Дата выдачи задания 15 марта 2004 г

7.         Дата выдачи задания 15 марта 2004 г.

Руководитель проекта ____________ А. Б. Кильдибеков

Задание принял к исполнению______________ А. И. Калиновский

Реферат

УДК 681.518

Дипломный проект содержит 88 страниц, 5 рисунков, 9 таблиц, 12 источников, 6 листов графического материала.

Сеть, Интернет, кабель, коммутатор, Ethernet, ADSL, оптоволокно, Linux, PPPOE, витая пара, медиаконвертор.

 

Объектом разработки является локальная компьютерная сеть в жилом микрорайоне, расположенном по улицам Масленникова и 20 Лет РККА.

Цель – проработать все аспекты и тонкости построения домашней сети, чтобы на практике достичь максимально надёжной, долговечной, удобной в эксплуатации и экономически выгодной сети.

В результате проделанной работы были найдены и проработаны оптимальные решения для построения, как домашней сети по улицам Масленникова и 20 Лет РККА горда Омска, так и для построения аналогичных локальных компьютерных сетей в большинстве крупных городов России. Учитывая, что домашние сети начали активно развиваться только недавно, и принципы построения ещё окончательно не выработаны, данная работа будет полезна для большинства людей занимающихся строительством домашних сетей.  

Кроме того, данный дипломный проект интересен тем, что в нём описывается разработка как простейшей локальной домашней сети, не требующей больших финансовых вложений, так и модернизация и расширение существующей сети, до сети значительно более высокого уровня с использованием современных технологий, охватывающей большое количество жилых домов.

Содержание

Введение. 8

1 Принципы построения домашних сетей. 9

1.1 Технология FastEthernet 13

1.1.1 Спецификации физического уровня Fast Ethernet 16

1.1.1.1 Физический уровень 100Base-FX - многомодовое оптоволокно. 17

1.1.1.2 Физический уровень 100Base-T4 - четырехпарная витая пара. 20

1.1.2 Протоколы TCP/IP. 21

1.2 Волоконно-оптические линии связи. 25

1.3 Технологии DSL. 31

1.3.1 Технология ADSL. 34

1.4 Анализ конфигураций широкополосного абонентского доступа. 37

1.5 Подготовка кабельной сети к развертыванию xDSL. 42

2 ЛВС в микрорайоне по улицам Масленникова и 20 лет РККА.. 47

2.1 Выбор мест расположения оборудования. 47

2.2 Выбор топологии сети. 48

2.3 Выбор типа кабеля. 51

2.4 Прокладка кабеля. 51

2.5 Активное сетевое оборудование. 52

2.7 Модернизация и расширение сети. 55

2.7.1 Выбор типа оптоволоконного кабеля. 55

2.7.2 Прокладка оптоволоконного кабеля. 56

2.7.3 Выбор типа оптических коннекторов. 57

2.7.4 Выбор типа соединения оптоволокна. 58

2.7.5 Сварка оптоволокна. 58

2.7.6 Оптические шкафы.. 59

2.7.7 Выбор оборудования. 59

2.2.8 Настройка на сервере PPPOE-SERVER и Firewall под Linux. 62

2.2.9 Настройка PPPOE под Windows на компьютере клиента. 65

3. Расчёт сметной стоимости ЛВС.. 68

4. Техника безопасности при производстве работ на электрооборудовании ЛВС.. 75

4.1 Характеристика возможных опасных и вредных производственных факторов 75

4.2 Организационно-технические мероприятия по технике безопасности. 78

4.3 Технические средства защиты, обеспечивающие безопасность работ; оценка их эффективности. 79

Заключение. 84

Библиографический список. 86

В конверте на обороте обложки:

Компакт-диск CD-R: Пояснительная записка.

Презентация.

Демонстрационные листы.

Демонстрационные листы:

Схема сети изначальной…...………………………………………...лист 1

Стукутура сети изначальной………………………………………...лист 2

Схема сети модернизированной ....…….…………………………...лист 3

Схема сети модернизированной….…….…………………………...лист 4

Стукутура сети модернизированной ..……………………………...лист 5

Стукутура сети модернизированной ..……………………………...лист 6

Введение

Сеть Интернет становится все более популярной, однако настоящая популярность придет, когда к ней будет подключен каждый дом. Сейчас же наиболее массовым является телефонное соединение. Скорость его не превышает 56 кбит/c, и поэтому пользоваться мультимедийными ресурсами Интернет практически невозможно — IP-телефонии, видео-конференциям, потоковому видео и другим аналогичным сервисам для нормальной работы требуются более высокие скорости. Сегодня появляются технологии, способные увеличить скорость подключения, но пока они дороги для индивидуального пользователя. Один из возможных вариантов – коллективное подключение к Интернет, домашние сети. Благодаря которым, появляется возможность значительно сократить финансовые затраты на подключение для конечных пользователей. Хотя коллективный доступ уже несколько лет практикуется в России, пока еще не выработаны стандарты, обеспечивающие грамотное создание дешевых домашних сетей.

Целью данного проекта является разработать домашнюю компьютерную сеть в жилом микрорайоне по улицам Масленникова и 20 Лет РККА, подключённую к Интернет по выделенному скоростному каналу от компании «Сотлайн». Многих пользователей сети Интернет не удовлетворяет качество связи обеспечиваемое аналоговыми модемами при подключении к Интернет. Кроме того, часто конечным пользователям экономически более выгодно подключение к Интернет по выделенному скоростному каналу за счёт того, что в таком случае оплачивается трафик, а не длительность соединения как при использовании аналоговых модемов. Локальная компьютерная сеть в жилом микрорайоне позволила создать коллективный доступ к Интернет по высокоскоростному выделенному каналу по доступным для конечных пользователей ценам. При этом, значительно большая скорость соединения с Интернет позволяет расширить возможности его использования и проводить аудио-видео конференции, прослушивать Интернет-радио. Кроме того, пользователи локальной сети могут обмениваться между собой программами, музыкальными и видео записями и играть в сетевые компьютерные игры.

Для обеспечения стабильного функционирования сети сеть должна обладать надёжностью кабельных соединения, правильно топологией, грамотным выбором мест расположения оборудования. При этом важно обеспечить низкий бюджет проекта, чтобы сохранить доступность подключения. В данной работе проработаны все аспекты для создания качественной, современной локальной компьютерной сети в жилом микрорайоне, которые в настоящий момент имеют практическую реализацию и подтверждение правильности технических решений в виде стабильно функционирующей компьютерной сети в данном микрорайоне.

 

1 Принципы построения домашних сетей

Построение домашней сети — это фактически решение проблемы «последней мили», то есть создание дешевых, удобных и наиболее скоростных каналов в Интернет для конечных пользователей. Принято разделение территории, на которой происходит подключение домашнего компьютера, на три участка.

«Последняя миля» — это участок сети между провайдером Интернет и домом пользователя. На этом отрезке необходимы высокоскоростные технологии «точка–точка», с помощью которых передается весь поток информации, генерируемый и поглощаемый всеми пользователями, живущими в этом доме. Для последней мили обычно применяют выделенные линии, xDSL-технологии, кабельные модемы, радио-Ethernet, обычный Ethernet и различные оптоволоконные технологии передачи данных. Для расширения прямого канала можно также использовать однонаправленный спутниковый доступ.

«Последний ярд» — это разводка сигнала внутри дома. Существует мнение, что разводки по дому можно не делать, а подключать к Интернет нужно каждого пользователя в отдельности, то есть для каждого тянуть или искать отдельный кабель к провайдеру. Такое подключение называется прямым. Очевидно, что прямое подключение экономически невыгодно. При коллективном подключении дома требуется технология распределения ресурса по всем участникам проекта. Для этого можно использовать Ethernet, HomePNA, xDSL и радио-Ethernet.

«Последний фут» — это разводка сигнала по квартире. Конечно, если в квартире проложена СКС, то проблем с подключением компьютера не будет, но в любом другом случае прокладка кабеля по квартире связана с определенными проблемами. Впрочем, даже без подключения к Интернет иногда возникает необходимость собрать в единую сеть несколько компьютеров. Для этого можно использовать либо радиотехнологии — Bluetooth или Home FR, либо HomePNA по телефонной сети.

Большинство домашних сетей являются не коммерческими, и строятся жителями районов. Они прокладывают кабель и подключают сеть к Интернет. Как правило, такие инициаторы сами же являются и владельцами домашней сети. Подобную организационная схема устраивает провайдеров, поскольку в этом случае они лишь оказывают посильную помощь в развитии и поддержке сети, которой главным образом занимаются сами ее владельцы.

В случае, когда сеть строит инициативная группа, она же несет необходимые расходы по замене оборудования, модернизации кабельной инфраструктуры и решению возникающих проблем. В этом случае провайдеры, кроме собственно предоставления канала, могут помочь настроить маршрутизацию потоков между домашней сетью и Интернет, иногда они также занимаются тарификацией и выставлением счетов для каждого абонента в отдельности. Обратная же сторона заключается в том, что в случае возникновения каких-либо проблем с сетью, не все клиенты понимают чья это ответственность и появляются претензии к провайдеру. Именно поэтому провайдеры всё больше либо сами участвуют в создании локальной сети, либо имеют партнёрские отношения с коммерческими организациями, сферой деятельности которых являются домашние сети.

Есть домашние сети, которые провайдеры развертывают для оптимизации своих затрат на подключение пользователей. Правда, будучи коммерческими организациями, провайдеры не могут себе позволить вести проекты с большим объемом инвестиций, которые окупятся только через несколько лет. Поэтому прокладка оптоволокна в дом и разводка его по всем квартирам — решение для них сейчас экономически невыгодное. При постепенном же развитии сети инвестиции в создание инфраструктуры могут быть минимальными и начнут окупаться достаточно быстро. Для этого можно соединять дома постепенно — квартал за кварталом, получая прибыль с каждого подключенного участка. Такой подход позволяет минимизировать расходы на кабельную инфраструктуру, но одновременно требует использования масштабируемых и достаточно массовых технологий. Лучше всего сразу создавать качественную кабельную проводку домашней сети, как минимум на основе витой пары пятой категории.

Провайдеры могут строить домашние сети по следующей схеме. В квартале выбирается точка присутствия, через которую можно подключить несколько домов. В эту точку ставится маршрутизатор и арендуется пара проводов к опорной сети провайдера, которая обеспечивает подключение домашних сетей к магистрали. При этом маршрутизация потоков выполняется в точке присутствия, а всю разводку по дому можно осуществлять на неуправляемых коммутаторах. В этом случае, чем дешевле устройства «последнего ярда», тем проще их защитить от вандализма и заменить при какой-либо аварии. В результате получается одна большая и почти неуправляемая локальная сеть.

Для подключения дома к Интернет и создания каналов связи между домами в качестве основной используется xDSL-технология. Как правило, это симметричные потоки E1 (2 Мбит/с) или несимметричное ADSL-подключение. Есть еще две приемлемые технологии: кабельные модемы и радио-Ethernet. Их схожесть в том, что теоретически они не требуют прокладки дополнительных кабелей. Однако кабельных сетей, на которые рассчитаны кабельные модемы, в России практически нет, а радио-Ethenet плохо работает в больших городах. Кроме того, легальное использование радио-Ethernet сопряжено с определенными трудностями. Проекты, где предусмотрена прокладка дополнительных кабелей (коаксиального — для кабельных модемов или оптоволоконного — для Ethernet), как правило, достаточно дороги и носят единичный характер. Поэтому наиболее массовой для подключения домашних сетей является технология ADSL.

Однако и с ADSL не все так просто. Проблема в том, что провайдеры Интернет не всегда могут получить доступ к уже проложенным телефонным кабелям. Кроме того, телефонные колодцы и разводку проводов по дому контролирует телефонный оператор, который будет сопротивляться установке на этих участках дополнительного оборудования. Провайдеры Интернет вынуждены либо идти на компромисс с телефонными операторами, либо строить собственные сети. Если провайдер пользуется городской телефонной сетью, то тут задействуются известные западные бизнес-модели. В этом случае оптимальным решением является технология ADSL для предоставления услуг передачи данных с несимметричными скоростями, что характерно для жилого сектора.

Но DSL по существующей телефонной проводке можно провести далеко не в каждую квартиру, так как качество линии способно существенно уменьшить дальность и скорость соединения. Впрочем, стоимость абонентской платы для прямого подключения может быть невысокой, поскольку расходы провайдера на поддержание DSL-соединения небольшие. Таким образом, основной проблемой прямого подключения для частных пользователей является ценовой порог вхождения.

Другая неприятность при работе с DSL-технологией — плохое качество телефонных медных кабелей и разводки в кросс-панелях. Когда провайдеры сами строят сети для подводки сигнала к дому, то кроме описанных выше DSL-технологий и кабельных модемов используется еще оборудование Ethernet, поскольку в этом случае оно будет достаточно дешевым. Но при применении Ethernet на «последней миле» приходится прокладывать оптические кабели, что увеличивает стоимость проекта.

В дополнение к сказанному стоит упомянуть технологию ассимметричного спутникового доступа. Подобные решения существуют достаточно давно и позволяют решить проблему дисбаланса потоков информации, ускоряя передачу данных из Интернет к конечному пользователю. Если для индивидуального пользователя стоимость установки такой системы непомерно высока, то для коллективного подключения она вполне подходит. Однако для их эксплуатации все равно нужен обратный канал, организованный на основе одной из вышеперечисленных технологий.

В качестве разводки по дому обычно используют технологию Ethernet. Она привычна, достаточно дешева и ее поддерживают практически все производители. Однако как альтернатива ей есть неприхотливая технология HomePNA. Кроме того, можно и на этом участке задействовать DSL-оборудование, которое базируется на стандартах, обеспечивающих более высокие скорости. Правда, DSL-модемы, как правило, на порядок дороже устройств Ethernet и HomePNA, и хотя DSL позволяет организовывать синхронные каналы (с гарантированным временем задержки), для передачи данных это ненужное излишество.

HomePNA по цене близок к Ethernet, однако функционирует на базе существующей телефонной проводки, не мешая работе обычного телефона. Таким образом, с помощью стандарта HomePNA 1.0 телефонные шлейфы в доме можно легко превратить в соединения компьютерной сети по топологии «звезда». Правда, для этого провайдеру нужен доступ к телефонному кроссу в подъезде, а в большинстве домов владельцем абонентских шлейфов и кросса является оператор местной телефонной связи, который будет исходить из своих интересов. В некоторых случаях провайдеру приходится использовать альтернативную проводку или организовывать ее самостоятельно. Тогда лучше установить версию HomePNA 2.0, которая поддерживает топологию «шина». Согласно этой схеме, по подъезду прокладывается один кабель, к которому подключается конвертер HomePNA-Ethernet. При появлении нового абонента делается горизонтальный отвод в его квартиру, но полоса пропускания делится между всеми пользователями подъезда.

Стоимость технологий Ethernet и HomePNA для решения проблемы «последнего ярда» примерно одинакова. Хотя оборудование HomePNA 2.0 в два раза дороже, чем Ethernet и HomePNA 1.0, общие затраты на организацию доступа в пересчете на один подъезд вполне сопоставимы — из-за применения в первом случае более эффективной шинной топологии. В целом HomePNA задействует новые алгоритмы модуляции, что позволяет на одинаковых расстояниях использовать более дешевые кабели, чем требуется для сетей Ethernet.

Предлагаемые решения проблемы «последнего ярда» относятся к домам, которые строились задолго до появления технологии передачи данных. В строящихся сегодня домах, как правило, предусмотрена специальная кабельная система для передачи данных, голоса и мультимедиа, поэтому здесь проблема «последнего ярда» уже решена. Кабельная система таких зданий рассчитана на технологию Ethernet, и поэтому лучше всего использовать именно ее.

Разводка по квартире занимает минимум времени. Особенно при использовании технологии HomePNA, поскольку она требует всего лишь обычную телефонную проводку. С помощью HomePNA можно также объединить компьютеры в «квартирную» сеть, а один из них подключить к Интернет, используя его в качестве маршрутизатора. В качестве альтернативы можно назвать радиотехнологии, такие как Bluetooth или Home FR. Bluetooth изначально была рассчитана на небольшой радиус действия, но поскольку расстояние зависит от мощности излучателя, то его можно увеличить. Известны сети, где применяется технология Bluetooth на расстоянии около 100 м, а при использовании специальных усилителей — и до 500 м. Правда, скорость передачи данных с помощью Bluetooth оставляет желать лучшего – она не более 800 кбит/c. Кроме того, необходимо соблюсти санитарно-гигиенические нормы на мощность излучения.

Использование радио-Ethernet внутри дома затрудняется тем, что большая часть оборудования на основе этой технологии работает на частоте около 2,4 ГГц. Дело в том, что именно на такой частоте функционируют и бытовые СВЧ-печи; а теперь начали еще выпускать домашние телефоны, рассчитанные на тот же диапазон. Поэтому использовать радио-Ethernet для разводки по квартире будет практически невозможно из-за сильного затухания, большого количества помех и ограниченности частотного диапазона. Впрочем, эта технология вполне пригодна для организации «последнего фута», но популярность к ней придет только тогда, когда радиотехнология сравнится по цене с Ethernet и HomePNA.

В последнее время появляются решения для передачи данных по силовой проводке. Однако официально использовать их будет затруднительно, поскольку нужно договариваться с энергетиками, а требования к электробезопасности в России достаточно жесткие. Можно также устанавливать соединение через инфракрасные порты, но оно будет ненадежным и разрываться любым препятствием. Так или иначе, наиболее актуальными остаются Ethernet и HomePNA. При этом Ethernet значительно выигрывает в скорости, но минусом является необходимость прокладки кабельной системы. Если же учесть, что не все квартиры в доме телефонизированы, то именно FastEthernet становится оптимальным вариантом.

1.1 Технология FastEthernet

Технология Fast Ethernet является эволюционным развитием классической технологии Ethernet. 10-Мегабитный Ethernet устраивал большинство пользователей на протяжении около 15 лет. Однако в начале 90-х годов начала ощущаться его недостаточная пропускная способность. В 1992 году группа производителей сетевого оборудования, включая таких лидеров технологии Ethernet как SynOptics, 3Com и ряд других, образовали некоммерческое объединение Fast Ethernet Alliance для разработки стандарта на новую технологию, которая обобщила бы достижения отдельных компаний в области Ethernet-преемственного высокоскоростного стандарта. Новая технология получила название Fast Ethernet.

Одновременно были начаты работы в институте IEEE по стандартизации новой технологии - там была сформирована исследовательская группа для изучения технического потенциала высокоскоростных технологий. За период с конца 1992 года и по конец 1993 года группа IEEE изучила 100-Мегабитные решения, предложенные различными производителями. Наряду с предложениями Fast Ethernet Alliance группа рассмотрела также и другую высокоскоростную технологию, предложенную компаниями Hewlett-Packard и AT&T.

В центре дискуссий была проблема сохранения соревновательного метода доступа CSMA/CD. Предложение по Fast Ethernet'у сохраняло этот метод и тем самым обеспечивало преемственность и согласованность сетей 10Base-T и 100Base-T. Коалиция HP и AT&T, которая имела поддержку гораздо меньшего числа производителей в сетевой индустрии, чем Fast Ethernet Alliance, предложила совершенно новый метод доступа, называемый Demand Priority. Он существенно менял картину поведения узлов в сети, поэтому не смог вписаться в технологию Ethernet и стандарт 802.3, и для его стандартизации был организован новый комитет IEEE 802.12.

В мае 1995 года комитет IEEE принял спецификацию Fast Ethernet в качестве стандарта 802.3u, который не является самостоятельным стандартом, а представляет собой дополнение к существующему стандарту 802.3.. Отличия Fast Ethernet от Ethernet сосредоточены на физическом уровне. Более сложная структура физического уровня технологии Fast Ethernet вызвана тем, что в ней используется три варианта кабельных систем - оптоволокно, 2-х парная витая пара категории 5 и 4-х парная витая пара категории 3, причем по сравнению с вариантами физической реализации Ethernet (а их насчитывается шесть), здесь отличия каждого варианта от других глубже - меняется и количество проводников, и методы кодирования. А так как физические варианты Fast Ethernet создавались одновременно, а не эволюционно, как для сетей Ethernet, то имелась возможность детально определить те подуровни физического уровня, которые не изменяются от варианта к варианту, и остальные подуровни, специфические для каждого варианта.

Основными достоинствами технологии Fast Ethernet являются:

- увеличение пропускной способности сегментов сети до 100 Мб/c;

- сохранение метода случайного доступа Ethernet;

- сохранение звездообразной топологии сетей и поддержка традиционных сред передачи данных - витой пары и оптоволоконного кабеля.

Указанные свойства позволяют осуществлять постепенный переход от сетей 10Base-T к скоростным сетям, сохраняющим значительную преемственность с технологией: Fast Ethernet не требует коренного переобучения персонала и замены оборудования во всех узлах сети.

Официальный стандарт 100Base-T (802.3u) установил три различных спецификации для физического уровня (в терминах семиуровневой модели OSI) для поддержки следующих типов кабельных систем:

100Base-TX для двухпарного кабеля на неэкранированной витой паре UTP категории 5, или экранированной витой паре STP Type 1;

100Base-T4 для четырехпарного кабеля на неэкранированной витой паре UTP категории 3, 4 или 5;

100Base-FX для многомодового оптоволоконного кабеля.

Подуровни LLC и MAC в стандарте Fast Ethernet не претерпели изменений. Подуровень LLC обеспечивает интерфейс протокола Ethernet с протоколами вышележащих уровней, например, с IP или IPX. Кадр LLC, изображенный на рисунке 1.1, вкладывается в кадр MAC и позволяет за счет полей DSAP и SSAP идентифицировать адрес сервисов назначения и источника соответственно. Например, при вложении в кадр LLC пакета IPX, значения как DSAP, так и SSAP должны быть равны Е0. Поле управления кадра LLC позволяет реализовать процедуры обмена данными трех типов.

Процедура типа 1 определяет обмен данными без предварительного установления соединения и без повторной передачи кадров в случае обнаружения ошибочной ситуации, то есть является процедурой дейтаграммного типа. Поле управления для этого типа процедур имеет значение 03, что определяет все кадры как ненумерованные.

Процедура типа 2 определяет режим обмена с установлением соединений, нумерацией кадров, управлением потоком кадров и повторной передачей ошибочных кадров. В этом режиме протокол LLC аналогичен протоколу HDLC.

Процедура типа 3 определяет режим передачи данных без установления соединения, но с получением подтверждения о доставке информационного кадра адресату.

Рисунок 1.1 - Формат кадра LLC с расширением SNAP

Существует расширение формата кадра LLC, называемое SNAP (Subnetwork Access Protocol). В случае использования расширения SNAP в поля DSAP и SSAP записывается значение AA, тип кадра по-прежнему равен 03, а для обозначения типа протокола, вложенного в поле данных, используются следующие 4 байта, причем байты идентификатора организации (OUI) всегда равны 00 (за исключением протокола AppleTalk), а последний байт (TYPE) содержит идентификатор типа протокола (например, 0800 для IP).

Заголовки LLC или LLC/SNAP используются мостами и коммутаторами для трансляции протоколов канального уровня по стандарту IEEE 802.2H.

Подуровень MAC ответственен за формирование кадра Ethernet, получение доступа к разделяемой среде передачи данных и за отправку с помощью физического уровня кадра по физической среде узлу назначения.

Разделяемая среда Ethernet, независимо от ее физической реализации (коаксиальный кабель, витая пара или оптоволокно с повторителями), в любой момент времени находится в одном из трех состояний - свободна, занята, коллизия. Состояние занятости соответствует нормальной передаче кадра одним из узлов сети. Состояние коллизии возникает при одновременной передаче кадров более, чем одним узлом сети.

MAC-подуровень каждого узла сети получает от физического уровня информацию о состоянии разделяемой среды. Если она свободна, и у MAC-подуровня имеется кадр для передачи, то он передает его через физический уровень в сеть. Физический уровень одновременно с побитной передачей кадра следит за состоянием среды. Если за время передачи кадра коллизия не возникла, то кадр считается переданным. Если же за это время коллизия была зафиксирована, то передача кадра прекращается, и в сеть выдается специальная последовательность из 32 бит (jam-последовательность), которая должна помочь однозначно распознать коллизию всеми узлами сети.

После фиксации коллизии MAC-подуровень делает случайную паузу, а затем вновь пытается передать данный кадр. Случайный характер паузы уменьшает вероятность одновременной попытки захвата разделяемой среды несколькими узлами при следующей попытке. Интервал, из которого выбирается случайная величина паузы, возрастает с каждой попыткой (до 10-ой), так что при большой загрузке сети и частом возникновении коллизий происходит притормаживание узлов. Максимальное число попыток передачи одного кадра - 16, после чего MAC-подуровень оставляет данный кадр и начинает передачу следующего кадра, поступившего с LLC-подуровня.

MAC-подуровень узла приемника, который получает биты кадра от своего физического уровня, проверяет поле адреса кадра, и если адрес совпадает с его собственным, то он копирует кадр в свой буфер. Затем он проверяет, не содержит ли кадр специфические ошибки: по контрольной сумме (FCS error), по максимально допустимому размеру кадра (jabber error), по минимально допустимому размеру кадра (runts), по неверно найденным границам байт (alignment error). Если кадр корректен, то его поле данных передается на LLC-подуровень, если нет - то отбрасывается.

Форматы кадров технологии Fast Ethernet не отличаются от форматов кадров технологий 10-Мегабитного Ethernet'a. На рисунке 1.2 приведен формат MAC-кадра Ethernet, а также временные параметры его передачи по сети для скорости 10 Мб/с и для скорости 100 Мб/с.

В кадрах стандарта Ethernet-II (или Ethernet DIX), опубликованного компаниями Xerox, Intel и Digital еще до появления стандарта IEEE 802.3, вместо двухбайтового поля L (длина поля данных) используется двухбайтовое поле T (тип кадра). Значение поля типа кадра всегда больше 1518 байт, что позволяет легко различить эти два разных формата кадров Ethernet DIX и IEEE 802.3.

Все времена передачи кадров Fast Ethernet в 10 раз меньше соответствующих времен технологии 10-Мегабитного Ethernet'а: межбитовый интервал составляет 10 нс вместо 100 нс, а межкадровый интервал - 0.96 мкс вместо 9.6 мкс соответственно.

Рисунок 1.2 - Формат MAC-кадра и времена его передачи

 

1.1.1 Спецификации физического уровня Fast Ethernet

 

Для технологии Fast Ethernet разработаны различные варианты физического уровня, отличающиеся не только типом кабеля и электрическими параметрами импульсов, как это сделано в технологии 10 Мб/с Ethernet, но и способом кодирования сигналов, и количеством используемых в кабеле проводников. Поэтому физический уровень Fast Ethernet имеет более сложную структуру, чем классический Ethernet.

Физический уровень состоит из трех подуровней:

- Уровень согласования (reconciliation sublayer).

- Независимый от среды интерфейс (Media Independent Interface, MII).

- Устройство физического уровня (Physical layer device, PHY).

- Устройство физического уровня (PHY) обеспечивает кодирование данных, поступающих от MAC-подуровня для передачи их по кабелю определенного типа, синхронизацию передаваемых по кабелю данных, а также прием и декодирование данных в узле-приемнике.

Интерфейс MII поддерживает независимый от используемой физической среды способ обмена данными между MAC-подуровнем и подуровнем PHY. Этот интерфейс аналогичен по назначению интерфейсу AUI классического Ethernet'а за исключением того, что интерфейс AUI располагался между подуровнем физического кодирования сигнала (для любых вариантов кабеля использовался одинаковый метод физического кодирования - манчестерский код) и подуровнем физического присоединения к среде, а интерфейс MII располагается между MAC-подуровнем и подуровнями кодирования сигнала, которых в стандарте Fast Ethernet три - FX, TX и T4.

Подуровень согласования нужен для того, чтобы согласовать работу подуровня MAC с интерфейсом MII.

1.1.1.1 Физический уровень 100Base-FX - многомодовое оптоволокно

Физический уровень PHY ответственен за прием данных в параллельной форме от MAC-подуровня, трансляцию их в один (TX или FX) или три последовательных потока бит с возможностью побитной синхронизации и передачу их через разъем на кабель. Аналогично, на приемном узле уровень PHY должен принимать сигналы по кабелю, определять моменты синхронизации бит, извлекать биты из физических сигналов, преобразовывать их в параллельную форму и передавать подуровню MAC.

Структура физического уровня 100Base-FX представлена на рисунке 1.3.

Эта спецификация определяет работу протокола Fast Ethernet по многомодовому оптоволокну в полудуплексном и полнодуплексном режимах на основе хорошо проверенной схемы кодирования и передачи оптических сигналов, использующейся уже на протяжении ряда лет в стандарте FDDI. Как и в стандарте FDDI, каждый узел соединяется с сетью двумя оптическими волокнами, идущими от приемника (Rx) и от передатчика (Tx).

 

Рисунок 1.3 - Физический уровень PHY FX

Между спецификациями PHY FX и PHY TX есть много общего, поэтому общие для двух спецификаций свойства будут даваться под обобщенным названием PHY FX/TX.

Метод кодирования 4B/5B

10 Мб/с версии Ethernet используют манчестерское кодирование для представления данных при передаче по кабелю. Метод кодирования 4B/5B определен в стандарте FDDI, и он без изменений перенесен в спецификацию PHY FX/TX. При этом методе каждые 4 бита данных MAC-подуровня (называемых символами) представляются 5 битами. Использование избыточного бита позволяет применить потенциальные коды при представлении каждого из пяти бит в виде электрических или оптических импульсов. Потенциальные коды обладают по сравнению с манчестерскими кодами более узкой полосой спектра сигнала, а, следовательно, предъявляют меньшие требования к полосе пропускания кабеля. Однако прямое использование потенциальных кодов для передачи исходных данных без избыточного бита невозможно из-за плохой самосинхронизации приемника и источника данных: при передаче длинной последовательности единиц или нулей в течение долгого времени сигнал не изменяется и приемник не может определить момент чтения очередного бита.

При использовании пяти бит для кодирования шестнадцати исходных 4-х битовых комбинаций, можно построить такую таблицу кодирования, в которой любой исходный 4-х битовый код представляется 5-ти битовым кодом с чередующимися нулями и единицами. Тем самым обеспечивается синхронизация приемника с передатчиком. Так как исходные биты MAC-подуровня должны передаваться со скоростью 100Мб/c, то наличие одного избыточного бита вынуждает передавать биты результирующего кода 4B/5B со скоростью 125 Мб/c, то есть межбитовое расстояние в устройстве PHY составляет 8 наносекунд.

Так как из 32 возможных комбинаций 5-битовых порций для кодирования порций исходных данных нужно только 16, то остальные 16 комбинаций в коде 4В/5B используются в служебных целях.

Наличие служебных символов позволило использовать в спецификациях FX/TX схему непрерывного обмена сигналами между передатчиком и приемником и при свободном состоянии среды, что отличает их от спецификации 10Base-T, когда незанятое состояние среды обозначается полным отсутствием на ней импульсов информации. Для обозначения незанятого состояния среды используется служебный символ Idle (11111), который постоянно циркулирует между передатчиком и приемником, поддерживая их синхронизм и в периодах между передачами информации, а также позволяя контролировать физическое состояние линии.

Существование запрещенных комбинаций символов позволяет отбраковывать ошибочные символы, что повышает устойчивость работы сетей с PHY FX/TX.

Для отделения кадра Ethernet от символов Idle используется комбинация символов Start Delimiter (пара символов JK), а после завершения кадра перед первым символом Idle вставляется символ T (рисунок 1.4).

Рисунок 1.4 - Непрерывный поток данных спецификаций PHY FX/TX

После преобразования 4-битовых порций MAC-кодов в 5-битовые порции PHY их необходимо представить в виде оптических или электрических сигналов в кабеле, соединяющем узлы сети. Спецификации PHY FX и PHY TX используют для этого различные методы физического кодирования - NRZI и MLT-3 соответственно. Эти же методы определены в стандарте FDDI для передачи сигналов по оптоволокну (спецификация PMD) и витой паре (спецификация TP-PMD).

Рассмотрим метод NRZI - Non Return to Zero Invert to ones - метод без возврата к нулю с инвертированием для единиц. Этот метод представляет собой модификацию простого потенциального метода кодирования, называемого Non Return to Zero (NRZ), когда для представления 1 и 0 используются потенциалы двух уровней. В методе NRZI также используется два уровня потенциала сигнала, но потенциал, используемый для кодирования текущего бита зависит от потенциала, который использовался для кодирования предыдущего бита (так называемое, дифференциальное кодирование). Если текущий бит имеет значение 1, то текущий потенциал представляет собой инверсию потенциала предыдущего бита, независимо от его значения. Если же текущий бит имеет значение 0, то текущий потенциал повторяет предыдущий.

Из описания метода NRZI видно, что для обеспечения частых изменений сигнала, а значит и для поддержания самосинхронизации приемника, нужно исключить из кодов слишком длинные последовательности нулей. Коды 4B/5B построены так, что гарантируют не более трех нулей подряд при любом сочетании бит в исходной информации. Основное преимущество NRZI кодирования по сравнению с NRZ кодированием в более надежном распознавании передаваемых 1 и 0 на линии в условиях помех.

1.1.1.2 Физический уровень 100Base-T4 - четырехпарная витая пара

Спецификация PHY T4 была разработана для того, чтобы можно было использовать для высокоскоростного Ethernet'а имеющуюся проводку на витой паре категории 3. Эта спецификация использует все 4 пары кабеля для того, чтобы можно было повысить общую пропускную способность за счет одновременной передачи потоков бит по нескольким витым парам.

Структура физического уровня PHY T4 изображена на рисунке 1.5.

Вместо кодирования 4B/5В в этом методе используется кодирование 8B/6T. Каждые 8 бит информации MAC-уровня кодируются 6-ю троичными цифрами (ternary symbols), то есть цифрами, имеющими три состояния. Каждая троичная цифра имеет длительность 40 наносекунд. Группа из 6-ти троичных цифр затем передается на одну из трех передающих витых пар, независимо и последовательно. Четвертая пара всегда используется для прослушивания несущей частоты в целях обнаружения коллизии. Скорость передачи данных по каждой из трех передающих пар равна 33.3 Мб/c, поэтому общая скорость протокола 100Base-T4 составляет 100 Мб/c. В то же время из-за принятого способа кодирования скорость изменения сигнала на каждой паре равна всего 25 Мбод, что и позволяет использовать витую пару категории 3.

При соединение порта MDI сетевого адаптера 100Base-T4 с портом MDI-X повторителя, пара 1-2 используется для передачи данных от порта MDI к порту MDI-X, пара 3-6 всегда используется для приема данных портом MDI от порта MDI-X, а пары 4-5 и 7-8 являются двунаправленными и используются и для приема, и для передачи, в зависимости от потребности.

Рисунок 1.5 - Физический уровень PHY T4

1.1.2 Протоколы TCP/IP

Основу транспортных средств стека протоколов TCP/IP составляет протокол межсетевого взаимодействия - Internet Protocol (IP). К основным функциям протокола IP относятся:

- перенос между сетями различных типов адресной информации в унифицированной форме,

- сборка и разборка пакетов при передаче их между сетями с различным максимальным значением длины пакета.

Пакет IP состоит из заголовка и поля данных. Заголовок пакета имеет следующие поля:

- Поле Номер версии (VERS) указывает версию протокола IP. Сейчас повсеместно используется версия 4 и готовится переход на версию 6, называемую также IPng (IP next generation).

- Поле Длина заголовка (HLEN) пакета IP занимает 4 бита и указывает значение длины заголовка, измеренное в 32-битовых словах. Обычно заголовок имеет длину в 20 байт (пять 32-битовых слов), но при увеличении объема служебной информации эта длина может быть увеличена за счет использования дополнительных байт в поле Резерв (IP OPTIONS).

- Поле Тип сервиса (SERVICE TYPE) занимает 1 байт и задает приоритетность пакета и вид критерия выбора маршрута. Первые три бита этого поля образуют подполе приоритета пакета (PRECEDENCE). Приоритет может иметь значения от 0 (нормальный пакет) до 7 (пакет управляющей информации). Маршрутизаторы и компьютеры могут принимать во внимание приоритет пакета и обрабатывать более важные пакеты в первую очередь. Поле Тип сервиса содержит также три бита, определяющие критерий выбора маршрута. Установленный бит D (delay) говорит о том, что маршрут должен выбираться для минимизации задержки доставки данного пакета, бит T - для максимизации пропускной способности, а бит R - для максимизации надежности доставки.

- Поле Общая длина (TOTAL LENGTH) занимает 2 байта и указывает общую длину пакета с учетом заголовка и поля данных.

- Поле Идентификатор пакета (IDENTIFICATION) занимает 2 байта и используется для распознавания пакетов, образовавшихся путем фрагментации исходного пакета. Все фрагменты должны иметь одинаковое значение этого поля.

- Поле Флаги (FLAGS) занимает 3 бита, оно указывает на возможность фрагментации пакета (установленный бит Do not Fragment - DF - запрещает маршрутизатору фрагментировать данный пакет), а также на то, является ли данный пакет промежуточным или последним фрагментом исходного пакета (установленный бит More Fragments - MF - говорит о том пакет переносит промежуточный фрагмент).

- Поле Смещение фрагмента (FRAGMENT OFFSET) занимает 13 бит, оно используется для указания в байтах смещения поля данных этого пакета от начала общего поля данных исходного пакета, подвергнутого фрагментации. Используется при сборке/разборке фрагментов пакетов при передачах их между сетями с различными величинами максимальной длины пакета.

- Поле Время жизни (TIME TO LIVE) занимает 1 байт и указывает предельный срок, в течение которого пакет может перемещаться по сети. Время жизни данного пакета измеряется в секундах и задается источником передачи средствами протокола IP. На шлюзах и в других узлах сети по истечении каждой секунды из текущего времени жизни вычитается единица; единица вычитается также при каждой транзитной передаче (даже если не прошла секунда). При истечении времени жизни пакет аннулируется.

- Идентификатор Протокола верхнего уровня (PROTOCOL) занимает 1 байт и указывает, какому протоколу верхнего уровня принадлежит пакет (например, это могут быть протоколы TCP, UDP или RIP).

- Контрольная сумма (HEADER CHECKSUM) занимает 2 байта, она рассчитывается по всему заголовку.

- Поля Адрес источника (SOURCE IP ADDRESS) и Адрес назначения (DESTINATION IP ADDRESS) имеют одинаковую длину - 32 бита, и одинаковую структуру.

- Поле Резерв (IP OPTIONS) является необязательным и используется обычно только при отладке сети. Это поле состоит из нескольких подполей, каждое из которых может быть одного из восьми предопределенных типов. В этих подполях можно указывать точный маршрут прохождения маршрутизаторов, регистрировать проходимые пакетом маршрутизаторы, помещать данные системы безопасности, а также временные отметки. Так как число подполей может быть произвольным, то в конце поля Резерв должно быть добавлено несколько байт для выравнивания заголовка пакета по 32-битной границе.

Максимальная длина поля данных пакета ограничена разрядностью поля, определяющего эту величину, и составляет 65535 байтов, однако при передаче по сетям различного типа длина пакета выбирается с учетом максимальной длины пакета протокола нижнего уровня, несущего IP-пакеты. Если это кадры Ethernet, то выбираются пакеты с максимальной длиной в 1500 байтов, умещающиеся в поле данных кадра Ethernet.

В стеке протоколов TCP/IP протокол TCP (Transmission Control Protocol) работает так же, как и протокол UDP, на транспортном уровне. Он обеспечивает надежную транспортировку данных между прикладными процессами путем установления логического соединения.

Единицей данных протокола TCP является сегмент. Информация, поступающая к протоколу TCP в рамках логического соединения от протоколов более высокого уровня, рассматривается протоколом TCP как неструктурированный поток байт. Поступающие данные буферизуются средствами TCP. Для передачи на сетевой уровень из буфера "вырезается" некоторая непрерывная часть данных, называемая сегментом.

В протоколе TCP предусмотрен случай, когда приложение обращается с запросом о срочной передаче данных (бит PSH в запросе установлен в 1). В этом случае протокол TCP, не ожидая заполнения буфера до уровня размера сегмента, немедленно передает указанные данные в сеть. О таких данных говорят, что они передаются вне потока - out of band.

Не все сегменты, посланные через соединение, будут одного и того же размера, однако оба участника соединения должны договориться о максимальном размере сегмента, который они будут использовать. Этот размер выбирается таким образом, чтобы при упаковке сегмента в IP-пакет он помещался туда целиком, то есть максимальный размер сегмента не должен превосходить максимального размера поля данных IP-пакета. В противном случае пришлось бы выполнять фрагментацию, то есть делить сегмент на несколько частей, для того, чтобы он вместился в IP-пакет.

Аналогичные проблемы решаются и на сетевом уровне. Для того, чтобы избежать фрагментации, должен быть выбран соответствующий максимальный размер IP-пакета. Однако при этом должны быть приняты во внимание максимальные размеры поля данных кадров (MTU) всех протоколов канального уровня, используемых в сети. Максимальный размер сегмента не должен превышать минимальное значение на множестве всех MTU составной сети.

В протоколе TCP также, как и в UDP, для связи с прикладными процессами используются порты. Номера портам присваиваются аналогичным образом: имеются стандартные, зарезервированные номера (например, номер 21 закреплен за сервисом FTP, 23 - за telnet), а менее известные приложения пользуются произвольно выбранными локальными номерами.

Однако в протоколе TCP порты используются несколько иным способом. Для организации надежной передачи данных предусматривается установление логического соединения между двумя прикладными процессами. В рамках соединения осуществляется обязательное подтверждение правильности приема для всех переданных сообщений, и при необходимости выполняется повторная передача. Соединение в TCP позволяет вести передачу данных одновременно в обе стороны, то есть полнодуплексную передачу.

Соединение в протоколе TCP идентифицируется парой полных адресов обоих взаимодействующих процессов (оконечных точек). Адрес каждой из оконечных точек включает IP-адрес (номер сети и номер компьютера) и номер порта. Одна оконечная точка может участвовать в нескольких соединениях.

При установлении соединения одна из сторон является инициатором. Она посылает запрос к протоколу TCP на открытие порта для передачи (active open).

После открытия порта протокол TCP на стороне процесса-инициатора посылает запрос процессу, с которым требуется установить соединение.

Протокол TCP на приемной стороне открывает порт для приема данных (passive open) и возвращает квитанцию, подтверждающую прием запроса.

Для того чтобы передача могла вестись в обе стороны, протокол на приемной стороне также открывает порт для передачи (active port) и также передает запрос к противоположной стороне.

Сторона-инициатор открывает порт для приема и возвращает квитанцию. Соединение считается установленным. Далее происходит обмен данными в рамках данного соединения.

Сообщения протокола TCP называются сегментами и состоят из заголовка и блока данных.

Порт источника (SOURS PORT) занимает 2 байта, идентифицирует процесс-отправитель;

Порт назначения (DESTINATION PORT) занимает 2 байта, идентифицирует процесс-получатель;

Последовательный номер (SEQUENCE NUMBER) занимает 4 байта, указывает номер байта, который определяет смещение сегмента относительно потока отправляемых данных;

Подтвержденный номер (ACKNOWLEDGEMENT NUMBER) занимает 4 байта, содержит максимальный номер байта в полученном сегменте, увеличенный на единицу; именно это значение используется в качестве квитанции;

Длина заголовка (HLEN) занимает 4 бита, указывает длину заголовка сегмента TCP, измеренную в 32-битовых словах. Длина заголовка не фиксирована и может изменяться в зависимости от значений, устанавливаемых в поле Опции;

Резерв (RESERVED) занимает 6 битов, поле зарезервировано для последующего использования;

Кодовые биты (CODE BITS) занимают 6 битов, содержат служебную информацию о типе данного сегмента, задаваемую установкой в единицу соответствующих бит этого поля:

URG - срочное сообщение;

ACK - квитанция на принятый сегмент;

PSH - запрос на отправку сообщения без ожидания заполнения буфера;

RST - запрос на восстановление соединения;

SYN - сообщение используемое для синхронизации счетчиков переданных данных при установлении соединения;

FIN - признак достижения передающей стороной последнего байта в потоке передаваемых данных.

Окно (WINDOW) занимает 2 байта, содержит объявляемое значение размера окна в байтах;

Контрольная сумма (CHECKSUM) занимает 2 байта, рассчитывается по сегменту;

Указатель срочности (URGENT POINTER) занимает 2 байта, используется совместно с кодовым битом URG, указывает на конец данных, которые необходимо срочно принять, несмотря на переполнение буфера;

Опции (OPTIONS) - это поле имеет переменную длину и может вообще отсутствовать, максимальная величина поля 3 байта; используется для решения вспомогательных задач, например, при выборе максимального размера сегмента;

Заполнитель (PADDING) может иметь переменную длину, представляет собой фиктивное поле, используемое для доведения размера заголовка до целого числа 32-битовых слов.

1.2 Волоконно-оптические линии связи

Волоконно-оптические линии связи - это вид связи, при котором информация передается по оптическим диэлектрическим волноводам, известным под названием "оптическое волокно".

Оптическое волокно в настоящее время считается самой совершенной физической средой для передачи информации, а также самой перспективной средой для передачи больших потоков информации на значительные расстояния. Основания так считать вытекают из ряда особенностей, присущих оптическим волноводам.

Широкополосность оптических сигналов, обусловленная чрезвычайно высокой частотой несущей (Fo=10**14 Гц). Это означает, что по оптической линии связи можно передавать информацию со скоростью порядка 10**12 бит/с или Терабит/с. Скорость передачи данных может быть увеличена за счет передачи информации сразу в двух направлениях, так как световые волны могут распространяться в одном волокне независимо друг от друга. Кроме того, в оптическом волокне могут распространяться световые сигналы двух разных поляризаций, что позволяет удвоить пропускную способность оптического канала связи. На сегодняшний день предел по плотности передаваемой информации по оптическому волокну не достигнут.

Сигнал имеет очень малое (по сравнению с другими средами) затухание светового сигнала в волокне. Лучшие образцы российского волокна имеют затухание 0.22 дБ/км на длине волны 1.55 мкм, что позволяет строить линии связи длиной до 100 км без регенерации сигналов. Для сравнения, лучшее волокно Sumitomo на длине волны 1.55 мкм имеет затухание 0.154 дБ/км. В оптических лабораториях США разрабатываются еще более "прозрачные", так называемые фторцирконатные волокна с теоретическим пределом порядка 0,02 дБ/км на длине волны 2.5 мкм. Лабораторные исследования показали, что на основе таких волокон могут быть созданы линии связи с регенерационными участками через 4600 км при скорости передачи порядка 1 Гбит/с.

Волокно изготовлено из кварца, основу которого составляет двуокись кремния, широко распространенного, а потому недорогого материала, в отличие от меди. Оптические волокна имеют диаметр около 100 мкм., то есть очень компактны и легки. Стеклянные волокна - не металл, при строительстве систем связи автоматически достигается гальваническая развязка сегментов. Применяя особо прочный пластик, на кабельных заводах изготавливают самонесущие подвесные кабели, не содержащие металла и тем самым безопасные в электрическом отношении. Такие кабели можно монтировать на мачтах существующих линий электропередач, как отдельно, так и встроенные в фазовый провод, экономя значительные средства на прокладку кабеля через реки и другие преграды.

Системы связи на основе оптических волокон устойчивы к электромагнитным помехам, а передаваемая по световодам информация защищена от несанкционированного доступа. Волоконно-оптические линии связи нельзя подслушать неразрушающим способом. Всякие воздействия на волокно могут быть зарегистрированы методом мониторинга (непрерывного контроля) целостности линии. Теоретически существуют способы обойти защиту путем мониторинга, но затраты на реализацию этих способов будут столь велики, что превзойдут стоимость перехваченной информации.

Существует способ скрытой передачи информации по оптическим линиям связи. При скрытой передаче сигнал от источника излучения модулируется не по амплитуде, как в обычных системах, а по фазе. Затем сигнал смешивается с самим собой, задержанным на некоторое время, большее, чем время когерентности источника излучения. При таком способе передачи информация не может быть перехвачена амплитудным приемником излучения, так как он зарегистрирует лишь сигнал постоянной интенсивности. Для обнаружения перехватываемого сигнала понадобится перестраиваемый интерферометр Майкельсона специальной конструкции. Причем, видность интерференционной картины может быть ослаблена как 1:2N, где N - количество сигналов, одновременно передаваемых по оптической системе связи. Можно распределить передаваемую информацию по множеству сигналов или передавать несколько шумовых сигналов, ухудшая этим условия перехвата информации. Потребуется значительный отбор мощности из волокна, чтобы несанкционированно принять оптический сигнал, а это вмешательство легко зарегистрировать системами мониторинга.

Важное свойство оптического волокна - долговечность. Время жизни волокна, то есть сохранение им своих свойств в определенных пределах, превышает 25 лет, что позволяет проложить оптико-волоконный кабель один раз и, по мере необходимости, наращивать пропускную способность канала путем замены приемников и передатчиков на более быстродействующие.

Недостатки технологии заключаются том что, при создании линии связи требуются высоконадежные активные элементы, преобразующие электрические сигналы в свет и свет в электрические сигналы. Необходимы также оптические коннекторы (соединители) с малыми оптическими потерями и большим ресурсом на подключение-отключение. Точность изготовления таких элементов линии связи должна соответствовать длине волны излучения, то есть погрешности должны быть порядка доли микрона. Поэтому производство таких компонентов оптических линий связи очень дорогостоящее.

Другой недостаток заключается в том, что для монтажа оптических волокон требуется прецизионное, а потому дорогое, технологическое оборудование. Как следствие, при аварии (обрыве) оптического кабеля затраты на восстановление выше, чем при работе с медными кабелями.

Преимущества от применения волоконно-оптических линий связи (ВОЛС) настолько значительны, что несмотря на перечисленные недостатки оптического волокна, эти линии связи все шире используются для передачи информации.

Промышленность многих стран освоила выпуск широкой номенклатуры изделий и компонентов ВОЛС. Следует заметить, что производство компонентов ВОЛС, в первую очередь оптического волокна, отличает высокая степень концентрации. Большинство предприятий сосредоточено в США. Обладая главными патентами, американские фирмы (в первую очередь это относится к фирме "CORNING") оказывают влияние на производство и рынок компонентов ВОЛС во всем мире, благодаря заключению лицензионных соглашений с другими фирмами и созданию совместных предприятий.

Важнейший из компонентов ВОЛС - оптическое волокно. Для передачи сигналов применяются два вида волокна: одномодовое и многомодовое. Свое название волокна получили от способа распространения излучения в них. Волокно состоит из сердцевины и оболочки с разными показателями преломления n1 и n2. В одномодовом волокне диаметр световодной жилы порядка 8-10 мкм, то есть сравним с длиной световой волны. При такой геометрии в волокне может распространяться только один луч (одна мода). В многомодовом волокне размер световодной жилы порядка 50-60 мкм, что делает возможным распространение большого числа лучей (много мод). Оба типа волокна характеризуются двумя важнейшими параметрами: затуханием и дисперсией.

Затухание обычно измеряется в дБ/км и определяется потерями на поглощение и на рассеяние излучения в оптическом волокне. Потери на поглощение зависят от чистоты материала, потери на рассеяние зависят от неоднородностей показателя преломления материала. Затухание зависит от длины волны излучения, вводимого в волокно. В настоящее время передачу сигналов по волокну осуществляют в трех диапазонах: 0.85 мкм, 1.3 мкм, 1.55 мкм, так как именно в этих диапазонах кварц имеет повышенную прозрачность.

Другой важнейший параметр оптического волокна - дисперсия. Дисперсия - это рассеяние во времени спектральных и модовых составляющих оптического сигнала. Существуют три типа дисперсии: модовая, материальная и волноводная. Модовая дисперсия присуща многомодовому волокну и обусловлена наличием большого числа мод, время распространения которых различно. Материальная дисперсия обусловлена зависимостью показателя преломления от длины волны. Волноводная дисперсия обусловлена процессами внутри моды и характеризуется зависимостью скорости распространения моды от длины волны. Поскольку светодиод или лазер излучает некоторый спектр длин волн, дисперсия приводит к уширению импульсов при распространению по волокну и тем самым порождает искажения сигналов. При оценке пользуются термином "полоса пропускания" - это величина, обратная к величине уширения импульса при прохождении им по оптическому волокну расстояния в 1 км. Измеряется полоса пропускания в МГц*км. Из определения полосы пропускания видно, что дисперсия накладывает ограничение на дальность передачи и на верхнюю частоту передаваемых сигналов.

Если при распространении света по многомодовому волокну как правило преобладает модовая дисперсия, то одномодовому волокну присущи только два последних типа дисперсии. На длине волны 1.3 мкм материальная и волноводная дисперсии в одномодовом волокне компенсируют друг друга, что обеспечивает наивысшую пропускную способность.

Затухание и дисперсия у разных типов оптических волокон различны. Одномодовые волокна обладают лучшими характеристиками по затуханию и по полосе пропускания, так как в них распространяется только один луч. Однако, одномодовые источники излучения в несколько раз дороже многомодовых. В одномодовое волокно труднее ввести излучение из-за малых размеров световодной жилы, по этой же причине одномодовые волокна сложно сращивать с малыми потерями. Оконцевание одномодовых кабелей оптическими разъемами также обходится дороже.

Многомодовые волокна более удобны при монтаже, так как в них размер световодной жилы в несколько раз больше, чем в одномодовых волокнах. Многомодовый кабель проще оконцевать оптическими разъемами с малыми потерями (до 0.3 dB) в стыке. На многомодовое волокно расчитаны излучатели на длину волны 0.85 мкм - самые доступные и дешевые излучатели, выпускаемые в очень широком ассортименте. Но затухание на этой длине волны у многомодовых волокон находится в пределах 3-4 dB/км и не может быть существенно улучшено. Полоса пропускания у многомодовых волокон достигает 800 МГц*км, что приемлемо для локальных сетей связи, но не достаточно для магистральных линий.

Вторым важнейшим компонентом, определяющим надежность и долговечность ВОЛС, является волоконно-оптический кабель (ВОК). На сегодня в мире несколько десятков фирм, производящих оптические кабели различного назначения. Наиболее известные из них: AT&T, General Cable Company (США); Siecor (ФРГ); BICC Cable (Великобритания); Les cables de Lion (Франция); Nokia (Финляндия); NTT, Sumitomo (Япония), Pirelli(Италия). Определяющими параметрами при производстве ВОК являются условия эксплуатации и пропускная способность линии связи. По условиям эксплуатации кабели подразделяют на:

- монтажные

- станционные

- зоновые

- магистральные

Первые два типа кабелей предназначены для прокладки внутри зданий и сооружений. Они компактны, легки и, как правило, имеют небольшую строительную длину. Кабели последних двух типов предназначены для прокладки в колодцах кабельных коммуникаций, в грунте, на опорах вдоль ЛЭП, под водой. Эти кабели имеют защиту от внешних воздействий и строительную длину более двух километров.

Для обеспечения большой пропускной способности линии связи производятся ВОК, содержащие небольшое число (до 8) одномодовых волокон с малым затуханием, а кабели для распределительных сетей могут содержать до 144 волокон как одномодовых, так и многомодовых, в зависимости от расстояний между сегментами сети.

При изготовлении ВОК в основном используются два подхода:

- конструкции со свободным перемещением элементов

- конструкции с жесткой связью между элементами

По видам конструкций различают кабели повивной скрутки, пучковой скрутки, кабели с профильным сердечником, а также ленточные кабели. Существуют многочисленные комбинации конструкций ВОК, которые в сочетании большим ассортиментом применяемых материалов позволяют выбрать исполнение кабеля, наилучшим образом удовлетворяющее всем условиям проекта, в том числе - стоимостным. Особый класс образуют кабели, встроенные в грозотрос.

Сращивание строительных длин оптических кабелей производится с использованием кабельных муфт специальной конструкции. Эти муфты имеют два или более кабельных ввода, приспособления для крепления силовых элементов кабелей и одну или несколько сплайс-пластин. Сплайс-пластина - это конструкция для укладки и закрепления сращиваемых волокон разных кабелей.

После того, как оптический кабель проложен, необходимо соединить его с приемо-передающей аппаратурой. Сделать это можно с помощью оптических коннекторов (соединителей). В системах связи используются коннекторы многих видов. Рассмотрим лишь основные виды, получившие наибольшее распространение в мире. Внешний вид разъемов показан на рисунке. Характеристики коннекторов представлены в таблице 1.1.

Таблица 1.1 – Характеристики оптических коннеторов

Тип разъема	ЛВС	Телекоммуникации	Кабельное ТВ	Измерит. аппаратура	Дуплексные системы связи	Фиксация
FC/PC	+	+	+			резьба
ST	+	+				BNC
SMA	+			+		резьба
SC	+	+	+	+		Push-Pull
FDDI(MIC)	+				+	Push-Pull

Фиксация "Push-Pull" обеспечивает подключение коннектора к розетке наиболее простым образом - на защелке. Защелка-фиксатор обеспечивает надежное соединение, при этом не нужно вращать накидную гайку. Важное преимущество разъемов с фиксацией Push-Pull - это высокая плотность монтажа оптических соединителей на распределительных и кроссовых панелях и удобство подключения.

1.3 Технологии DSL

Увеличение потоков информации, передаваемых по сети Интернет компаниями и частными пользователями, а также потребность в организации удаленного доступа к корпоративным сетям, породили потребность в создании недорогих технологий цифровой высокоскоростной передачи данных по самому «узкому» месту цифровой сети — абонентской телефонной линии. Технологии DSL позволяют значительно увеличить скорость передачи данных по медным парам телефонных проводов без необходимости модернизации абонентских телефонных линий. Именно возможность преобразования существующих телефонных линий в высокоскоростные каналы передачи данных и является главным преимуществом технологий DSL.

Сокращение DSL расшифровывается как Digital Subscriber Line (цифровая абонентская линия). DSL является достаточно новой технологией, позволяющей значительно расширить полосу пропускания старых медных телефонных линий, соединяющих телефонные станции с индивидуальными абонентами. Любой абонент, пользующийся в настоящий момент обычной телефонной связью, имеет возможность с помощью технологии DSL значительно увеличить скорость своего соединения, например, с сетью Интернет. Следует помнить, что для организации линии DSL используются именно существующие телефонные линии; данная технология хороша тем, что не требует прокладывания дополнительных телефонных кабелей. В результате возможно получить круглосуточный доступ в сеть Интернет с сохранением нормальной работы обычной телефонной связи. Благодаря многообразию технологий DSL пользователь может выбрать подходящую именно ему скорость передачи данных — от 32 Кбит/с до более чем 50 Мбит/с. Данные технологии позволяют также использовать обычную телефонную линию для таких широкополосных систем, как видео по запросу или дистанционное обучение. Современные технологии DSL приносят возможность организации высокоскоростного доступа в Интернет в каждый дом или на каждое предприятие среднего и малого бизнеса, превращая обычные телефонные кабели в высокоскоростные цифровые каналы. Причем скорость передачи данных зависит только от качества и протяженности линии, соединяющих пользователя и провайдера. При этом провайдеры обычно дают возможность пользователю самому выбрать скорость передачи, наиболее соответствующую его индивидуальным потребностям.

Телефонный аппарат, установленный дома или в офисе, соединяется с оборудованием телефонной станции с помощью витой пары медных проводов. Традиционная телефонная связь предназначена для обычных телефонных разговоров с другими абонентами телефонной сети. При этом по сети передаются аналоговые сигналы. Телефонный аппарат воспринимает акустические колебания (являющиеся естественным аналоговым сигналом) и преобразует их в электрический сигнал, амплитуда и частота которого постоянно изменяется. Так как вся работа телефонной сети построена на передаче аналоговых сигналов, проще всего, конечно же, использовать для передачи информации между абонентами или абонентом и провайдером именно такой метод. Именно поэтому приходится использовать модем, который позволяет демодулировать аналоговый сигнал и превратить его в последовательность нулей и единиц цифровой информации, воспринимаемой компьютером.

При передаче аналоговых сигналов используется только небольшая часть полосы пропускания витой пары медных телефонных проводов; при этом максимальная скорость передачи, которая может быть достигнута с помощью обычного модема, составляет около 56 Кбит/с. DSL представляет собой технологию, которая исключает необходимость преобразования сигнала из аналоговой формы в цифровую форму и наоборот. Цифровые данные передаются на ваш компьютер именно как цифровые данные, что позволяет использовать гораздо более широкую полосу частот телефонной линии. При этом существует возможность одновременно использовать и аналоговую телефонную связь, и цифровую высокоскоростную передачу данных по одной и той же линии, разделяя спектры этих сигналов.

Различные типы технологий DSL и краткое описание их работы
DSL представляет собой набор различных технологий, позволяющих организовать цифровую абонентскую линию. Для того, чтобы понять данные технологии и определить области их практического применения, следует понять, чем эти технологии различаются. Прежде всего, всегда следует учитывать соотношение между расстоянием, на которое передается сигнал, и скоростью передачи данных, а также разницу в скоростях передачи «нисходящего» (от сети к пользователю) и «восходящего» (от пользователя в сеть) потока данных.

ADSL (Asymmetric Digital Subscriber Line — асимметричная цифровая абонентская линия). Данная технология является асимметричной, то есть скорость передачи данных от сети к пользователю значительно выше, чем скорость передачи данных от пользователя в сеть. Такая асимметрия, в сочетании с состоянием «постоянно установленного соединения» (когда исключается необходимость каждый раз набирать телефонный номер и ждать установки соединения), делает технологию ADSL идеальной для организации доступа в сеть Интернет, доступа к локальным сетям. При организации таких соединений пользователи обычно получают гораздо больший объем информации, чем передают. Технология ADSL обеспечивает скорость «нисходящего» потока данных в пределах от 1,5 Мбит/с до 8 Мбит/с и скорость «восходящего» потока данных от 640 Кбит/с до 1,5 Мбит/с. ADSL позволяет передавать данные со скоростью 1,54 Мбит/с на расстояние до 5,5 км по одной витой паре проводов. Скорость передачи порядка 6 — 8 Мбит/с может быть достигнута при передаче данных на расстояние не более 3,5 км по проводам диаметром 0,5 мм.

R-ADSL (Rate-Adaptive Digital Subscriber Line — цифровая абонентская линия с адаптацией скорости соединения). Технология R-ADSL обеспечивает такую же скорость передачи данных, что и технология ADSL, но при этом позволяет адаптировать скорость передачи к протяженности и состоянию используемой витой пары проводов. При использовании технологии R-ADSL соединение на разных телефонных линиях будет иметь разную скорость передачи данных. Скорость передачи данных может выбираться при синхронизации линии, во время соединения или по сигналу, поступающему от станции.

G.Lite (ADSL.Lite) представляет собой более дешёвый и простой в установке вариант технологии ADSL, обеспечивающий скорость «нисходящего» потока данных до 1,5 Мбит/с и скорость «восходящего» потока данных до 512 Кбит/с или по 256 Кбит/с в обоих направлениях.

IDSL (ISDN Digital Subscriber Line — цифровая абонентская линия IDSN)
Технология IDSL обеспечивает полностью дуплексную передачу данных на скорости до 144 Кбит/с. В отличие от ADSL возможности IDSL ограничиваются только передачей данных. Несмотря на то, что IDSL, также как и ISDN, использует модуляцию 2B1Q, между ними имеется ряд отличий. В отличие от ISDN линия IDSL является некоммутируемой линией, не приводящей к увеличению нагрузки на коммутационное оборудование провайдера. Также линия IDSL является «постоянно включенной» (как и любая линия, организованная с использованием технологии DSL), в то время как ISDN требует установки соединения.

HDSL (High Bit-Rate Digital Subscriber Line — высокоскоростная цифровая абонентская линия). Технология HDSL предусматривает организацию симметричной линии передачи данных, то есть скорости передачи данных от пользователя в сеть и из сети к пользователю равны. Благодаря скорости передачи (1,544 Мбит/с по двум парам проводов и 2,048 Мбит/с по трем парам проводов) телекоммуникационные компании используют технологию HDSL в качестве альтернативы линиям T1/E1. (Линии Т1 используются в Северной Америке и обеспечивают скорость передачи данных 1,544 Мбит/с, а линии Е1 используются в Европе и обеспечивают скорость передачи данных 2,048 Мбит/с.) Хотя расстояние, на которое система HDSL передает данные (а это порядка 3,5 — 4,5 км), меньше, чем при использовании технологии ADSL, для недорогого, но эффективного, увеличения длины линии HDSL телефонные компании могут установить специальные повторители. Использование для организации линии HDSL двух или трех витых пар телефонных проводов делает эту систему идеальным решением для соединения УАТС, серверов Интернет, локальных сетей и т.п. Технология HDSL2 является логическим результатом развития технологии HDSL. Данная технология обеспечивает характеристики, аналогичные технологии HDSL, но при этом использует только одну пару проводов.

SDSL (Single Line Digital Subscriber Line — однолинейная цифровая абонентская линия). Также как и технология HDSL, технология SDSL обеспечивает симметричную передачу данных со скоростями, соответствующими скоростям линии Т1/Е1, но при этом технология SDSL имеет два важных отличия. Во-первых, используется только одна витая пара проводов, а во-вторых, максимальное расстояние передачи ограничено 3 км. В пределах этого расстояния технология SDSL обеспечивает, например, работу системы организации видеоконференций, когда требуется поддерживать одинаковые потоки передачи данных в оба направления. В определенном смысле технология SDSL является предшественником технологии HDSL2.

VDSL (Very High Bit-Rate Digital Subscriber Line — сверхвысокоскоростная цифровая абонентская линия). Технология VDSL является наиболее «быстрой» технологией xDSL. Она обеспечивает скорость передачи данных «нисходящего» потока в пределах от 13 до 52 Мбит/с, а скорость передачи данных «восходящего» потока в пределах от 1,5 до 2,3 Мбит/с, причем по одной витой паре телефонных проводов. В симметричном режиме поддерживаются скорости до 26 Мбит/с. Технология VDSL может рассматриваться как экономически эффективная альтернатива прокладыванию волоконно-оптического кабеля до конечного пользователя. Однако, максимальное расстояние передачи данных для этой технологии составляет от 300 метров до 1300 метров. То есть, либо длина абонентской линии не должна превышать данного значения, либо оптоволоконный кабель должен быть подведен поближе к пользователю (например, заведен в здание, в котором находится много потенциальных пользователей). Технология VDSL может использоваться с теми же целями, что и ADSL; кроме того, она может использоваться для передачи сигналов телевидения высокой четкости (HDTV), видео по запросу.

Технологии DSL, позволяющие передавать голос, данные и видеосигнал по существующей кабельной сети, состоящей из витых пар телефонных проводов, наилучшим образом отражают потребность пользователей в высокоскоростных системах передачи. Во-первых, технологии DSL обеспечивают высокую скорость передачи данных. Различные варианты технологий DSL обеспечивают различную скорость передачи данных, но в любом случае эта скорость гораздо выше скорости самого быстрого аналогового модема. Во-вторых, технологии DSL оставляют возможность пользоваться обычной телефонной связью, несмотря на то, что используют для своей работы абонентскую телефонную линию.

1.3.1 Технология ADSL

Наиболее удобной, и пользующееся наибольшей популярностью для подключения домашних сетей к Интернет, является технология ADSL. Технология ADSL была разработана для обеспечения высокоскоростного доступа к интерактивным видеослужбам и не менее быстрой передачи данных (доступ в Интернет, удаленный доступ к ЛВС и другим сетям).

Прежде всего, ADSL является технологией, позволяющей превратить витую пару телефонных проводов в тракт высокоскоростной передачи данных. Линия ADSL соединяет два модема ADSL, которые подключены к каждому концу витой пары телефонного кабеля. При этом организуются три информационных канала — «нисходящий» поток передачи данных, «восходящий» поток передачи данных и канал обычной телефонной связи (POTS). Канал телефонной связи выделяется с помощью фильтров, что гарантирует работу телефона даже при аварии соединения ADSL.

Для сжатия большого объема информации, передаваемой по витой паре телефонных проводов, в технологии ADSL используется цифровая обработка сигнала и специально созданные алгоритмы, усовершенствованные аналоговые фильтры и аналого-цифровые преобразователи. Телефонные линии большой протяженности могут ослабить передаваемый высокочастотный сигнал (например, на частоте 1 МГц, что является обычной скоростью передачи для ADSL) на величину до 90 дБ. Это заставляет аналоговые системы модема ADSL работать с достаточно большой нагрузкой, позволяющей иметь большой динамический диапазон и низкий уровень шумов. На первый взгляд система ADSL достаточно проста — создаются каналы высокоскоростной передачи данных по обычному телефонному кабелю. Но, если детально разобраться в работе ADSL, можно понять, что данная система относится к достижениям современной технологии.

Технология ADSL использует метод разделения полосы пропускания медной телефонной линии на несколько частотных полос (также называемых несущими). Это позволяет одновременно передавать несколько сигналов по одной линии. Точно такой же принцип лежит в основе кабельного телевидения, когда каждый пользователь имеет специальный преобразователь, декодирующий сигнал и позволяющий видеть на экране телевизора футбольный матч или увлекательный фильм. При использовании ADSL разные несущие одновременно переносят различные части передаваемых данных. Этот процесс известен как частотное уплотнение линии связи (Frequency Division Multiplexing — FDM). При FDM один диапазон выделяется для передачи «восходящего» потока данных, а другой диапазон для «нисходящего» потока данных. Диапазон «нисходящего» потока в свою очередь делится на один или несколько высокоскоростных каналов и один или несколько низкоскоростных каналов передачи данных. Диапазон «восходящего» потока также делится на один или несколько низкоскоростных каналов передачи данных. Кроме этого может применяться технология эхокомпенсации (Echo Cancellation), при использовании которой диапазоны «восходящего» и «нисходящего» потоков перекрываются и разделяются средствами местной эхокомпенсации. Именно таким образом ADSL может обеспечить, например, одновременную высокоскоростную передачу данных, передачу видеосигнала и передачу факса. И все это без прерывания обычной телефонной связи, для которой используется та же телефонная линия. Технология предусматривает резервирование определенной полосы частот для обычной телефонной связи (или POTS — Plain Old Telephone Service). При этом телефонный разговор можно вести одновременно с высокоскоростной передачей данных, а не выбирать одно из двух. Обеспечение такой возможности было одним из разделов оригинального плана разработки ADSL. Даже одна эта возможность дает системе ADSL значительное преимущество перед ISDN.

Одним из основных преимуществ ADSL над другими технологиями высокоскоростной передачи данных является использование самых обычных витых пар медных проводов телефонных кабелей. Совершенно очевидно, что таких пар проводов насчитывается гораздо больше, чем, например, кабелей, проложенных специально для кабельных модемов. ADSL образует, «наложенную сеть». При этом дорогостоящей и отнимающей много времени модернизации коммутационного оборудования (как это необходимо для ISDN) не требуется.

Факторами, влияющими на скорость передачи данных, являются состояние абонентской линии (диаметр проводов, наличие кабельных отводов) и ее протяженность. Затухание сигнала в линии увеличивается при увеличении длины линии и возрастании частоты сигнала, и уменьшается с увеличением диаметра провода. Фактически функциональным пределом для ADSL является абонентская линия длиной 3,5 — 5,5 км при толщине проводов 0,5 мм. В настоящее время ADSL обеспечивает скорость «нисходящего» потока данных в пределах от 1,5 Мбит/с до 8 Мбит/с и скорость «восходящего» потока данных от 640 Кбит/с до 1,5 Мбит/с. Общая тенденция развития данной технологии обещает в будущем увеличение скорости передачи данных, особенно в «нисходящем» направлении.

Для того, чтобы оценить скорость передачи данных, обеспечиваемую технологией ADSL, необходимо сравнить ее с той скоростью, которая может быть доступна пользователям, использующим другие технологии. Аналоговые модемы позволяют передавать данные со скоростью от 14,4 до 56 Кбит/с. ISDN обеспечивает скорость передачи данных 64 Кбит/с на канал (обычно пользователь имеет доступ к двум каналам, что в сумме составляет 128 Кбит/с). Различные технологии DSL дают пользователю возможность передавать данные со скоростью 144 Кбит/с (IDSL), 1,544 и 2,048 Мбит/с (HDSL), «нисходящий» поток 1,5 — 8 Мбит/с и «восходящий» поток 640 — 1500 Кбит/с (ADSL), «нисходящий» поток 13 — 52 Мбит/с и «восходящий» поток 1,5 — 2,3 Мбит/с (VDSL). Кабельные модемы имеют скорость передачи данных от 500 Кбит/с до 10 Мбит/с (при этом следует учитывать, что полоса пропускания кабельных модемов делится между всеми пользователями, одновременно имеющими доступ к данной линии, поэтому число одновременно работающих пользователей оказывает значительное влияние на реальную скорость передачи данных каждого из них). Цифровые линии Е1 и Е3 имеют скорость передачи данных, соответственно, 2,048 Мбит/с и 34 Мбит/с.

В итоге очевидно что ADSL обладает множеством преимуществ, которые делают эту технологию крайне привлекательной для использования в сфере домашних сетей. Причем эти цифры не являются пределом. В новом стандарте ADSL 2 реализованы скорости 10 Мбит/с «нисходящего» и 1 Мбит/с «восходящего» потока при дальности до 3 км, а в технологии ADSL 2+, фигурируют скорости «нисходящего» потока в 20, 30 и 40 Мбит/с (соответственно по 2,3 и 4 парам).
Для того, чтобы подключиться к сети Интернет или к ЛВС, не нужно набирать телефонный номер. ADSL создает широкополосный канал передачи данных, используя уже существующую телефонную линию. После установки модемов ADSL получается постоянно установленное соединение. Высокоскоростной канал передачи данных всегда готов к работе.

Полоса пропускания линии принадлежит пользователю целиком. В отличие от кабельных модемов, которые допускают разделение полосы пропускания между всеми пользователями (что в значительной мере оказывает влияние на скорость передачи данных), технология ADSL предусматривает использование линии только одним пользователем. Технология ADSL позволяет полностью использовать ресурсы линии. При обычной телефонной связи используется около одной сотой пропускной способности телефонной линии. Технология ADSL устраняет этот «недостаток» и использует оставшиеся 99% для высокоскоростной передачи данных. При этом для различных функций используются различные полосы частот. Для телефонной (голосовой) связи используется область самых низких частот всей полосы пропускания линии (приблизительно до 4 кГц), а вся остальная полоса используется для высокоскоростной передачи данных. Технология ADSL эффективна с экономической точки зрения потому, что не требует прокладки специальных кабелей, а использует уже существующие двухпроводные медные телефонные линии.

1.4 Анализ конфигураций широкополосного абонентского доступа

При решении проблемы широкополосного доступа пользователей из сферы бизнеса и домашнего сектора к услугам сети с помощью технологий xDSL, кабельных модемов и беспроводных технологий, провайдеры услуг Интернет ищут оптимальные способы кофигурации доступа, которые позволили бы минимизировать затраты, связанные с модернизацией существующих инфраструктур абонентского доступа, а также упростить и ускорить процесс предоставления новых услуг.

Существует целый ряд альтернативных способов конфигурации доступа, важнейшими из которых являются следующие:

- метод доступа с использованием статической адресации IP;

- метод доступа с использованием динамической адресации IP на основе протокола DHCP (Dynamic Host Control Protocol);

- метод доступа с использованием протокола РРР (Point-to-Point Protocol) «поверх» АТМ (РРРоА);

-  и метод доступа с использованием протокола PPP «поверх» Ethernet (РРРоE).

Хотя каждый из этих способов может потенциально применяться в определённых приложениях, метод РРРоE наиболее полно удовлетворяет требованиям пользователей, позволяя провайдерам услуг использовать существующее аппаратное и программное обеспечение, включая системы обеспечения доступа и оплаты услуг связи.

Рассмотрим более подробно перечисленные способы конфигурации доступа к сетевым услугам.

Способ статической IP адресации является наиболее прямым и, вместе с тем, наиболее дорогим, поскольку каждому компьютеру пользователя присваивается индивидуальный IP-адрес. Очевидно, что этот способ имеет недостаточную масштабируемость; его применение целесообразно в локальной сети, где количество компьютеров мало и не предполагается их дальнейшее увеличение. Пользователи такой сети имеют доступ практически к любым сетевым услугам, поскольку эта архитектура доступа не поддерживает процедуры аутентификации пользователя, т.е. адресации невозможны. Кроме того, эта архитектура доступа сложна для выполнения на клиентской стороне, требуя сложного процесса конфигурации для каждого персонального компьютера, обеспечивающего широкополосный доступ.

Поскольку каждая статическая IP адресация требует жёсткой конфигурации для каждого персонального компьютера, возможные модификации сети затруднены, а вся архитектура требует существенных затрат на инсталлирование и неудобна при установке режимов. Однако для пользователей из сферы бизнеса, имеющих достаточные финансовые возможности, наличие постоянного доступа в Интернет является хорошим вариантом. Вместе с тем, что при использовании статической адресации для пользователей домашнего сектора возможности роста, предоставления дополнительных услуг, а также получения доходов ограничены.

Следующая архитектура, основанная на протоколе динамического распределения адресов DHCP (Dynamic Host Configuration/Control), выгодно отличается от статической адресации прежде всего своей гибкостью, поскольку она опирается на использование серверов DHCP, которые автоматически приписывают IP адреса и конфигурируют доступ персонального компьютера к сети прозрачно для пользователей. Поэтому предоставление широкополосных услуг с помощью DHCP оказывается более простым, чем в случае применения статической адресации. Кроме того, DHCP позволяет выполнять централизованно изменения в сети.

Способ DHCP лучше подходит для достаточно крупной сети. Когда пользовательский персональный компьютер, использующий протокол DHCP, выходит в сеть, он инициирует процесс получения лицензии DHCP. Сервер DHCP выдаёт разрешение на использование адресов IP в течение определённого времени, называемого временем аренды lease duration (это время может быть, в частности, и неограниченным).

Однако подобно статической адресации, способ DHCP неспособен аутентифицировать конечных пользователей и поэтому при этом способе возможно применение только метода постоянной оплаты пользователем сетевых услуг. Устранение этого недостатка архитектуры DHCP возможно только путём добавления сетевым провайдером собственного, как правило, достаточно сложного программного обеспечения.

При этом способ DHCP в сочетании с указанной дополнительной программой является чрезвычайно сложным, поскольку он требует организации интерфейсов в реальном масштабе времени между сервером DHCP, сервером аутентификации пользователей RADIUS (Remote Authentication Dial In User Service), сервером широкополосного доступа BRAS (Broadband Remote Access Server) и сервером биллинга (т.е., расчёта оплаты услуг связи). Кроме трудности исполнения, этот способ требует также выполнения дополнительных эксплуатационных и административных условий, поскольку необходимо тесно интегрировать множество различных приложений, чтобы сделать процедуру аутентификации успешной. Но даже в случае нормальной работы этого способа остаётся ещё возможность несанкционированного доступа в сеть до момента начала процедуры аутентификации.

Все рассмотренные выше механизмы конфигурирования конечных пользователей требуют сложных подготовительных операций и ограничены возможностью установления соединения одновременно только с одним провайдером услуг.