTH.

FTTH

Как мы уже говорили, FTTH подразумевает доведение оптического волокна до квартиры или частного дома пользователя. Существует два типа организации FTTH сетей: на базе Ethernet и на базе PON.

Решение на базе Ethernet

В решении Ethernet FTTH для коммутации линий подразумевается использование коммутаторов с оптическими портами или оптическими трансиверами. Коммутаторы объединяются либо в «кольцо» Ethernet (GE или 10GE), либо по топологии «звезда» и располагаются на цокольном или чердачном этаже (в зависимости от способа заведения магистрального волокна в дом). К портам коммутатора подключаются устройства конечных пользователей. Такой подход обеспечивает высокий уровень надежности за счет возможности резервирования оптических каналов, и обеспечивает преемственность с существующей «медной» инфраструктурой. К недостаткам Ethernet FTTH можно отнести узкую полосу пропускания и недостаточные возможности масштабирования.

На территории абонента (в квартире или коттедже) используются устройства CPE (Customer Premise Equipment).

Решение на базе PON

При использовании решения на базе PON - пассивной оптической сети - для развертывания сети FTTH оптоволоконная линия распределяется по абонентам с помощью пассивных оптических разветвителей (сплиттеров) с коэффициентом деления от 1:2 до 1:128.

В стандартной оптической сети PON на стороне провайдера связи используются OLT (Optical Line Terminal), а в качестве абонентских устройств применяются ONT (Optical Network Terminal).

ONT представляет из себя более сложное устройство, чем CPE, используемого в Ethernet решении. Кроме функций предоставления широкополосного доступа и поддержки сервисов, ONT должен дополнительно поддерживать:

протокол управления доступом к PON;

лазеры пакетного режима (burst-mode lasers), обеспечивающие передачу данных ONT только в определенные терминалом OLT отрезки времени;

повышенная мощность сигнала (требуется учитывать потери на делителях и пр.);

шифрование;

высокая производительность;

Эти дополнительные функции обусловливают значительно более высокую стоимость устройства ONT для архитектуры PON, чем устройства Ethernet FTTH CPE.