Состояние вопроса и общие принципы построения оптических систем

OSNRin = Ps in/ h.

При этом мощность шума на выходе будет состоять из мощности усиленного спонтанного излучения PASE (amplified spontaneous emission) и мощности шума, связанной с квантовыми флуктуациями:

PN out = РАSЕ + h.

Мощность усиленного спонтанного излучения РАSЕ определяется соотношением [2]

PASE = 2nsp(G - 1)/ ,

где nsp - коэффициент спонтанной эмиссии. Для идеального усилителя nsp = 1 . Коэффициент спонтанной эмиссии зависит от заселенностей уровней эрбия. Если учесть, что PSout/РS in = G, то шум-фактор можно выразить через коэффициент усиления и коэффициент спонтанной эмиссии

NF = [1 + 2nsp(G - 1)]/G.

а мощность усиленного спонтанного излучения будет равна

РАSЕ = (NF•G - 1) h.



Часто при описании EDFA значение шум-фактора, как и значение коэффициента усиления, указывается в дБ: nf = 10•lgNF. При G >>1 NF= 2nsp. Таким образом, в усилителях с большим усилением минимальное значение шум-фактора (теоретический предел) NF равен 2 (nf = 3 дБ) и достигается при nsp = 1. Шум-фактор двух последовательных ОУ, характеризующихся соответственно коэффициентами усиления G1 и G2 и шум-факторами NF1, и NF2 определяется по формуле

NF = NF1 + (NF2 - 1)/G1 ,

В более общем случае многокаскадного ОУ вклад в результирующий шум-фактор со стороны шум-фактора n-го ОУ уменьшается в число раз, равное произведению коэффициентов усиления всех предыдущих ОУ. Это правило позволяет сформулировать общее требование при создании многокаскадных ОУ: лучший способ получения многокаскадного усилителя с более низким уровнем шума состоит в использовании низкошумящего ОУ с малым шум-фактором и большим усилением в первом каскаде.

В двухкаскадном ОУ первый каскад работает с малым входным сигналом и называется предусилителем. Второй каскад обеспечивает большую выходную мощность и называется ОУ мощности. Применительно к каскаду ОУ EDFA имеют место следующие практические выводы: конструкция предусилителей EDFA должна обеспечивать минимально возможное значение NF1, а конструкция ОУ мощности должна обеспечивать наибольшее значение выходной мощности и эффективности накачки. Наименьшее значение шум-фактора достигается в ОУ, использующих сонаправленную накачку на длине волны 980 нм, и именно их целесообразно использовать в качестве предусилителей [3]. Наибольшую эффективность накачки и выходную мощность можно получить при использовании встречной накачки на длине волны 1480 нм. Такую конструкцию целесообразно использовать в усилителях мощности.

Работа ОУ в протяженной линии связи отличается от работы многокаскадных ОУ. В ВОСС между ОУ расположены участки ОВ, в которых сигнал существенно ослабляется.

Процесс накопления шума в протяженной линии связи удобно продемонстрировать на примере линии, содержащей Namp ОУ с одинаковыми коэффициентами усиления G и коэффициентами спонтанной эмиссии nsp (рис. 18). ОУ разделены сегментами ОВ, каждый из которых вносит затухание 1/G. Таким же сегментом волокна отделен первый ОУ от точки ввода сигнала. Такое рассмотрение хотя и является упрощенным (не учитывает эффект насыщения ОУ), однако дает достаточно правильный результат и позволяет сделать важные практические выводы [4]. Для простоты анализа удобно разделить шум на две компоненты: квантовый шум и классический шум. Классический шум ведет себя аналогично полезному сигналу, т.е. ослабляется в линии и усиливается в ОУ. Кроме того, в каждом ОУ к усиленному классическому шуму от предыдущего каскада добавляется шум усиленного спонтанного излучения. На вход первого сегмента подается «незашумленный» сигнал мощностью Рin (в таком сигнале присутствует только квантовый шум).

Рис. 18



До этого же уровня мощности происходит усиление сигнала на каждом ОУ. Однако на каждом новом ОУ линейно будет накапливаться усиленное спонтанное излучение, и на выходе Namp -го ОУ.

РАSЕ Namp = Namp 2nsp (G - 1 ) h,

Для определения полного шума на выходе линии с Namp одинаковыми ОУ следует добавить квантовые флуктуации h. Тогда отношение с/ш на выходе будет равно

OSNRout = Pin/{ h[2Nampnsp(G - 1) + 1]}.

Главная задача в ВОСС - получить на выходе как можно большее значение отношения с/ш (OSNRout). В знаменатель входит произведение Namp(G - 1 ), чем оно меньше, тем лучше. Поскольку сигнал на каждом каскаде усиливается до прежнего значения, то справедливо соотношение

G = ехр(L/[Namp10•lg(e)]) = ехр(0,23L/Namp)

или

g = 10•lgG = L/Namp ,

где [дБ/км] - удельное затухание в волокне, и L/Namp - длина пролета между усилителями. Произведение Namp(G - 1) стремится к своему минимальному значению, равному L(10•lg(e)) 0,23L при Namp, стремящемся к бесконечности (т.к. усиление G - экспоненциальная функция, то множитель (G - 1) очень быстро растет с уменьшением Namp). Таким образом, оптимальной стратегией было бы как можно более частое размещение ОУ и соответствующее уменьшение их коэффициентов усиления. Цена, однако, диктует противоположную стратегию. На практике экономически не выгодно размещать ОУ близко, так как каждый узел, в котором находится ОУ, требует определенной инфраструктуры (источника питания, помещения, защищенности узла). Так характерные расстояния между ОУ составляют 40 - 100 км и более. При типичных для реальных систем передачи информации расстояниях между ОУ коэффициент усиления должен быть большим. В этом случае соотношение (6) упрощается

OSNRout = Pin/[2hNampnspG] = Pin/[2hNampNF•G ]. (7)

Если подставить частоту , соответствующую длине волны 1550 нм, a положить равным 12,5 ГГц (это соответствует ширине фильтра 0,1 нм на указанной длине волны), то из (7) можно получить удобную при практических расчетах формулу для отношения с/ш, выраженного в децибелах

osnrout = 58 + рin - g - nf - 10•lgNamp

где pin [дБм] - вводимая в волокно мощность в расчете на канал; g [дБ] - коэффициент усиления; nf [дБ] - шум-фактор.

Хотя расстояния между ОУ в линях связи на практике не одинаковы, соотношение (8) позволяет понять многие принципы построения протяженных линий связи. Во-первых, отметим, что если расстояние между ОУ фиксировано, то на один доступный дБ уменьшения OSNRout протяженность безрегенерационного участка увеличивается на 25%, а на каждые 3 дБ - расстояние удваивается. Действительно, т.к. все члены правой части выражения (8) кроме последнего постоянны, то увеличение отношения с/ш на 3 дБ позволяет удвоить число ОУ. Поскольку расстояние между ОУ постоянно, то удвоение числа ОУ эквивалентно увеличению длины линии вдвое.

Во-вторых, из соотношения (8) также видно, что к увеличению OSNRout ведет увеличение вводимой в волокно мощности на канал Pin или, что эквивалентно, мощности сигнала на канал на выходе ОУ, уменьшение шум-фактора и уменьшение потерь в волокне.

В-третьих, имеет место более слабая логарифмическая зависимость отношения с/ш от числа линейных ОУ (рис.18).

Формулу (8) можно преобразовать, воспользовавшись связью усиления в ОУ с длиной участка между усилителями и количества усилителей с длиной регенерационного участка: g =,

Namp = L/; osnrout = 58 + рin - - nf - 10•lg(L/).

Прямой путь увеличения отношения с/ш - увеличение мощности сигнала, однако последнее ограничено влиянием нелинейных эффектов.

Вторая - снижение потерь в ОВ, что доведено сегодня до теоретического предела [4] и составляют для участков в 60, 80, 100 и 120 км величины 15, 20, 25 и 30 дБ. Для скоростей передачи 10 Гбит/с и выше следует вносить дополнительные поправки при расчете OSNRout [6].

Еще одна возможность повышения OSNR - уменьшение шум-фактора. Чтобы увеличения OSNR в конце линии на 1 дБ следует снизить NF каждого ОУ на 1 дБ, однако предельное теоретическое значение NF - 3дБ. Практически эта величина составляет 4 - 6 дБ и их снижение весьма проблематично. При протяженных участках иногда используют двухкаскадное усиление на линейном узле - предусиление и усиление мощности. При этом шум-фактор такого узла определяется формулой (5) и стремятся снизить NF ОУ.

Отметим принципиальное отличие ВОСС с периодически расположенными ОУ, между которыми большие пролеты, от многоэлементного ОУ - устройства, состоящего из нескольких ОУ, в котором каждый последующий ОУ следует непосредственно за предыдущим. Итоговый шум-фактор локального многоэлементного ОУ главным образом определяется шум-фактором первого каскада, в то время как итоговый шум-фактор линии с последовательными ОУ критично зависит от шум-фактора каждого линейного ОУ в отдельности. В последнем случае итоговое улучшение шум-фактора на 1 дБ требует уменьшить шум-фактор каждого ОУ на 1 дБ, что может привести к огромным дополнительным расходам, делающим этот путь практически неприемлемым.

Параметр OSNR характеризует накопление шума в оптическом тракте. В протяженной линии связи наиболее весомый вклад в суммарный шум вносят накопленные шумы ASE и избыточный шум источника оптического излучения

Расчет для конкретней линии связи.

Пусть дана линия связи протяженностью L0 = 1000 км с числом ОУ N0 = 10 и потерями в волокне = 0,2 дБ/км. Требуется определить число таких же усилителей N, которые обеспечили бы прежнее значение OSNR для линии 2000 км.

Решение. Чтобы обеспечить одинаковый уровень OSNR для линий 1000 и 2000 км. С учетом (8) получаем

g + 10•lgN = g0 + 10•lgN0,

где g0 = L0/N0 =20 дБ, а g = 2L0/N = 400/N, и мы получаем уравнение относительно N:

400/N + 10•lgN = 30 дБ ,



Q-фактор

Работа цифровых систем связи считается нормальной только в том случае, если коэффициент битовых ошибок BER не превышает определенный допустимый уровень, зависящий от используемого сетевого стандарта. Современные оптические линии связи строятся так, чтобы удовлетворить любому сетевому стандарту. Поэтому при их расчете и строительстве закладывается достаточно жесткое ограничение уровня ошибок (от ВЕR = 10-11 до ВЕR = 10-15).

Обратимся теперь к фотоприемнику. Будучи синхронизованным с приходящим оптическим сигналом, фотоприемник периодически в оптимальные моменты времени проводит обработку принимаемого сигнала - регистрирует интенсивность оптического сигнала и по определенному пороговому значению решает, какой сигнал принят - 0 или 1 (рис.19 - типичный вид глаз-диаграммы при использовании кода RZ при приеме оптического сигнала, а справа - модельная схема гауссовских распределений напряжения после фотоприемника непосредственно перед цепью принятия решения). Качество работы цифровой системы связи можно оценить по глаз-диаграмме. К снижению качества цифровой передачи приводит много факторов: дисперсия, нелинейные эффекты в волокне, нестабильность таймеров, усиленное спонтанное излучение и др.

Рис. 19



Кумулятивное воздействие этих факторов хорошо описывается всего четырьмя параметрами: уровнями 0, 1 сигналов, соответствующих 0 и 1, и их среднеквадратичными отклонениями 0, 1. Более того, для расчета BER требуется еще меньше информации, а именно, знание только одного параметра - Q-фактора, который определяется следующим выражением.

Q = 1 - 0 /(1 + 0)

OSNR - это только один из факторов, влияющих на коэффициент ошибок. Однако в предположении, что главным источником ошибок являются биения между сигналом и усиленным спонтанным излучением (ASE), можно найти допустимый уровень OSNR, который обеспечивает данное значение Q-фактора [5].

OSNR = Q2Be/B0

где В0 - исходная спектральная полоса 12,5 ГГц (~0,1 нм), Bе - полоса пропускания электрического фильтра фотоприемника, индекс модуляции m = I0/I1, принят равным нулю (I0, I1 - интенсивности передачи 0 и 1 лазером). Отметим, что соотношение (10) справедливо в тех случаях, когда можно пренебречь джиттером, дисперсионными эффектами и ненулевой интенсивностью передачи символа «0».

С другой стороны можно аналитически выразить BER как функцию Q с использованием функции ошибок.

BER(Q) = 0,5 erfc(Q/) exp(-0,5Q2)/(Q). (11)



Если задано требуемое значение BER, то пользуясь выражением (11) можно найти требуемое значение Q-фактора. Так для значения BER = 1,0-11 требуется обеспечить значение Q = 16,53.

Часто в качестве значения Q-фактора приводят его логарифмический эквивалент q = 20•lgQ [дБ], табл. 1. Следует обратить внимание, что множитель 20 (а не 10) выбран потому, что в (10) OSNR квадратично зависит от Q.

Таким образом обеспечивается соответствие с моделью линейного накопления шума, и из (8) и (10) следует, что приросты в децибелах для OSNR и Q-фактора будут одинаковыми.

Прямая коррекция ошибок

Длина межрегенерационного участка может достигать нескольких тысяч км, а число линейных ОУ на таком участке пары десятков и более. Это не может не сказываться негативно на отношении с/ш. В общем случае к уменьшению OSNRout и соответственно к увеличению BER ведет накопление дисперсии в ОВ между регенераторами, накопление искажений сигналов за счет нелинейных эффектов в ОВ, накопление шумов в EDFA, неидеальная работа лазеров и фотоприемников.

Все это ограничивает протяженность линии связи между регенераторами, скорость передачи на канал, число каналов и расстояния между соседними усилителями.

Таблица 1

Q - фактор, g [дБ]	BER
6,0	2,73•10 - 2
7,0	1,45•10 - 2
8,0	6,77•10 - 3
10,0	2,67•10 - 3
11,0	8,50•10 - 4
12,0	2,08•10 - 4
13,0	3,63•10 - 5
13,0	4,15•10 - 6
14,0	2,80•10 - 7
15,0	9,64•10 - 9
16,0	1,43•10 - 10
17,0	7,38•10 - 13
18,0	1,00•10 - 15

Прямая или упреждающая коррекция ошибок FEC резко повышает качество работы линии связи и, в частности, позволяет сохранить на прежнем уровне значение BER при более низком отношении SNR, т.е. при большей протяженности межрегенерационного участка. Прямая коррекция ошибок функционально организована следующим образом, рис. 20:

- Кодер FEC, находящийся в оптическом терминальном узле, принимает информационный битовый поток, добавляет в него рассчитанные избыточные символы и выдает кодированный битовый поток на большей скорости.

- Декодер FEC принимает на другом терминальном узле битовый поток, выполняет коррекцию ошибочно принятых битов, устраняет избыточные биты и передает битовый поток дальше. Коррекция ошибок обеспечивает нормальную работы системы в условиях более низкого значения OSNRout, что, в свою очередь, позволяет увеличить число ОУ и общую протяженность межрегенерационного участка. Устройство коррекции ошибок обычно является неотъемлемой частью современной ВОСС. При этом существуют разнообразные методы реализации кодеков FEC. Так, при использовании сетевых стандартов Fast Ethernet, Gigabit Ethernet в оптических интерфейсах заложено увеличение битовой скорости на 25%, а соответствующие схемы кодирования получили название 4В/5В и 8В/10В. Стандарт 10 Gigabit Ethernet предусматривает два типа кодирования: 64В/66В (избыточность 3%) для передачи по одномодовому ОВ и 8В/10В (25%) для передачи по многомодовому ОВ.



Рис. 20

Следует добавить, что в технологии Ethernet (10/100/1000/...) предусмотрена и вторая коррекция ошибок. Так, кадр стандарта IEEE 802.3 содержит специальное поле «контроль последовательности кадра» CRC, под которое отводится 4 байта. При учете допустимого изменение длины кадра в пределах от 64 до 1518 байт (преамбула исключена, так как при вычислении контрольной суммы, заносимой в поле CRC, преамбула не учитывается) дополнительная избыточность за счет поля CRC составляет 0,26 - 6,67%. В технологии SDH функцию коррекции ошибок несут однобайтовые поля В1 (мониторинг качества) и В2 (четности) SDH-фрейма.

В линиях дальней связи наиболее широкое распространение получил так называемый «out of band» FEC ITU G.975 стандарт (1999), который основан на коде Рида-Соломона RS(255, 239). FEC увеличивает битовую скорость с 9,95 до 10,66 Гбит/с и позволяет уменьшить BER от 10-5 до 10-15, соответствующий выигрыш по SNR составляет 6 дБ. FEC, основанный на коде RS(255,239). Этот код был первым одобрен для использования в коммерческих подводных системах. В настоящее время поставляются кодеки G.975 FEC, выполненные в виде одной микросхемы, для наземного оборудования дальней связи.

Конечно, использование FEC приводит к увеличению общей стоимости ВОСС, но экономически оправдано использование коррекции ошибок в системах дальней связи, т.к. позволяет уменьшить количество усилителей и регенераторов. Так, нет надобности вводить дополнительный FEC и в городские DWDM-системы в силу малых расстояний между регенераторами. Также не требуется дополнительный FEC при передаче низкоскоростных потоков STM-1/4/16, Fast Ethernet, Gigabit Ethernet.

Коды Рида-Соломона

При огромном разнообразии кодеков FEC при строительстве протяженных линий связи с множеством линейных оптических усилителей широкое распространение получили кодеки на основе блочных кодов Рида-Соломона (Reed-Solomon) RS(n,k) с s-битовыми символами, и в частности кодов RS(255, 251), RS(255, 239), RS(255, 223) с однобайтовыми (s = 8) символами. Это означает, что кодер FEC принимает последовательно каждые к символов данных длиной s бит каждый и добавляет к ним n - k символов, рассчитанные по принятым k-s битам, дополняя фрагмент до кодового слова. Это кодовое слово длиной n, состоящее из неизмененной части данных длиной k и рассчитанной добавки длиной n-k предается в линию. Декодер из полученного кодового слова, в котором могли появиться ошибки, может исправить до t символов, где t = 0,5(n - k). При этом исправление символа не зависит от числа ошибочных битов внутри него. Избыточность кода называется отношение (n - k)/k. При использовании кодеков требуется определенная процессорная мощность на кодирование и декодирование потока данных. Причем наибольшие ресурсы требуются на этапе декодирования. В табл. 2 приводятся типовые данные неаппаратного декодирования при использовании процессора Pentium P-IV, 2 ГГц. Предполагается, что чем больше избыточность, тем больший процент ошибочных символом можно откорректировать. При больших скоростях передачи необходимо использовать аппаратные кодеки. Отметим основные достоинства кодов Рида-Соломона.



Таблица 2

Код	Избыточность	Поток данных
RS(255,251)	1,6 %	144,0 Мбит/с
RS(255,239)	6,7 %	32,4 Мбит/с
RS(255,223)	14,3 %	13,2 Мбит/с

- Обеспечивается значительная корректирующая емкость - алгоритм RS(n,k) способен корректировать до 0,5(n - k) ошибочно переданных байт-символов в одном кодовом слове длиной n байт.

- Конструктивная простота как кодера, так и декодера FEC.

- Структура кодирования совместима с бинарной передачей.

- Значительная корректирующая емкость при появлении «взрывных» или непрерывных ошибок. Это свойство, присущее самому коду RS(n,k), можно дополнительно усилить путем использования чередования нескольких комплектов кодеков на один канал. Длина непрерывного участка ошибок, которые могут быть полностью откорректированы, возрастает пропорционально числу чередующихся кодеков. В настоящее время коды Рида-Соломона остаются непревзойденными по простоте и эффективности и находятся на переднем рубеже научных достижений.

Эффективность FEC принято измерять по выигрышу OSNR, т.е. насколько данный метод коррекции ошибок позволяет уменьшить OSNR на приемной стороне при сохранении значения BER на прежнем уровне. Так BER на выходе Q 10-11 требует Q-фактора 16,5 дБ, табл. 1.

Рассмотрим, что реально дает чистый выигрыш при использовании FEC, например, q = 3 дБ. Это означает, что соответствующее значение OSNR также можно уменьшить на 3 дБ (уменьшить в два раза) при сохранении прежнего уровня BER. Из соотношения (8) следует, что уменьшения на 3 дБ можно достичь, например, двукратным увеличением числа ОУ, не меняя другие параметры. То есть можно увеличить в два раза протяженность линии, сохраняя все прежние остальные параметры - вводимую в волокно мощность, коэффициент усиления и шум-фактор ОУ и расстояния между соседними ОУ. Выигрыш 7,2 дБ позволяет более чем в пять раз увеличить протяженность линии связи!

Таким образом применение эрбиевых ОУ открыло новую эру ВОСС. Стала возможной безрегенерационная передача на расстояния до 1000 км и более. В настоящее время можно утверждать, что решения на основе EDFA проверены практикой, надежны, сравнительно недороги, достаточно эффективны и не имеют лучших альтернатив при строительстве протяженных ВОЛС с расстоянием между усилителями 60 - 120 км.

3. Сети с коммутацией каналов и пакетов

Передача данных между двумя удаленными оконечными сетевыми устройствами обычно осуществляется через промежуточные сетевые узлы - узлы коммутации. В качестве оконечного устройства могут выступать рабочая станция, хост-компьютер, терминал, телефон или другое коммуникационное устройство. Соответственно, разные функции могут иметь связанные между собой физическими каналами узлы коммутации. Совокупность оконечных устройств и узлов коммутации образуют сеть передачи данных, рис. 21, а.

Спект различных технологий коммутации для передачи данных по сети приведен на рис. 21, б.

Два крайних случая представляют две основные традиционные технологии коммутации: коммутация каналов и коммутация пакетов [9, 10].



а

б

Рис. 21

Соединение с коммутацией каналов состоит в том, что на время передачи в сети создается канал, обеспечивающий определенную, фиксированную скорость передачи данных в системе прием - передача (пример - телефонные сети, традиционные аналоговые и цифровые сети ISDN). Особенностью этих сетей - длительное время установления соединения (в аналоговых сетях до нескольких секунд и более).

Особенностью работы сетевых устройств локальной сети является их очень быстрое взаимодействие с сетью (десятки миллисекунд и меньше). Технологии передачи данных, характерные для локальных сетей, преимущественно используют контролируемую со стороны рабочих станцией пакетную коммутацию.

Коммутация каналов

При использовании коммутации каналов подразумевается наличие выделенного коммуникационного канала между взаимодействующими устройствами. Этот путь образуется последовательностью определенных узлов сети.

Связь посредством коммутации каналов включает три фазы, объяснение которых проведем с использованием рис. 21 а.

1. Установление канала. Для простоты будем рассматривать передачу данных в одном направлении. Пусть устройство А хочет передавать данные на устройство Е. Прежде чем данные начнут передаваться, должен установиться канал, соединяющий оконечные станции через цепь узлов. Например, станция А посылает запрос узлу 4 с требованием установить соединение со станцией Е. Поскольку сегмент А-4 - выделенная линия, то часть канала уже существует, Узел 4 должен определить, следующий узел в маршруте, ведущий к узлу 6. Основываясь на информации о маршрутах и анализируя стоимости каналов, узел 4 выбирает канал, например к узлу 5, выделяя в этом канале (используя мультиплексирование TDM или FDM) соответствующую полосу. После этого выделенный канал установлен от устройства А через узел 4 до узла 5. Поскольку несколько станций может быть подключено к узлу 4, он должен быть способен устанавливать внутренние пути от множества станций к множеству узлов. Теперь узел 5 по аналогии с узлом 4 устанавливает канал к узлу 6 и внутренне привязывает этот канал к каналу, идущему от узла Далее узел 6 завершает соединение с устройством Е. По завершении соединения проводится тестирование, определяющее, свободно ли устройство Е, готово ли оно принимать данные.

2. Передача данных. Если устройство Е свободно, данные могут передаваться через сеть. Данные могут быть цифровыми (например, взаимодействие терминала с хостом) или аналоговыми (например, передача голоса). Сигнализация и передача могут быть как цифровыми, так и аналоговыми. В любом случае, путь образуется через: сегмент А-4, внутреннюю коммутацию на узле 4, сегмент 4-5, внутреннюю коммутацию на узле 5, сегмент 5-6, внутреннюю коммутацию на узле 6 и сегмент 6-Е. В общем, происходит установление и обратного канала, так что соединение является полнодуплексным, и данные могут передаваться в обоих направлениях.

3. Отсоединение канала. После определенного времени передачи данных соединение терминируется, обычно после соответствующей команды от одной из станций. Сигналы разъединения должны пройти по узлам 4, 5, 6 чтобы высвободить ресурсы в сеть.

Подчеркнем, что путь соединения устанавливается до начала передачи данных. Таким образом, соответствующая емкость, требуемая для данного канала передачи, должна быть в наличие и резервируется между парами узлов на всем пути еще на этапе установления канала. Для этого каждый узел должен иметь внутреннюю коммутационную емкость, чтобы обеспечить соединение.

Коммутация каналов может быть довольно неэффективной, поскольку емкость установившегося канала выделяется на время соединений оконечных устройств и не доступна под другие приложения, даже если данные не передаются. Для телефонных сетей эффективность голосового канала далека от 100%. Еще хуже обстоит дело при подключении удаленного терминала к хосту, когда данные могут вовсе не идти в течение долгого времени, и канал будет простаивать. С точки зрения производительности, задержка вносится на этапе установления соединения. Однако, если соединение установлено, то сеть прозрачна по отношению к конечным устройствам, и данные идут с минимальными задержками.

Коммутация пакетов

Протяженные ВОСС с коммутацией каналов при разработке оптимизировались для достижения наилучших характеристик при передаче голоса, и подавляющая доля потока данных в этих сетях связывалась именно с голосовой передачей. Ключевая характеристика таких сетей в том, что ресурсы внутри сети выделяются под определенные телефонные вызовы. Для голосового соединения это не плохо, поскольку один из абонентов обычно говорит, и канал не простаивает. Можно сказать, что дуплексный канал при телефонной связи используется на 50%. Полоса пропускания для канала также оптимизирована и установлена как раз такой, чтобы можно было обеспечить приемлемое качество передачи речи. Однако при использовании таких телекоммуникационных сетей для передачи данных между компьютерами, появляются два очевидных недостатка.

1. При типовом соединении (например, терминал-хост) значительную часть времени канал связи может быть свободен. Но телекоммуникационная сеть выделяет вполне определенную полосу пропускания под этот канал и не может использовать его для другого приложения. Таким образом, подход с коммутацией каналов не эффективен.

2. В сетях с коммутацией каналов соединение обеспечивает передачу на постоянной скорости. Поэтому любой паре устройств терминал-хост будет предоставлена одна и та же фиксированная скорость, что ограничивает возможности сети при подключении разнообразных хостов и терминалов.

Сеть с коммутацией пакетов способна устранить эти недостатки. Данные в такой сети передаются в виде блоков, называемых пакетами (или кадрами). Обычно верхний предел длины пакета в зависимости от стандарта может быть от тысячи до нескольких тысяч байт.

Если устройство - источник передачи желает передать данные размером больше максимальной длины пакета, то данные разделяются на несколько пакетов, рис. 22.

Рис. 22

Каждый пакет имеет поле данных, заголовок, другие служебные поля, расположенные в начале или в конце пакета. Поле заголовка, как минимум, включает информацию, необходимую узлу, сети для перенаправления (маршрутизации) пакетов в нужный канал. Возможна буферизация пакетов на узле.

На рис. 23 показаны основные операции. Рабочая станция или другое сетевое устройство посылает сообщение (например, файл данных) в виде последовательности пакетов (а). Каждый пакет наряду с данными содержит управляющую и/или контрольную информацию, в частности, адрес станции назначения, или идентификатор маршрута. Пакет первоначально посылается на узел, к которому подключена передающая станция. Узел, получая пакет, определяет по контрольной информации направление маршрута и на основание этого перенаправляет пакет в выходной порт соответствующего канала. Если связь между узлами по этому каналу исправна, пакет передается на соседний узел. Все пакеты последовательно "отрабатывают" свои пути, двигаясь через сеть к нужной станции назначения. Коммутация пакетов имеет несколько преимуществ над коммутацией каналов.

1. Эффективность, использования линии при пакетной коммутации выше, поскольку один сегмент от узла к узлу может динамически распределять свои ресурсы между многими пакетами oт разных приложений. Если на передающем узле пакетов, предназначенных для отправки по определенному каналу, собирается больше, чем емкость этого канала, то пакеты помещаются в буфер, и устанавливается очередность передачи пакетов. Напротив, в сетях с коммутацией канала время, предназначенное для каждого приложения, выделяется в виде определенного тайм-слота на основе синхронного временного мультиплексирования. Максимальная скорость передачи определяется полосой этого тайм-слота, а не всей полосой канала.

2. Сеть с пакетной коммутацией может осуществлять преобразование скорости передачи данных. Так способны обмениваться между собою пакетами станции, подключенные к соответствующим узлам сети каналами разной полосы пропускания.

3. Когда поток через сеть с коммутацией каналов возрастает, сеть может оказаться перегруженной, и в установлении каналов связи между новыми станциями может быть отказано. При перегруженности телефонной сети попытка дозвона может быть блокирована. В сетях с пакетной коммутацией при большой загруженности передача пакетов сохраняется, хотя и могут возникать задержки с доставкой пакетов, или может уменьшаться скорость передачи.

В сетях с пакетной коммутацией можно использовать систему приоритетов. Если узел хочет передать несколько пакетов, то он может, в первую очередь, передать пакеты, имеющие наивысший приоритет. Пакеты с высоким приоритетом будут доставляться с меньшей задержкой, чем пакеты с низким приоритетом.

Пусть одна станция хочет послать сообщение другой в виде файла, размер которого превосходит максимальный размер пакета. Станция распределяет содержимое файла между несколькими пакетами и последовательно направляет пакеты в сеть. И здесь возникает вопрос, каким образом сеть должна обрабатывать эту последовательность пакетов, чтобы доставить их нужному адресату. В современных сетях с коммутацией пакетов используются два различных подхода, получившие название: дейтаграммные сети и сети с виртуальными каналами.

В дейтаграммной сети каждый пакет передается без ссылки на пакеты, которые идут до или после него, рис. 23.

Каждый узел на основании контрольной информации заголовка пакета и собственных данных об окружающих узлах сети выбирает следующий узел, на который перенаправляется пакет. Пакеты с одним и тем же адресом назначения могут следовать от станции отправителя к станции назначения разными маршрутами. Конечный узел маршрута восстанавливает правильную последовательность пакетов и уже в этой последовательности передает их станции назначения. В некоторых дейтаграммных сетях может отсутствовать функция упорядочения пакетов на выходном узле - тогда эту функцию берет на себя станция назначения. Пакет может повредиться при передаче по сети.

Рис. 23

Например, если один из узлов в сети вышел из строя, то все пакеты, находящиеся на этом узле в очереди на передачу, будут потеряны. Опять же, функцию обнаружения потерянных пакетов может брать на себя как конечный узел маршрута, так и станция-получатель. В такой сети каждый пакет передается независимо от остальных и называется дейтаграммой.

В сети с виртуальными каналами перед тем, как пакеты начинают идти, создается определенный маршрут следования. Этот маршрут служит для поддержки логического соединения между удаленными станциями. Если маршрут установлен, то все пакеты между взаимодействующими станциями будут идти строго по этому маршруту, рис. 2 Поскольку на время логического соединения маршрут строго фиксирован, то такое логическое соединение в некоторой степени аналогично образованию канала в сетях с коммутацией каналов и называется виртуальным каналом. Каждый пакет теперь содержит идентификатор виртуального канала наряду с полем данных. Все узлы по маршруту знают, куда направлять такие пакеты- никакого решения по маршрутизации теперь эти узлы не принимают.

Рис. 24

В любое время каждая станция может установить один или несколько виртуальных каналов с другой станцией или станциями. Заметим, что виртуальный канал не является выделенным каналом, что было характерно для сетей с коммутацией, каналов. Пакеты, двигаясь по виртуальному каналу, могут в случае перегруженности узла или сегмента помещаться в входные и выходные буферы на узлах. Главное различие с дейтаграммным подходом и классической маршрутизацией состоит в том, что в сетях с виртуальными каналами узел не принимает решения о выборе маршрута для каждого входящего пакета, а делает это (вернее, получает инструкции куда перенаправлять пакеты с соответствующими идентификаторами маршрута) только один раз - на этапе формирования виртуального канала.

Преимущества сети с виртуальными каналами. Если две станции желают обмениваться данными на протяжении длительного времени, то подход с использованием виртуальных каналов имеет определенные преимущества. Первое, сеть может поддерживать ряд служб, связанных с виртуальными каналами, включая порядок следования, контроль ошибок и контроль потока. Правильный порядок следования легко поддерживается, поскольку все пакеты двигаются одним и тем же маршрутом и прибывают в первоначально установленной последовательности. Служба контроля ошибок гарантирует не только то, что пакеты прибывают в нужной последовательности, но и то, что все пакеты на приемной стороне корректны. Например, если один из пакетов в последовательности, двигаясь от узла 4 к узлу 6 (рис. 5.14) потерялся или пришел на узел 6 с ошибкой, то узел 6 может послать запрос на узел 4 с просьбой повторить соответствующий пакет последовательности. Служба контроля потока гарантирует, что отправитель не может "завалить" получателя данными. Например, если станция Е буферизует данные от станции А и видит, что приемный буфер близок к переполнению, то она может просигнализировать через обратный виртуальный канал о необходимости уменьшить или временно прекратить передачу данных от станции А. Второе преимущество этой сети состоит в том, что пакеты передаются через узел быстрее, когда узел не принимает решения о маршрутизации пакета.

Преимущества дейтаграммной сети. Первое - при передаче пакетов в дейтаграммной сети отсутствует фаза установления логического виртуального канала. Второе - дейтаграммная служба более примитивна и допускает большую гибкость. Например, если один из узлов в сети с использованием виртуальных каналов становится перегруженным, то "открытые" виртуальные каналы, проходящие через этот узел, невозможно перестроить. В дейтаграммной сети при перегрузке одного из узлов другие узлы могут перенаправить приходящие пакеты в обход перегруженного узла. Третье - доставка самой дейтаграммы более надежна. При использовании виртуальных каналов, если узел повреждается, все проходящие через него виртуальные каналы также разрушаются.

Коммутация каналов на разных скоростях и сети ISDN

Один из недостатков сетей с коммутацией каналов - это отсутствие гибкости в отношении предоставляемой полосы пропускания.

Если станция подключена к традиционной телекоммуникационной сети с коммутацией каналов, она вынуждена работать на определенной скорости передачи данных. Это скорость (или полоса пропускания) будет предоставлена станции независимо от вида приложения. В результате приложение с низкой скоростью будет не эффективно использовать предоставленный канал, а приложение, которому требуется высокая скорость передачи данных, наоборот, будет ограничено в выделенной емкости канала.

Для достижения гибкости используется расширенная служба предоставления канала, известная как коммутация каналов на разных скоростях. Эта техника объединяет коммутацию каналов с мультиплексированием. Станция подключается к сети при помощи единственного канала связи. По этому каналу могут передаваться данные на разных предварительно установленных скоростях с определенной дискретизацией. Поток по каждому каналу может коммутироваться независимо через сеть в различных направлениях.

Для этой техники можно построить схему, при которой все возможные каналы работают на одной и той же фиксированной скорости, или схему, которая использует различные скорости передачи данных. Примером служит сеть ISDN (Integrated Services Digital Network - Цифровая сеть с интегрированным обслуживанием). ISDN обеспечивает коммутируемую систему связи с комплексом услуг по передаче как данных, так и голоса. Определены два интерфейса доступа к ISDN: интерфейс базового доступа (BRI - Basic Rate Interfase) и интерфейс основного доступа (PRI - Primary Rate Interfase). BRI (144 Кбит/с) обеспечивает два речевых канала типа В со скоростью передачи 64 Кбит/с и один сигнальный канал типа D со скоростью передачи 16 Кбит/с (2B + D). PRI позволяет работать с каналами Т1 (1,544 Мбит/с) и Е1 (2,048 Мбит/с) которые разделены на 23 и 30 каналов типа В соответственно, и, кроме этого, имеют один сигнальный D-канал полосой 64 Кбит/с (23B + D или 30B + D). Выделенная линия может использовать как отдельный В-канал, так и их комбинацию для достижения большей полосы пропускания. Как установление, так и разъединение связи между абонентами осуществляется цифровым образом через сигнальный канал D и происходит почти мгновенно.

Почему пользователи (абоненты) могут предпочесть ISDN альтернативным решениям: модемам, выделенным линиям и другим службам глобальных сетей? Во первых, если сравнивать с работой модемов на аналоговых линиях, то ISDN дает с учетом компрессии передаваемых данных выигрыш от 8 до 26 раз в пропускной способности. Во вторых, цифровая коммутация с технологической точки зрения более надежна, чем аналоговая. Цифровая коммутация также позволяет защищать данные, используя разнообразные алгоритмы шифрования. При значительно большей гибкости по сравнению с простой аналоговой коммутацией каналов в технологии ISDN сохраняется фундаментальное ограничение. Хотя пользователь имеет возможность выбора скорости передачи, сам набор скоростей остается вполне определенный, что не позволяет в конечном итоге эффективно использовать ресурсы сети. Цифровые сети ISDN широко распространены сегодня, как альтернатива традиционным аналоговым абонентским сетям. Лидерами в распространении сервиса ISDN являются США, Япония и ряд европейских стран - Франция, Германия, Бельгия, Дания, Португалия, Великобритания.

Протокол X.25

Низкое качество каналов связи, которые были три десятилетия назад, сильная их подверженность воздействию помех и, как следствие, низкая достоверность передачи данных стали причиной разработки помехоустойчивых процедур передачи информации. Одним из наиболее широко распространенных и популярных протоколов, позволяющих решать проблемы плохих телефонных каналов связи, становится протокол Х.25. Этот протокол задумывается как эффективное средство удаленного доступа к хост-машинам. На основе коммутаторов Х.25 несколько пользователей одновременно могут общаться с одним хостом, причем каждый пользователь загружает канал связи с хост-машиной только на время передачи информации, при этом оставаясь на связи и в другие моменты времени. Поддержка связи обеспечивается благодаря установлению логического соединения или виртуального канала.

Протокол передачи данных с коммутаций пакетов Х.25 разработан комитетом МККТТ (сегодня ITU-T) именно для работы по линиям связи с большим уровнем помех, каковыми, например, являются аналоговые телефонные линии. Для обеспечения требуемой достоверности передачи информации используется многоуровневая система обнаружения и коррекции ошибок.

Каждый узел коммутации сети Х.25 на пути движения пакета проверяет целостность пакета, читает контрольную сумму, содержащуюся в его заголовке и вычисленную при передаче, находит ее значение для полученного пакета и сравнивает эти два значения. При небольшом количестве ошибок узел способен восстановить пакет и передать его дальше по пути следования. При этом узел посылает подтверждение предыдущему узлу о корректном приеме пакета. Если же восстановить пакет невозможно, делается запрос на его повторную передачу. По аналогичной схеме работают все сетевые узлы - коммутаторы Х.25.

Высокий уровень помех на линии приводит к падению скорости передачи, и по этой причине многие сети с пакетной коммутацией работают со скоростью передачи до 64 Кбит/с. Кроме того, скорость передачи информации (не следует ее путать со скоростью передачи данных непосредственно в физическом канале) не остается постоянной, а зависит от уровня помех и вызванных ими ошибок. Другими словами, время доставки одного пакета, обусловленное только качеством канала, не является постоянной величиной.

Ретрансляция кадров Frame Relay

Методы пакетной коммутации были разработаны в то время, когда в протяженных цифровых сетях при передаче данных появлялось большое количество ошибок. Как следствие, пакеты были перенасыщены заголовками и содержали большую избыточную информацию, позволяющую восстанавливать ошибки в пакетах. Восстановление пакетов и ликвидация ошибок входило в функции не только конечных станций, но и всех узлов сети, например, использование протокола Х.25.

В современных скоростных телекоммуникационных сетях, применяющих ВОЛС для передачи данных, уровень ошибок резко снизился и большая избыточность кодировки поля пакета становится ненужной (отнимает сетевые ресурсы).

Протокол Frame Relay разработан для использования на линиях связи с низким уровнем помех, поэтому в протоколе Frame Relay нет той избыточности, которая была характерна для Х.25. В Frame Relay устранена система контроля ошибок всего кадра. Вместо этого сетевой коммутатор проверяет целостность полученного кадра и только для адресного поля осуществляет контроль ошибок. Если хотя бы один из этих тестов не проходит, коммутатором посылается запрос на повторную передачу кадра.

Если первоначальные сети с коммутацией каналов предоставляли конечному пользователю скорость около 64 Кбит/с, то сети Frame Relay позволили подключаться пользователям в глобальную телекоммуникационную сеть со скоростью 2 Мбит/с. Главным достоинством, технологии Frame Relay стала низкая избыточность информации в пакете, увеличивающая производительность передачи данных в сети.

Первоначально предназначенные для объединения ВОЛС Frame Relay сегодня охватывают широкий диапазон потоков данных, включая SNA, X.25 и ряд других. В то же время, Frame Relay получил ограниченное применение в территориальных сетях. Одна из причин кроется в том, что в стандарте заложена возможность передачи протяженных кадров, причем разной длины (передаваемые кадры могут иметь переменную длину до 1500 бит). Другая причина в том, что битовая скорость для потока данных от конкретного передающего устройства может быть непостоянной от узла к узлу в сети Frame Relay из-за статистического мультиплексирования пакетов разной длины. Таким образом, возможны задержки в следовании пакетов и вариации этих задержек. Хотя эти свойства весьма удобны для передачи данных (сообщений, команд, файлов и так далее), они плохо согласуются с передачей голоса и видеоизображения. Последние требуют передачи регулярных потоков, скорость же передачи информации от узла к узлу в сети Frame Relay не постоянна, и поэтому при передаче голоса или видеоизображения их качество может ухудшаться при большой загруженности сети.

Интерфейс Frame Relay, безусловно, останется пользовательским интерфейсом, но при подключении к глобальной сети он, очевидно, будет преобразовываться в более универсальный протокол ATM.

Ретрансляция ячеек Cell Relay

Ретрансляция ячеек, более известная как ATM (Asynchronous Transfer Mode - режим асинхронной передачи), представляет собой последнее достижение в области пакетной коммутации и коммутации каналов на протяжение последних 25 лет и является эволюцией технологии ретрансляции кадров. Главным отличием между ними является то, что Frame Relay использует пакеты переменной длины, a Cell Relay использует пакеты фиксированной длины, которые называются ячейками, и предоставляют ограниченный до минимума заголовок для выполнения контроля. Используя фиксированную длину пакетов в ячейке ATM, удалось еще сильнее сократить заголовок по сравнению с заголовком пакета. Если Frame Relay обычно предоставляет скорость канала подключения для конечного пользователя к сети до 2 Мбит/с, то ATM позволяет подключать конечных пользователей на скорости от десятков до сотен Мбит/с.

4.Эталонная модель OSI

Сетевая ВОСС конструируется по слоям или уровням, где каждый уровень выполняет определенный набор функций. Объединением уровней формируется сетевая архитектура, которая выделяет функции связи по определенным логическим группам - уровням, что в значительной степени упрощает стандартизацию. Особенностью открытой сетевой архитектуры является то, что правила взаимодействия уровней не представляют закрытую информацию или собственность какой-либо организации, а открыты для всеобщего изучения и использования.

Каждый уровень имеет свои определенные правила и процедуры, которые называются протоколами. Протоколы регулируют активность в пределах уровня и характер взаимодействия между уровнями. При этом допускается взаимодействие как между соседними уровнями по вертикали в пределах одного сетевого устройства, так и между однотипными уровнями разных сетевых устройств. В результате этого происходит передача и преобразование данных между уровнями в пределах одного сетевого устройства и между различными сетевыми устройствами. Уровни независимы друг от друга и изменение одного из них (или его внутренних протоколов) не влечет изменения протоколов в соседних уровнях, а разделение на уровни позволяет не только упростить конструирование сети и структурировать ее функции, но и расширить набор приложений, ориентированных на пользователей сети и обеспечить наращивание сети в процессе ее развития.

Наибольшее использование сегодня получила открытая сетевая архитектура, использующая в своей основе эталонную модель взаимодействия открытых систем или ЭМВОС (Open Systems Interconnection/Reference Model), или кратко модель OSI (ВОС).

Эта семиуровневая модель (разработанная совместно ISO и CCITT в 1977 г. - современное название ITU-T) на сегодняшний день составляет основу для развития международных стандартов в области компьютерных коммуникаций, табл. 4 [12], где уровни с меньшим номером принято называть низкими уровнями, а уровни с большим номером - высокими.

Таблица 4

Уровень (layer)	Назначение
1 Физический (Physical) 2 Канальный (Data Link) 3 Сетевой (Network) 4 Транспорт (Transport) 5 Сессионный (Session) 6 Представительный (Presentation) 7 Прикладной (Application)	Ответственен за физические, электрические характеристики линии связи между узлами (коаксиальные кабели; витые пары; волоконно-оптические кабели; разъемы, например RJ-45, AUI, DB-9, MIC, ST, SG; повторители; тран-сиверы, и т.д.). Обеспечивает надежную передачу данных по физическим линиям связи. На этом уровне (звена данных) происходит исправление ошибок передачи, кодирование и декодирование отправляемых или принимаемых битовых последовательностей. Этот уровень подразделяется на подуровень Medium Access Control (MAC). Уровень MAC -определяет характер доступа к среде - детерминированный доступ с передачей маркера (Arcnet, Token Ring, FDDI, 100VG AnyLAN) или множественный доступ с распознаванием коллизий (Ethernet - IEEE 802.3). Уровень LLC -верхний подуровень - посылает и получает сообщения с полезными данными. Обеспечивает для верхних уровней независимость от стандарта передачи) данных (прозрачность), оперирует с такими протоколами, как IPX, TCP/IP и др., а также отвечает за адресацию и доставку сообщений. Управляет упорядочиванием компонентов сообщений и регулирует входящий поток, если на обработку приходит два или более пакетов одновременно. Дублированные пакеты распознаются этим уровнем и лишние дубликаты фильтруются. Открывает соединение (сессию или сеанс), поддерживает диалог, т.е. управляет отправкой сообщений туда и обратно, и закрывает сессии. Этот уровень позволяет прикладным программам, работающим на разных сетевых устройствах, координировать свое взаимодействие в рамках отдельных сессий (сеансов). Осуществляет преобразования данных из внутреннего числового формата, присущего данному сетевому устройству, в стандартный коммуникационный формат. Примеры: кодирование, сжатие, переформатирование текста. Предоставляет программисту интерфейс к модели OSI. Примеры: сервер транзакций, протокол FTP, сетевое администрирование.

Стандарты IEEE 802

Сетевые протоколы и стандарты двух нижних уровней модели OSI (физический и канальный) были разработаны комитетом IEEE 8802 (Insnitute of Electrical and Electronic Engineers). Сегодня получило распространение несколько различных вариантов построения этих уровней, причем у канального уровня только его нижний подуровень - MAC (Media Access Control - Управление доступом к среде) - был выделен и объединен с физическим уровнем для организации сетевого стандарта. Таким образом, протоколы подуровня LLC (Logical Linc Control - Управление логическим звеном - канального уровня) и более высоких уровней 3, 4 и т.д. остались независимыми от сетевых стандартов.

На рис. 25 приведены основные сетевые стандарты IEEE 802. Следует отметить, что стандарт FDDI (Fiber Distributed Date Interfase), несмотря на то, что был разработан другой организацией, также включен в эту группу сетевых стандартов, так как он выполнен в полном соответствии с эталонной моделью OSI/IEEE 802.

Рис. 25

Основными причинами разработки ряда сетевых стандартов являются: обеспечение на сетевом рынке доступных интерфейсов (цена которых значительно ниже стоимости настольного ПК), удовлетворение потребности в скоростной передаче данных, свойственной современным приложениям (например, клиент-сервер) и необходимой при организации сетевых магистралей.



Литература

сетевой стандарт оптический мультиплексор

1. Карташевский В. Г., Семенов С. Н., Фирстова Т. В. Сети подвижной связи.-М.:Эко-Трендз,2011,300с.

2. Веселовский К. Системы подвижной радиосвязи / Пер. с польск. И. Д.Рудинского; под ред. А. И.Ледовского.-М.: Горячая линия - Телеком, 2015

3. Бабков В. Ю., Вознюк М. А., Михайлов П. А. Сети мобильной связи. Частотно-территориальное планирование./ СПбГУТ. СПб., 2014.

4. Громаков Ю. А.Стандарты и системы подвижной радиосвязи. - М.:Эко-Трендз,2007,238c.

Размещено на Allbest.ru

...