56Научно-технические разработки

предыдущая статья | оглавление | в архив | следующая статья



Интегрированные сети. Проблемы и решения


А. Бителева Теле-Спутник - 9(23) Сентябрь 1997 г.


В связи с разразившейся информационной революцией во всем мире встала проблема изменения инфраструктуры информационных сетей. Сейчас вполне очевидно, что раздельные системы коммуникаций постепенно отживают свой век и будущее за универсальными структурами, гармонично объединяющими телевизионные сети c обратным каналом для организации интерактивных услуг с компьютерными и телефонными сетями. Такие структуры получили название B-ISDN (Broadband - Integrated Services Data Network).

Однако B-ISDN сети - это в основном из области экспериментов. Пока интеграция услуг, как правило, происходит на более скромном уровне, который подразумевает объединение телефонных каналов с каналами компьютерных сетей для организации электронной почты и связи с Internet. Такая сеть называется просто ISDN. Минимум, что требуется для развертывания ISDN сети, - наличие цифрового телефонного канала с пропускной способностью не менее 128-ми Кбит/c, в котором определенным образом организуется мультиплексирование оцифрованного телефонного сигнала и компьютерных данных. Однако речь пойдет не о конкретных способах реализации сети того или иного типа, а о некоторых общих подходах к решению проблем организации интегрированных сетей.



Рис.1
Одна из базовых проблем - необходимость разработки общего транспортного механизма, учитывающего специфику всех включенных в сеть информационных потоков. Ситуация осложняется в тех случаях, когда интегрированные сети создаются на базе уже существующих локальных сетей, которые, как правило, строились независимо друг от друга, на совершенно различном оборудовании. Транспортные механизмы должны быть совместимы с протоколами, используемыми в объединяемых сетях.

Для интегрированных сетей, включающих телефонные услуги, наиболее перспективными считаются скоростные системы организации сетей ATM и Frame Relay. Коротко рассмотрим их особенности.

Система Frame Relay основана на передаче пакетов информации. Она часто используется для модернизации широко распространенных сетей X.25. Последние из-за усложненных протоколов с повторной передачей искаженных кадров и громоздких процедур контроля не могут обеспечить необходимую скорость передачи информации, чувствительной к задержкам. В протоколах Frame Relay отсутствуют повторные передачи между соседними узлами, а функция выявления ошибок, обеспечивающая надежную передачу цифровых данных, реализуется протоколами сети X.25, работающими между конечными точками маршрута прохождения данных. Именно эти протоколы и гарантируют доставку цифровых данных, которые не очень чувствительны к задержкам, но могут оказаться весьма чувствительными к потерям даже небольших фрагментов.

Таким образом, сети X.25/Frame Relay хорошо подходят для интеграции речи и цифровых данных. Для объединения речевых потоков используется метод, близкий к применяемому при временном разделении каналов. Прочая информация занимает свободную полосу канала в соответствии с выбранным приоритетом.

Аппаратура Frame Relay, как, впрочем, и другие типы современной транспортной аппаратуры использует алгоритмы компрессии речи, основанные на устранении неинформационных фрагментов. Подсчитано, что в телефонном разговоре информация, подлежащая передаче, в среднем занимает 22% времени, столько же уходит на повторы и длинноты и около 56% времени занимают паузы. Но даже в информационной части значительная часть звуковой энергии не доходит до адресата. Все это позволяет сжать передаваемую речевую информацию в 10 - 15 раз.

В аппаратуре Frame Relay используется еще один механизм, позволяющий более гибко использовать ресурсы канала, - переменная скорость оцифровки речи. При этом сначала определяется минимальное, базовое количество информации, необходимое для удовлетворительной передачи речи, которая пакетируется для передачи в базовом потоке. Если же в канале остается свободное место, то передаются дополнительные пакеты, улучшающие качество речи.

Другая перспективная транспортная система - ATM- реализует еще более скоростной протокол передачи, хотя и менее экономно обращается с транспортными ресурсами.



Рис.2
При использовании этой технологии информация передается пакетами фиксированной длины, называемыми ячейками. Это ускоряет процесс распознания заголовка пакета коммутаторами, а следовательно, и скорость прохождения информации.

Размер ячейки стал в свое время предметом острых дискуссий в комитетах ATM Forum, организации, занимающейся разработкой стандартов ATM. Производители средств телефонии настаивали на уменьшении размера ячейки. Это было связано с тем, что речь, с одной стороны, передается маленькими порциями, а с другой - весьма чувствительна к заторам на коммутаторах, которые с большей вероятностью возникают при передаче длинных порций информации. Производителям компьютерной техники наоборот требовались более крупные ячейки. Их не устраивало неэффективное соотношение длины заголовка и информационной части у маленьких ячеек, что при передаче объемных файлов существенно увеличивает трафик, приводя к неоправданной загрузке канала.

В конечном итоге была выбрана длина ячейки 53 байта, из которых 5 было отведено заголовку ячейки, а 48 - передаваемым данным.

Другой отличительной чертой сетей ATM является предварительное установление соединения между конечными точками маршрута. При установлении соединения коммутаторы резервируют полосу пропускания в соответствии с запрошенным уровнем сервиса. Уровень сервиса включает в себя такие факторы, как допустимое количество потерянных ячеек, допустимые задержки и т. д. Если коммутатор не может поддержать затребованное соединение, то он, во избежание заторов, просто его сбрасывает. Пакетирование информации возлагается на один из четырех протоколов более высокого уровня, каждый из которых форматирует ячейки своим способом, добавляя туда служебную информацию, необходимую для поддержания требуемого уровня сервиса.

В комитетах ATM Forum разработан ряд других протоколов и интерфейсов взаимодействия составляющих элементов сети. Кроме того, разрабатывается программное обеспечение адаптеров, позволяющих включать в ATM структуры сети, разработанные без учета ATM стандартов.

Благодаря своим скоростным свойствам и гибкой адаптации к передаче разнородной информации ATM прекрасно подходит для организации B-ISDN сетей, в которых объединяются большие информационные потоки, в том числе и видеосигналы.

Другой проблемой, возникающей при организации интегрированных сетей, является необходимость передавать по одному каналу сильно возросшие потоки данных. Для ее решения существует несколько путей.

Об использовании для этой цели спутниковой связи и широкополосного коаксиального кабеля в "Теле-Спутнике" написано достаточно много. Однако широко используются и другие тракты передачи.

Наиболее скоростными на сегодняшний день являются опто-волоконные кабели. Как правило, в качестве несущей в этих кабелях используется световая волна длиной 1.3 или 1.55 мкм. Передача на таких коротких волнах позволяет даже при использовании стандартной 2-позиционной модуляции передавать за секунду Гигабиты информации.

Вообще у оптоволокна масса положительных качеств - он не подвержен внешним помехам, не боится сырости, не окисляется и не коррозирует. Кроме того, у него очень низкий уровень потерь - до 0.1дБ/км. В связи со всеми этими достоинствами оптоволокно оказывается незаменимым при прокладке магистральных шин любых крупных сетей. Кроме того, его часто применяют для субмагистральных шин телевизионных кабельных сетей, а также используют вместо многожильных телефонных кабелей на участках между АТС и удаленными концентраторами, к которым подключаются абонентские телефоны. Можно использовать его и для непосредственного подключения абонентов телефонной сети и к Internet. Однако такое решение редко бывает экономически оправдано. В тех районах, где плотность абонентов невысока, ресурсы оптического кабеля будут использованы на 5 - 10%, что совершенно не окупает расходы по его прокладке. В таких случаях для подключения абонентов ISDN сетей обычно используются существующие телефонные провода или радиодоступ.

В какой-то момент казалось, что медные витые пары, издавна используемые в телефонных сетях, скоро не смогут выдержать возросшего потока информации, поступающей к абонентам, и будут постепенно заменяться более широкополосными трактами. Однако появившиеся недавно технологии, объединенные названием DSL (Digital Subscriber Line), видимо, продлили жизнь медных проводов на долгие годы. Первоначально их разработка велась для сетей ISDN, однако сейчас они широко применяются и в узко-профильных сетях.

При использовании этих технологий пропускная способность витой пары может быть увеличена в сотни раз. Этого удается добиться в первую очередь за счет использования более совершенных способов модуляции по сравнению с двухпозиционной, применяемой в традиционных цифровых телефонных сетях. Один из этих способов - 2B1Q - четырехуровневая амплитудная модуляция - повышает скорость передачи вдвое. Еще более "скоростной" является CAP модуляция - амплитудно-фазовая модуляция без передачи несущей. Наиболее распространенный ее вид имеет 64-позиционную модуляционную диаграмму, которая позволяет в 32 раза увеличить информативность сигнала и в десятки раз сократить излучаемый в линию спектр. Из этого видно, что при использовании CAP модуляции по телефонным проводам можно даже передавать видеосигналы, для разных приложений мультимедиа.

CAP-модулированный сигнал помимо высокой информативности обладает еще и очень узким спектром - основная мощность сигнала попадает в область 100 - 240 КГц. Это обстоятельство дает ему ряд преимуществ.

  • Во-первых, отсутствие в CAP-модулированном сигнале составляющих голосового спектра (до 4-х КГц) делает его нечувствительным к помехам в диапазоне обычного телефонного сигнала.
  • Во-вторых, отсутствие в нем составляющих выше 240 КГц приводит к минимальному уровню создаваемых им электро-магнитных помех и наводок, характерных для передачи более высокочастотных сигналов.
  • В-третьих, такой узкий спектр делает и сам сигнал нечувствительным к высокочастотным шумам.

Помимо новых способов модуляции в аппаратуре DSL реализована система эхокомпенсации. Микропроцессор, декодирующий принимаемый сигнал, вычитает из полученной смеси эхо собственного передатчика. В результате появляется возможность организовать дуплексный (двунаправленный) обмен информацией на одной паре проводов.

Исходная DSL технология обеспечивает дуплексную передачу со скоростью до 160 кбит/с. Она нашла широкое применение при уплотнении аналоговых телефонных линий. В зависимости от способов сжатия сигнала и распределения полосы пропускания эта технология позволяет организовывать на одной витой паре от 4 до 8 независимых абонентских линий.

Следующим этапом явилось развитие технологии HDSL (High Digital Subscriber Line). Эта высокоскоростная технология позволяет организовать по двум или трем витым парам дуплексный обмен со скоростью, превышающей 2 Мбит/с. Она используется для организации скоростных магистралей, объединяющих локальные сети, в качестве соединительных линий между АТС, в системах уплотнения каналов и во многих других случаях.

Еще более новая модификация - ADSL (Asymmetric Digital Subscriber Line) позволяет по одной витой паре передавать в одну сторону поток до 9 Мбит/с, а в другую - до 640 Кбит/с. Эта технология очень перспективна для организации доступа в Internet, предоставления интерактивных услуг и в других случаях, когда в одну сторону посылаются большие потоки информации, а в другую - короткие запросы.

Сейчас разрабатывается еще одна технология из этого семейства - VDSL. Нам про нее известно только то, что с ее помощью удалось добиться скорости передачи 52 Мбит/с на отрезке витой пары около 500м. Оптимальные способы модуляции и кодирования для этой техники еще не выбраны.

На сегодняшний день в России наибольшее развитие получила технология HDSL.

Интересные возможности организации абонентского подключения дают разные системы радиодоступа, имеющие общее название WLL(Wireless Local Loop). Этот способ имеет ряд преимуществ перед кабельными коммуникациями.

  • Во-первых, он не требует дорогостоящих работ по рытью траншей и прокладке кабелей.
  • Во-вторых, он позволяет быстро развернуть абонентскую сеть и, соответственно, быстрее окупить вложенные средства.
  • В-третьих, он дает абонентам некоторую свободу перемещения, степень которой зависит от способа организации радиодоступа.

Организация сетей на базе WLL оказывается наиболее оправданной в районах с относительно низкой плотностью размещения абонентов, в местах исторической застройки, где нежелательны активные работы по рытью траншей. WLL часто используется и в местах со слаборазвитой инфраструктурой кабельных сетей. В России для развития WLL технологии имеются все предпосылки, так что здесь она, видимо, имеет большое будущее.

Первые WLL системы строились на базе мобильных способов цифровой связи, например GSM. Они и сейчас широко используются для организации автомобильной связи. Наряду с ними в последнее время начали распространяться системы, базирующиеся на стандартах DECT (Digital European Cordless Telecommunications). DECT- это метод беспроводного доступа к телекоммуникационным сетям общего пользования. В отличие от систем многофункциональной сотовой связи, она наиболее эффективно может использоваться в местах с высокой плотностью абонентов. Кроме того, она не предусматривает полную мобильность - это связь для пешеходов, а не для автомобилистов. Такая система абонентской связи идеально подходит для телефонизации крупных учреждений с высокой плотностью абонентов. Уровень мобильности этой связи позволяет работникам свободно перемещаться по зданию вместе с портативным телефонным аппаратом, а не быть привязанным к рабочему месту в ожидании важного звонка. DECT системы обеспечивают связь и на прилегающих к зданию территориях. Для работы систем DECT Министерством связи РФ недавно был выделен диапазон 1880 - 1900 МГц. Справедливости ради надо отметить, что стоимость развертывания DECT пока несколько выше стоимости обычной учережденческой ATC. Однако дополнительные затраты могут компенсироваться дополнительными удобствами, предоставляемыми таким типом связи.

Для того, чтобы как-то проиллюстрировать использование описанных выше методик, приведем обобщенную схему построения B-ISDN сети, которая была предложена господином Спейделом из штудгардского института телекоммуникаций на семинаре по телефонии, проходившем в рамках телевизионного симпозиума в Монтре.

Надо отметить, что выбор физических принципов, на которых построена сеть, еще не определяет объема ее сервисных возможностей и ничего не говорит о принципах организации передачи данных. Автор приведенной схемы считает, что для подобной сети, объединяющей разнородную информацию, передаваемую по разнотипным системам коммуникаций, в качестве транспортного механизма может использоваться ATM, которая прекрасно адаптируется к любой физической конструкции.

Первый уровень составляет магистраль, представляющая собой высокоскоростное опто-волоконное кольцо и обеспечивающая скорость передачи информации до 10 Гбит/с (рис 1). В это кольцо встроены мультиплексоры, через которые организуется информационный обмен между магистралью и следующим уровнем сети. При использовании ATM структуры в магистральную сеть встраивается коммутатор, необходимый для организации виртуальных каналов. Через мультиплексоры к магистральной сети подключаются линейные терминалы, которые обеспечивают прохождение необходимых порций информации по субмагистральным веткам сети. Для их организации также используется оптоволокно. Каждая такая ветка заканчивается оптическим сетевым устройством, которое демультиплексирует полученный интегральный сигнал и преобразует каждую составляющую этого сигнала в соответствии со способом его доставки абоненту (рис 2). О некоторых возможностях радиодоступа и передачи по телефонным витым парам говорилось выше. Что же касается телевизионного сигнала, то он традиционно передается через коаксиальный кабель. В системах с интеграцией услуг широкополосный коаксиальный кабель вполне может нагружаться дополнительными функциями. При наличии в сети интерактивного сервиса в нем может выделяться полоса для организации обратного канала, по которому передаются абонентские запросы. Широкая полоса пропускания этих кабелей позволяет также выделить диапазоны для прямого и обратного телефонного каналов. Основная проблема при организации интегральных потоков через коаксиальные кабели состоит в необходимости устанавливать дорогостоящую аппаратуру уплотнения. Поэтому в западных проектах, большинство из которых ориентировано на модернизацию уже существующих кабельных сетей, коаксиальный кабель, чаще используется только в своем традиционном качестве, а обратный канал организуется через телефонную сеть, в которой абонентское подключение проводится либо витыми парами с использованием новых технологий, либо опто-волоконным кабелем.

Тут наши проектировщики оказываются в более выигрышном положении. Как оптимистично обрисовал ситуацию журнал "Connect!", "отсутствие современной инфраструктуры развязывает руки для скорейшего создания инфраструктуры сверхновой".

Примером такой структуры является развернутая в подмосковном городе Юбилейный интегральная кабельная сеть "Калита-Телеком". Об этой сети уже была статья в 6-м номере журнала за прошлый год. В этой сети магистральная шины организованы на опто-волоконном кабеле, а вся распределительная сеть - на коаксиальном. Подключение абонента также организуется одним коаксиальным кабелем, а задачу разделения отдельных потоков берет на себя абонентский терминал, к которому подсоединяются телевизор, телефон, компьютер и, при необходимости, другие средства коммуникаций.

Предполагается, что сеть, развернутая в г.Юбилейном, является только фрагментом будущей информационной сети, которая охватит большую часть подмосковья. Существующий фрагмент сети работает на аппаратуре, реализующей протоколы синхронной цифровой иерархии. Это некий принцип мультиплексирования разнородных транспортных потоков, позволяющий облегчить процесс последующего отделения нужных составляющих. В будущем, однако, операторы этой сети собираются переходить на аппаратуру ATM.

Существуют и другие глобальные проекты по созданию интегрированных сетей. Например, проект "Грифон", который включает в себя экономически обоснованные решения по организации магистральной, первичной городской и абонентской сетей, объединенных на принципах ATM в общую B-ISDN сеть.

Имеется также глобальный проект "50х50" "Ростелекома", который предусматривает объединение волоконно-оптическими линиями более сотни российских городов. На сегодняшний день в рамках этого проекта проложены волоконно-оптические магистрали в Москве и Санкт-Петербурге. В Москве, кроме того, полным ходом идет внедрение ISDN сетей. Однако самым обнадеживающим фактором, пожалуй, является появление большого числа банков, налоговых структур, различных информационных агентств, филиалов зарубежных фирм и других учреждений, которые по специфике своей деятельности остро нуждаются в наличии развернутой современной информационной инфраструктуры.

Имеется уже ряд примеров объединения филиалов таких организаций сетями на сверхсовременном оборудовании. Есть основания ожидать, что рыночные условия конкурентной борьбы приведут к повсеместному переходу на использование новых технологий передачи информации.

Список использованной литературы:

  1. Журнал "Connect!", август, 1996 г.
  2. Журнал "Сети", №5, 1997 г.
  3. Журнал "READ. ME", №1, 1996 г.
  4. Материалы конференции по телефонии в рамках ITVS в г.Монтре, Швейцария, 1997 г.


 
Теле-Спутник Сентябрь 1997
наверх
 



Уважаемые посетители!
В связи с полной реконструкцией Архива, возможны ситуации, когда текст будет выводиться не полностью или неправильно (отсутсвие статей в некоторых номерах это не ошибка). Если заметите какие-то ошибки, то, пожалуйста, сообщите нам о них. Для связи можете воспользоваться специальной формой:

Номер журнала: *
Страница: *
Дополнительные сведения: *
Желательно четко опишите замеченную проблему - это поможет быстрее ее решить.
Мы не отвечаем на вопросы! Их следует задавать на нашем форуме!
Антиспам: * Нажмите мышкой на синий квадрат:


Поля, помеченные звездочкой (*)
обязательны для заполнения





Новый сайт