Проект сети передачи данных на базе ВОЛС участка Москва – Раменское

Введение

Пассажирские перевозки — одна из услуг, которую предоставляет компания ОАО «РЖД» день за днем. Пассажиропоток ежегодно растет. Каждый, покупающий билет пассажир, некоторое время теряет на покупку билета в кассе. Эта ситуация очень остра особенно в утренние и в вечерние часы «пик». Большое число жалоб от пассажиров привело компанию ОАО «РЖД» к рассмотрению следующей ситуации.

В связи с поэтапной разработкой информационных технологий управления инфраструктурой железнодорожного транспорта возникает потребность в создании автоматизированных рабочих кассиров пригородного и дальнего сообщений, а также подключения в общую информационную сеть многочисленных «умных» сетевых устройств — в нашем случае многофункционального кассового терминала (МКТК). Такие рабочие места, являясь средством обработки информации, а так же средством ее накопления, одновременно исполняют роль основных «приемников» первичных данных для информационно-вычислительной системы, объединяющей все уровни управления и автоматизации.

Под автоматизацией понимается комплексная конструкторско-технологическая задача создания новой сети передачи данных, принципиально отличной от технического арсенала средств неавтоматизированного производства, обеспечивающей сокращение трудовых затрат, улучшение условий работы.

Рассмотрим особо загруженный участок Московской железной дороги — Москва — Раменское. Город Раменское является крупным городом-спутником в Московской области, откуда каждый день в Москву устремляется огромное количество людей на работу. Руководство ОАО «РЖД» приняло решение запустить специальный скоростной поезд-спутник, ежечасно курсирующий по маршруту Москва Пассажирская — Казанская — Раменское, который позволяет частично разгрузить пригородные электропоезда, идущие из других городов Московской области по Казанскому направлению.

Для увеличения качества обслуживания пассажиров и модернизации существующей системы продажа проездных билетов одним из дочерних предприятий ОАО «РЖД» был создан специальный терминал по выдаче проездных билетов (МКТК), который, в том числе, оснащен разъемом RJ-45 и имеет в своем составе программное обеспечение для сбора всевозможной статистики, отправки отчетов, синхронизации данных, получении команд управления и прочими функциями.

Появилась необходимость в создании единой информационной сети для МКТК на участке Москва — Раменское. В данном дипломном проекте я рассмотрю такую информационную систему.

Цель дипломного проекта: разработать проект сети передачи данных на базе ВОЛС участка Москва — Раменское с подключением терминалов МКТК для увеличения качества обслуживания пассажиров, за счет быстрого оформления проездных билетов и транспортных карт.

1. Структура организации

1.1 Основные задачи и функции предприятия Московский ИВЦ создан в целях удовлетворения потребностей ОАО «РЖД», а также других потребителей в результатах его деятельности — обеспечение эксплуатации автоматизированных систем управления, достоверности учета и отчетности.

Основной задачей Московского ИВЦ является осуществление эксплуатации программно-технических комплексов и сети передачи данных в целях информационного обеспечения эксплуатационной работы Московской железной дороги — филиала ОАО «РЖД»;

Московский ИВЦ выполняет следующие функции:

Эксплуатация, сопровождение и внедрение программно-технических комплексов АСУ, техническое обслуживание и ремонт средств вычислительной техники, оборудования сети передачи данных и локальных вычислительных сетей.

Управление информационно-вычислительными ресурсами и контроль за их использованием, обеспечение эффективной эксплуатации и развития автоматизированных систем управления.

Разработка предложений и реализация мер по повышению эксплуатационной надёжности программно-технических комплексов ОАО «РЖД».

Реализация и внедрение проектов ОАО «РЖД» по развитию инфраструктуры информатизации.

Организация подготовки к работе в особый период, взаимодействие с заинтересованными организациями по вопросу содержания технических средств и материальных ценностей в мобилизационном резерве и специальном запасе.

Обеспечение в установленном порядке защиты информационных ресурсов и информации, составляющей коммерческую тайну ОАО «РЖД».

Проведение мероприятий по предупреждению и защите объектов и работников от террористических актов.

Организация профессиональной подготовки, переподготовки и повышения квалификации работников ИВЦ.

Организация работ по выполнению требований законодательства Российской Федерации об экологической безопасности, проведение мероприятий по охране окружающей природной среды, рациональному использованию природных ресурсов, предупреждению и ликвидации последствий чрезвычайных ситуаций природного и техногенного характера, мобилизационной подготовке и гражданской обороне.

Московский ИВЦ осуществляет следующие виды деятельности:

Техническое обслуживание и ремонт средств вычислительной и оргтехники, оборудования сети передачи данных;

Сопровождение и эксплуатация подсистем и комплексов задач автоматизированных систем управления ОАО «РЖД»;

Участие в разработке и вводе в эксплуатацию автоматизированных систем управления с применением современных методов и технологий оптимизации и реинжиниринга информационно-технологических бизнес-процессов ОАО «РЖД»;

Создание, эксплуатация и развитие информационных ресурсов регионального уровня;

Оказание информационных услуг, в том числе платных, в зоне обслуживаемого региона;

Предоставление в установленном порядке результатов обработки информации структурным подразделениям ОАО «РЖД» и другим пользователям услуг железнодорожного транспорта;

Осуществление телематических услуг и услуг связи в сети передачи данных ОАО «РЖД»;

Выполнение организационно-технических работ по защите информации в соответствии с требованиями законодательства Российской Федерации и нормативными документами ОАО «РЖД»;

Организация обучения, профессиональной подготовки, переподготовки, и повышения квалификации работников ОАО «РЖД»;

Изготовление, выпуск и реализация продукции, выполнение работ и услуг по заказам сторонних организаций и населения;

Коммерческая и торгово-закупочная деятельность, связанная с основной деятельностью и вспомогательным производством

Московский ИВЦ осуществляет иные виды, не противоречащие законодательству Российской Федерации и нормативно-правовым актам ОАО «РЖД».

1.2 Основные отделы Московского ИВЦ Информационно-вычислительный центр Московской железной дороги имеет богатые традиции в сфере информатизации. Отсюда началось создание информационных технологий и типовой АСУ сортировочной станции. Здесь родилась система «Экспресс» и осуществляется координация функционирования этой системы на сети дорог России и СНГ.

Услуги и продукция.

Оказание услуг по ведению и сопровождению информационных баз данных;

Оказание информационных услуг по дислокации вагонов и контейнеров.;

Оказание услуг по подключению и сопровождению к АБД Экспресс-3;

Оказание услуг по подключению и сопровождению АРМ ППД «Этран» ;

Комплексное и частичное сопровождение IT инфраструктуры клиента;

Системная интеграция;

Катастрофоустойчивое размещение резервных копий данных клиента;

Представление вычислительных мощностей (OS/390, DB2) до 1000 Mips, безопасный internet-доступ до 100 Мб;

Представление вычислительных мощностей Sun, WinIntel, безопасный internet-доступ до 100 Мб;

Представление в аренду специализированных технологических площадей под серверное оборудование клиента (кондиционирование, бесперебойное питание, безопасный internet-доступ до 100 Мб). Оказание услуг по техническому обслуживанию билетно-кассовой и приемо-передающей аппаратуры коммерческих организаций подключенных к системе Экспресс-3;

Обеспечение доступа клиента к системе «Экспресс» для реализации технологии резервирования мест через сеть Интернет с последующим выкупом в железнодорожной кассе;

Подключение к АСУ «Экспресс» коммерческих касс по продаже билетов, их технологическое сопровождение и контроль за исполнением технологии и инструкции билетного кассира системы «Экспресс» .

Основные отделы Московского ИВЦ представлены на Рис. 1.1.

Рисунок 1.1 — Структурная схема Московского ИВЦ Рассмотрим производственную деятельность Московского ИВЦ на примере отдела ИВЦ ТО-2.

Информационный вычислительный центр по обслуживанию вычислительной техники «Московский-Рязанский» далее ИВЦТО-2. Главной задачей является удовлетворение потребностей подразделений и предприятий отделения в информационно-вычислительных услугах для обеспечения и управления перевозочным процессом с использованием компьютерных технологий и систем телекоммуникаций в системе управления отделением и его предприятиями. Отдел обслуживает организации ОАО «РЖД», подразделения и предприятия Московско-Рязанского отделения от станции Москва-Пассажирская-Казанская до станций Воскресенск и Черусти, а также часть большой московской окружной железной дороги (БМО) от станции Давыдово до станции Непецино. Общий штат отдела ИВЦТО-2 составляет 16 человек (1 — начальник отдела ИВЦТО-2, 1 — заместитель начальника отдела ИВЦТО-2, 2 — ведущие электроники отдела ИВЦТО-2, 3 — электроники отдела ИВЦТО-2, 7 — электромеханики отдела ИВЦТО-2, 2 — техники отдела ИВЦТО-2).

Для выполнения главной задачи ИВЦТО-2 обеспечивает:

эксплуатацию, поддержку и развитие технического, программно-математического, информационного и организационно-методического обеспечения автоматизированных и информационно-справочных систем и систем телекоммуникаций Московско-Рязанского отделения;

совершенствование, разработку и внедрение совместно с другими организациями, службами дороги, автоматизированных, информационно-справочных и автоматизированных систем, автоматизированных рабочих мест и прикладных задач в производственную деятельность, финансово-экономическую и социальную сферу отделения;

сбор, обработку, накопление, ведение архивов информации, выдачу результатов расчетов и анализа подразделениям отделения и его предприятиям, формирование и передачу отчетности на вышестоящий уровень в соответствии с технологическим процессом решения задач и в установленные сроки;

обновление, эффективное использование, техническое обслуживание и ремонт средств вычислительной техники, телекоммуникационного оборудования и оргтехники;

подготовку материалов для проектирования и разработки автоматизированных, информационно-справочных систем, автоматизированных рабочих мест, прикладных и инженерных задач информатизации;

комплектование и ведение информационных и программных фондов ИВЦ;

техническое обучение персонала подразделений и предприятий отделения правилам работы с автоматизированными системами (АС) и автоматизированными рабочими местами (АРМ);

научно-техническая пропаганда внедрения компьютерных технологий в производственную и финансово-экономическую деятельность предприятий и подразделений отделения;

изучение и внедрение в производственную деятельность ИВЦТО-2 достижений в области информатизации, новейших систем программирования, общесистемного программного обеспечения, средств вычислительной техники и телекоммуникационного оборудования;

разработка и реализация мероприятий по повышению надежности функционирования аппаратно-программных комплексов систем автоматизации на основе анализа за их функционированием;

прокладка, монтаж, внедрение и обслуживание локально — вычислительных сетей и узлов передачи данных в подразделениях и предприятиях отделения;

осуществление мероприятий по подбору, расстановке и подготовке кадров, повышению их квалификации, укреплению дисциплины;

разработка и реализация под руководством службы информации и связи планов развития телекоммуникационных сетей;

повышение эффективности производства, увеличение доходов от грузовых и пассажирских перевозок, рост производительности труда за счет внедрения компьютерных технологий;

проведение работ по унификации разработанных и разрабатываемых программных продуктов и внедрение типового программного обеспечения и унифицированных технических средств;

укрепление материальной базы, социальной сферы, создание благоприятных условий для высокопроизводительного труда, проведение мероприятий по охране труда, противопожарной безопасности, научной организации труда;

обеспечение режима секретности и своевременного осуществления необходимых мероприятий по защите от несанкционированного доступа к информационным и программным фондам отделения, а также по защите секретных и служебных сведений от разглашения;

сбор и предоставления необходимых сведений и статистических данных по тематике работы отдела.

Деятельность ИВЦТО-2 строится на основе планов государственного и социального развития отрасли, Московского ИВЦ и реализуется через систему ежемесячного планирования работ по тематике отдела.

На основе контрольных цифр, долговременных экономических нормативов лимита ИВЦТО-2 разрабатывает, контролирует и выполняет долговременные и краткосрочные планы и другие организационные документы по информатизации производственной и социальной деятельности подразделений и предприятий отделения.

Долговременные планы производственной и развития отдела согласовываются со службой информатизации и связи дороги.

ИВЦТО-2 несет ответственность за качество, достоверность и оперативность предоставления информации по кругу своих задач.

2. Постановка задачи

2.1 Обоснование необходимости нового проекта сети передачи данных Рассмотрим участок транспортной телекоммуникационной системы отдела ИВЦТО-2 от Москвы до Раменского с схемой остановочный пунктов, который будет изображен на рисунке 2.1 и дадим обоснование необходимости нового проекта сети передачи данных для подключения «Многофункционального кассового терминала МКТК» (МКТК).

Рисунок 2.1- Участок транспортной телекоммуникационной системы отдела ИВЦТО-2 от Москвы до Раменского с схемой остановочных пунктов линии Москва-Раменское

Дадим обоснование необходимости постройки отдельной сети передачи данных участка Москва — Раменское, при этом необходимо подключить 24 остановочных пункта данной линии. Исходя из схемы определим главные узлы, которые будут нести функцию вышестоящего узла (ПУ1/Радиоузел/МПК, ПУ1/пост ЭЦ/Перово-1, ПУ1/пост ЭЦ/Люберцы-1, ПУ2/Дом связи/Панки, ПУ1/пост ЭЦ/Быково, ПУ1/пост ЭЦ/Раменское. Для организации связи с остановочными пунктами будут выступать связевые кабели, предоставленные ДДС. В качестве основного оборудования необходимы модемы, работающие по технологии G. SHDSL (Zyxel Prestige 791 R EE). Модемы будут работать в режиме моста. При этом на каждый остановочный пункт, кроме станций, где расположены вышестоящие узлы СПД, необходимо по паре модемов. Разделим схему на отдельные части и в каждую часть включим вышестоящий узел, который будет выполнять функцию основного узла связи. Получим следующие части: Москва, Электрозаводская — Новая, Фрезер — Выхино, Косино — Люберцы-1, Панки — Малаховка, Удельная — Ильинская, Отдых — Раменское. «Многофункционального кассового терминала МКТК» (МКТК) работает в режиме реального времени, то есть передает данные постоянно, связываясь с сервером направления. Получаем дополнительную нагрузку на вышестоящий узел СПД, и загруженность узла по дополнительному оборудованию. Скорость передачи по потокам E1 составляет 2,3 Мбит/с. Отдел ИВЦТО-2 обслуживает более 2000 компьютеров, которые в свою очередь нагружены различными информационными системами, которые необходимы для организации поездной работы отделения, работы с локомотивными депо, обработки различной работы по погрузке и оформлению накладных, обработки бухгалтерской, статистической и другой работы. Вся эта работа загружает основные транспортные каналы связи. К тому же на отделении развернуты такие сервера как: Active Directory, сервер SCCM, сервер WSUS и сервер антивирусной защиты Trend Micro. Эти системы также загружают каналы связи, особенно Active Directory. Подведем итоги для существующей транспортной системы участка Москва — Раменское:

необходимо дополнительное сетевое оборудование;

загруженность дополнительным сетевым оборудованием узлов СПД;

загруженность основных транспортных каналов связи;

ряд проблем, связанные со связевыми кабелями от ДДС (наводки на кабель, помехи, повреждения и т. д.);

на устранение повреждения связевого кабеля, необходимо достаточно большое время, что влечет простой работы остановочных пунктов, по продаже и оформлению проездных документов;

простой в работе остановочных пунктов, влечет убытки в пассажирском направлении ОАО «РЖД».

Исходя из всего этого, не рентабельно организовывать сеть передачи данных существующей транспортной телекоммуникационной системы отдела. Необходима новая сеть передачи данных для организации работы остановочных пунктов линии Москва — Раменское. Новая сеть передачи данных должна быть построена с использованием новых технологий, и отвечать требованиям отказоустойчивости.

2.2 Постановка задачи Разработать проект сети передачи данных на базе ВОЛС участка Москва — Раменское с подключением терминалов МКТК для увеличения качества обслуживания пассажиров, за счет быстрого оформления проездных билетов и транспортных карт.

Задачи дипломного проекта:

Выбрать оптимальную структуру волоконно-оптического сегмента сети.

Подобрать необходимое сетевое оборудование для реализации проекта.

Выполнить настройки активного оборудования с целью надежности всей сети передачи данных.

Рассмотреть планы на будущее.

Реализация данного проекта позволит внедрить новейшие технологии на участке Москва — Раменское в рамках информатизации, улучшить качество обслуживания пассажиров в билетных касс, а также использовать данную сеть передачи данных в будущем, реализуя новые внедрения в инфраструктуру данного участка.

Данный дипломный проект базируется на использовании таких телекоммуникационных технологий как:

Gigabit Ethernet (Технология Ethernet со скоростью передачи 1000Мбит/с);

Fast Ethernet (Технология Ethernet со скоростью передачи 100Мбит/с);

G.SHDSL (симметричная DSL-технология).

3. Анализ технологий, используемых в проекте

3.1 Волоконно-оптические линии связи (ВОЛС) В волоконно-оптических системах передачи (ВОСП) информация передается электромагнитными волнами высокой частоты, около 200 ТГц, что соответствует ближнему инфракрасному диапазону оптического спектра 1500 нм. Волноводом, переносящим информационные сигналы в ВОСП, является оптическое волокно (ОВ), которое обладает важной способностью передавать световое излучение на большие расстояния с малыми потерями. Потери в ОВ количественно характеризуются затуханием. Скорость и дальность передачи информации определяются искажением оптических сигналов из-за дисперсии и затухания. Волоконно-оптическая сеть — это информационная сеть, связующими элементами между узлами которой являются волоконно-оптические линии связи. Технологии волоконно-оптических сетей помимо вопросов волоконной оптики охватывают также вопросы, касающиеся электронного передающего оборудования, его стандартизации, протоколов передачи, вопросы топологии сети и общие вопросы построения сетей.

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 Гц;

очень малое (по сравнению с другими средами) затухание светового сигнала в оптическом волокне;

ОВ 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, что делает их перспективными для использования в авиации, приборостроении, в кабельной технике;

т.к. оптические волокна являются диэлектриками, следовательно, при строительстве систем связи автоматически достигается гальваническая развязка сегментов;

системы связи на основе оптических волокон устойчивы к электромагнитным помехам, а передаваемая по световодам информация защищена от несанкционированного доступа;

важное свойство оптического волокна — долговечность;

Но существуют также некоторые недостатки волоконно-оптических технологий:

при создании линии связи требуются высоконадежные активные элементы, преобразующие электрические сигналы в свет, и свет в электрические сигналы;

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.

Рассмотрим волоконно-оптические кабеля (ВОК). Одним из важнейших компонентов ВОЛС является волоконно-оптический кабель (ВОК).

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 с большим ассортиментом применяемых материалов позволяют выбрать исполнение кабеля, наилучшим образом удовлетворяющее всем условиям проекта, в том числе — стоимостным.

Особый класс образуют кабели, встроенные в грозозащитный трос (оптические волокна укладываются в стальные трубки, которые заменяют провод заземления), используемые для подвески на опорах воздушных линий электропередачи. Такие кабели характеризуются способностью выдерживать высокие механические и электрические нагрузки, обладают высокой молниестойкостью и высокой стойкостью к вибрации, и предназначены для соединения электростанций и станций управления, используя действующие высоковольтные линии.

Рассмотрим общие положения о ВОЛС. Важнейший из компонентов ВОЛС — оптическое волокно. Для передачи сигналов применяются два вида волокна: одномодовое и многомодовое. Свое название волокна получили от способа распространения в них излучения.

Оптическое волокно состоит из сердцевины, по которой происходит распространение световых волн, и оболочки, предназначенной, с одной стороны, для создания лучших условий отражения на границе раздела «сердцевина — оболочка», а с другой — для снижения излучения энергии в окружающее пространство. С целью повышения прочности и тем самым надежности волокна поверх оболочки, как правило, накладываются защитные упрочняющие покрытия.

Рисунок 3.1 — Общий вид типового ОВ Такая конструкция ОВ используется в большинстве оптических кабелей (ОК) в качестве базовой. Сердцевина изготавливается из оптически более плотного материала. Оптические волокна отличаются диаметром сердцевины и оболочки, а также профилем показателя преломления сердцевины, т. е. зависимостью показателя преломления от расстояния от оси ОВ.

Все оптические волокна делятся на две основные группы: многомодовые MMF (multi mode fiber) и одномодовые SMF (single mode fiber). В многомодовых ОВ, имеющих диаметр светонесущей жилы на порядок больше длины волны передачи, распространяется множество различных типов световых лучей — мод. Многомодовые волокна разделяются по профилю показателя преломления на ступенчатые (step index multi mode fiber) и градиентные (graded index multi mode fiber).

3.2 Технология Gigabit Ethernet

В 1998 году комиссией 802.3z Института инженеров по электротехнике и электронике (Institute of Electrical and Electronics Engineers — IEEE) был принят стандарт 1000BASE-X. Этот стандарт поднял скорость передачи данных по оптоволоконным каналам связи в дуплексном режиме до 1 Гбит/с, таким образом увеличив скорость в 100 раз по сравнению со стандартом 10BASE-T. Стандарт 100BASE-T, описывающий технологию со скоростью 1 Гбит/с и использующий медный UTP-кабель категории 5, был принят в 1999 году.

В таблице 3.1 перечислены рабочие параметры технологии Ethernet, которая работает со скоростью 1000 Мбит/с.

Таблица 3.1 — Рабочие параметры среды Gigabit Ethernet

Стандарты 1000BASE-T, 1000BASE-SX и 1000BASE-LX используют одинаковы временные параметры. Необходимо отметить, что 1 битовый интервал (время передачи одного бита) на скорости 1000 Мбит/с равен 1 нс, то есть 0,001 микросекунды, или 1 миллионной секунды. Также необходимо помнить, то некоторые отличия во временных параметрах по сравнению с традиционной технологией Ethernet и Fast Ethernet связаны со специфическими проблемами, возникающими при столь малых значениях битовых и канальных интервалов.

Технология Ethernet со скоростью передачи 1000 Мбит/с (Gigabit) использует тот же формат фрейма, что и технологии со скоростями 10 и 100 Мбит/c. Для разных реализаций технологии Gigabit Ethernet, в зависимости от используемой среды передачи, реализованы различные алгоритмы преобразования фреймов в биты.

Метод Gigabit Ethernet увеличил скорость передачи данных в 10 раз по сравнению с Fast Ethernet. Так же, как это было в случае с Fast Ethernet, увеличение скорости наложило дополнительные требования: передающиеся по соединению биты занимают меньший промежуток времени (1 нс), возросла частота передачи, что потребовало более тщательной синхронизации. Для передачи необходимы частоты, близкие к предельным значениям для среды передачи, что вызвало повышенную чувствительность к помехам. Для решения возникших проблем с синхронизацией, пропускной способностью и соотношением сигнал/шум в технологии Gigabit Ethernet для кодирования информации используются два отдельных этапа. Основная идея состоит в использовании кодов, которые обеспечивают необходимые характеристики пользовательских данных, включая синхронизацию, эффективное использование пропускной способности и улучшенные соотношения сигнал/шум.

Повторяющиеся битовые группы MAC-подуровня преобразовываются в символы, которые могут контролировать такую информацию, как начало фрейма, конец фрейма, и указать состояние простоя среды передачи. Полный фрейм разбивается на контрольные символы и символы данных (группы кодов данных). Дополнительная сложность реализации необходима для достижения десятикратного увеличения скорости сети по сравнению с Fast Ethernet. В стандарте 1000BASE-T для кодирования первой части используется алгоритм называемый 8bit- 1Quinary quarter (кодирование 8B1Q4). Вторая часть кодирования отвечает за фактическое кодирование сигнала для конкретной среды передачи и использует принцип четырехмерного пятиуровневого модулирования амплитуды импульса (4-dimensional 5 level pulse amplitude modulation — 4D-PAM5). Использование последовательно алгоритмов кодирования сигала 8B1Q4 и 4D-PAM5 обеспечивает синхронизацию, требуемую пропускную способность и необходимые характеристики для соотношения сигнал/шум, позволяющие передавать данные в дуплексном режиме по каждой из четырех используемых пар проводов одновременно. Для стандарта 1000BASE-X используется кодирование 8-bit/10-bit (8B/10B) (основанное на принципах, аналогичных алгоритму 4B/5B) простое NRZ-кодирование в линии для оптического сигнала.

Рассмотрим технологии 1000BASE-SX и 1000BASE-LX. Технология Gigabit Ethernet на основе оптоволоконного кабеля является одной из наиболее предпочтительных при создании магистральных соединений. Она имеет ряд существенных преимуществ.

скорость передачи данных составляет 1000 Мбит/с, что позволяет объединять группы широко используемых устройств Fast Ethernet.

устойчива к помехам;

отсутствуют потенциальные проблемы с заземлением между кабелем и полом, стенами или зданиями;

существует множество устройств стандарта 1000BASE-X;

максимально допустимая длина сегмента достаточно велика.

Стандарт для Gigabit Ethernet-сетей был представлен как дополнение к стандарту IEEE 802.3 под названием «802.3z-1998 1000BASE-X Gigabit Ethernet». Единственной областью, в которой применение стандартов 1000BASE-SX и 1000BASE-LX происходит медленнее других, является подключение настольных рабочих станций. В этих случаях стандарт 1000BASE-T считается наиболее проверенным и надежным для повседневного использования, кроме то, 10/100/1000 Мбит/с-интерфейсы под медный провод одинаковы.

В стандарте 1000BASE-X используется 8B/10B-кодирование, преобразованное в NRZ-кодирование сигнала в линии. Для этого в качестве источника используется либо недорогой коротковолновый лазер с длиной волны 850 нм (или в некоторых случаях светоизлучающий диод) и многомодовый оптический кабель (1000BASE-SX, где литера S означает коротковолновый либо короткий) или длинноволновый лазер 1310 нм и одномодовый оптический кабель (1000BASE-LX, где литера L означает длинноволновый либо длинный).

Метод NRZ-кодирования основан на определении уровня сигнала в пределах единичного временного интервала и вычисления на его основе битового значения для данного периода. В отличие от большинства описанных ранее схем кодирования, эта схема использует уровень сигнала, а не характерен его изменения.

Последовательный сигнал, кодированный при помощи NRZ-алгоритма, передается при помощи импульсов света в соответствии со стандартами 1000BASE-SX или 1000BASE-LX. Из-за периодических циклических задержек, возникающих каждый раз при полном включении-выключении передатчика, используются импульсы света высокой и низкой мощности. Логический нуль соответствует низкому значению, логическая единица — высокой мощности.

В таблице 3.2 показан исключительно простой интерфейс взаимного подключения Gigabit Ethernet для оптического кабеля. В большинстве случаев используются оптические соединители SC-типа.

Таблица 3.2 — Интерфейс взаимного подключения для Gigabit Ethernet.

На рисунке 3.2 показан схема подключения для стандарта 1000BASE-SX. С многомодовым оптическим кабелем обычно используется коротковолновой лазер (или иногда светоизлучающий диод).

Рисунок 3.2 — Оптическое соединение 1000BASE-SX

На рисунке 3.3 показана схема подключения для стандарта 1000BASE-LX. С одномодовым оптическим кабелем обычно используется лазерный источник, что позволяет передавать сигнал на расстояние до 5000 метров.

Рисунок 3.3 — Оптическое соединение 1000BASE-LX.

В применяемом для оптических соединений MAC-методе используется соединения типа «точка-точка». Таких образом, оптические соединения благодаря использованию отдельных кабелей для передачи и приема по своей сути являются дуплексным. В технологии Gigabit Ethernet разрешено использование единственного повторителя между двумя станциями.

3.3 Технология Fast Ethernet

Технология Ethernet со скоростью передачи 100 Мбит/c, также известна как Fast Ethernet (быстрая технология по сравнению с оригинальной технологией Ethernet со скоростью передачи данных 10 Мбит/c), включает в себя целую серию технологий. Двумя наиболее успешными коммерческими реализациями идеи такой технологии стали стандарты 100BASE-TX (на основе медного UTP-кабеля) и 100BASE-FX (на основе многомодового оптического волокна).

Общими для технологий 100BASE-TX и 100BASE-FX являются:

временные параметры;

формат фрейма;

некоторые этапы процесса передачи данных.

В таблице 3.4 перечислены рабочие параметры технологии Ethernet, которая работает на скорости 100 Мбит/с.

Таблица 3.4 — Параметры работы 100 Мбит/с технологии Ethernet

Технологии 100BASE-TX и 100BASE-FX используют одинаковые временные параметры. Следует отметить, что один битовый интервал в технологии Ethernet со скоростью 100 Мбит/с составляет 10 нс, что равно 0,01 мск, или одной стомиллионной секунды. Формат фрейма для скорости передачи данных 100 Мбит/с полностью совпадает с форматом технологии 10 Мбит/с.

Благодаря появлению Fast Ethernet скорость передачи данных увеличилась в 10 раз. В результате появились новые требования. Время, необходимое для передачи одного бита, уменьшилось, при этом возросла частота передачи. Необходимо тщательно выдерживать временные параметры; требуются частоты, близкие к предельным значениям для используемых сред передачи. Это в итоге привело к большей чувствительности к помехам. Для решения возникших проблем, связанных с синхронизацией, пропускной способности и соотношением сигнал-шум (Signal-to-Noise Ratio — SNR) в сетях со скоростью 100 Мбит/с, используются два раздельных этапа кодирования сигнала. Основная идея состоит в использовании систем кодирования, спроектированных для получения необходимых характеристик сигналов, их эффективной передачи по сети, включая вопросы синхронизации, эффективного использования полосы пропускания и улучшенного соотношения сигнал-шум. Первая часть процесса кодирования называется механизмом 4 бита/5 битов (4bit/5bit — 4B/5B), вторая часть — это фактическое кодирование сигнала со всеми его особенностями для передачи по медному проводу и оптическому волокну.

Оба стандарта Ethernet, которые работают со скоростью 100 Мбит/с, 100BASE-TX и 100BASE-FX, кодируют полубайты (четырехбитовые группы), полученные из MAC-подуровня. Четырехбитовые комбинации преобразовываются в пятибитовые символы; символы несут в себе контрольную информацию (такую, как начало фрейма или флаг состояния «среда не занята»). Полный фрейм, предназначенный для передачи, содержит контрольные символы и символы данных (групповой код данных). Такое дополнительное усложнение нужно для того, чтобы достичь десятикратного увеличения скорости передачи.

После применения 4B/5B-кодирования биты (в форме групповых кодов) необходимо передать через среду передачи (что предполагается применение линейного кодирования). Использование алгоритма кодирования 4-х битов в 5 означает, что за один и тот же интервал времени требуется передать 125 Мбит вместо ста. Эта особенность накладывает дополнительные строгие требования к качеству среды передачи, передатчиков и приемников. В периоды времени, когда нет данных для передачи, передаются группы битов «заполнения» для заполнения пустых периодов и поддержки синхронизации. В этом и состоит основное отличие способа обработки данных для разных сред передачи: медного провода в стандарте 100BASE-TX и оптического волокна стандарта 100BASE-FX.

Рассмотрим технологию 100BASE-TX. Потребность в сетях большей скоростью передачи данных привела в 1995 году к появлению технологии 100BASE-T Fast Ethernet и стандарта автоматического определения скорости (изначально 802.3u-1995). Благодаря технологии 100 BASE-T скорость передачи в сетях Ethernet увеличилась до 100 Мбит/с. Стандарт 100BASE-TX, являющийся модификацией 100BASE-T для кабеля UTP-типа категории 5, имел и имеет несомненный коммерческий успех. Вскоре появились двухскоростные концентраторы и коммутаторы 10/100, позволяющие организовать одновременную передачу данных в сетях Ethernet как на базовой скорости 10 Мбит/с, так и на скорости 100 Мбит/с.

Исходная технология Ethernet, в которой использовался коаксиальный кабель, может работать только в полудуплексном режиме. Следовательно, только одно устройство может передавать данные в определенный момент времени. В 1997 году технология Ethernet была доработана; появился дуплексный режим передачи (изначально стандарт 802.3x), позволяющий передавать данные более чем одной станции одновременно. Изобретение Ethernet-коммутаторов дало возможность использовать дуплексный режим передачи и за счет этого более эффективно организовать сетевой трафик, чем это делали концентраторы. Коммутаторы все более активно заменяют концентраторы в высокоскоростных сетях благодаря их способности работать в дуплексном режиме и более эффективно обрабатывать Ethernet-фреймы.

В технологии 100BASE-TX данные кодируются по алгоритму 4B/5B, потом «перемешиваются» (scrambling — перестановка элементов) и преобразуются в многоуровневый сигнал для передачи MLT-3 (MultiLevel Transmit 3 — трехуровневый сигнал), являющийся кодовым сигналом в линии на основе UTP-кабеля категории 5. Алгоритм MLT-3 преобразует двоичный поток данных в электрическую волновую форму, используя постоянную сигнальную схему. Кодирование с инверсией без возврата к нулю (NonReturn-to-Zero, Invert — NRZI) отличается от алгоритма MLT-3 тем, что в последнем уровень сигнала изменяется от отрицательных до положительных значений, в отличие от двух уровней в коде NRZI.

Основное правило для кода MLT-3 гласит, что двоичное число 1 соответствует циклическому переходу сигнала на более низкий уровень, после чего должен произойти возврат к исходному значению. Двоичное число 0 не вызывает изменений уровня сигнала.

В процессе начальной установки соединения принимающая сторона ожидает только 4B/5B-группы с кодом «среда свободна».

Схема подключения кабеля для 100BASE-TX полностью совпадает с применяемой в стандарте 10BASE-T. Используется две отдельные пары для приема и передачи. Для соединения между станциями и повторителями или концентраторами применяется прямой кабель. Внутри концентратора для скорости 100 Мбит/с реализована общая шина, являющаяся общим доменом коллизий. Однако для широко распространенных сегодня концентраторов с автоматическими определением скорости 10/100 Мбит/с внутренняя структура устройств несколько сложнее. Следует также отметить, что несмотря на то что концентраторы для сетей Ethernet со скоростью передачи 100 Мбит/с значительно быстрее концентраторов, которые работают со скоростью 10 Мбит/с, коллизии по-прежнему являются общей проблемой, поскольку устройства обоих типов основаны на принципах структуры с общей шиной. Только использование коммутаторов и дуплексного режима передачи данных может помочь избежать проблем с коллизиями.

Для соединения коммутатора с рабочей станцией служит прямой кабель. Схема внутреннего устройства коммутатора дает возможность использовать полностью полосу пропускания по каждому из его портов и избежать коллизий.

Все соединения типа «станция-станция», «коммутатор-коммутатор» и «станция-коммутатор» в технологии Fast Ethernet являются соединениями «точка-точка»: они имеют два раздельных коммуникационных канала. В этой ситуации коллизии не являются физическим явлением, а результатом административного логического решения не разрешать одновременно использовать сигналы Tx и Rx (прием и передача). Таким образом, использование полудуплексного (административное ограничение алгоритма CSMA/CD) или дуплексного режима (когда физические коллизии отсутствуют) определяет качество работы системы и может быть задано в конфигурации устройства. В большинстве случаев используется дуплексный режим передачи.

При подключении рабочей станции к концентратору необходимо учитывать, что внутри концентратора реализована шинная технология, определяющая домен коллизий. Следовательно, в таких соединениях может использоваться только полудуплексный режим передачи, подчиняющийся правилам алгоритма CSMA/CD.

Возникает вполне логичный вопрос: «Доступны лм в Fast Ethernet скорости передачи 200 Мбит/с?» Технология 100BASE-TX передает трафик со скоростью 100 Мбит/с в полудуплексном режиме (хотя часть передаваемых данных является служебной информацией). Но в дуплексном режиме 100BASE-TX поддерживает передачу данных на скорости до 200 Мбит/с (хотя, опять-таки, часть передаваемых данных является служебной информацией.) Концепция использования дуплексного режима передачи приобрела исключительное значение в связи с потребностью в увеличения скорости передачи данных в Ethernet-сетях.

3.4 Технология G. SHDSL

SHDSL — симметричная высокоскоростная технология, которая является дальнейшим развитием технологии SDSL. Существует ряд разновидностей указанной технологии, из которых одной из наиболее перспективных можно считать G.SHDSL. G. SHDSL позволяет создать стандарт, который обеспечивает совместимость разнотипного оборудования различных поставщиков услуг. В настоящее время G. SHDSL — это единственная симметричная DSL-технология, стандартизованная Международным союзом электросвязи (ITU).

Как и любая симметричная xDSL-технология, G. SHDSL ориентирована, главным образом, на корпоративный сектор, поскольку именно он нуждается в симметричном доступе — голосовые каналы, удаленный доступ к сети предприятия, подключение к Интернету (веб-серверы) и другие приложения в ряде случаев требуют передачи одинаковых по объему входящих и исходящих потоков.

В основу G. SHDSL положены основные идеи HDSL2, получившие дальнейшее развитие. В данной технологии также применяется тип линейного сигнала TC-PAM 16. При кодировании за один тактовый интервал сигнала TC-PAM 16 передаётся 4 бита, 3 из которых являются информационными битами исходного бинарного сигнала, и формируется сигнал с 16-ю кодовыми состояниями. Процесс формирования получил название импульсной амплитудно-фазовой модуляции с так называемым решётчатым кодированием (кодированием Треллис, Trellis coded modulation).

Решётчатое кодирование применяется в качестве внутреннего кода микропроцессора, формирующего сигнал TC-PAM 16. Его преимуществами является повышенная помехозащищённость и снижение задержки сигнала при его обработке. Опыт внедрения указанной технологии показал, что соотношение сигнал/шум возрастает по сравнению с системами передачи, использующими HDSL, на 3 дБ — 6 дБ.

Данное преобразование позволяет в 16 раз уменьшить скорость передачи, что позволяет соответственно в 4 раза увеличить длину регенерационного участка при сохранении нормированных требований к его рабочему затуханию и уровню переходных влияний. Кроме того, при работе по одному многопарному кабелю систем, использующих сигнал TC-PAM 16, и других ЦСП, уменьшаются взаимные влияния. Следует учитывать, что при этом должны неукоснительно выполняться требования ограничения уровня сигнала и подавления его высших гармонических составляющих. Всё это позволяет сделать вывод о перспективности использования TC-PAM 16 в технологии «последней мили». В этом случае два оконечных цифровых устройства обмениваются данными по обычной телефонной линии со скоростью до 2,3 Мбит/с.

Применение системы кодирования TC-PAM и смещения частот для нисходящего и восходящего трафика предоставляет возможность оптимально использовать отведённую полосу частот. Считается, что такой метод модуляции гарантирует почти предельную скорость передачи. В отличие от кодирования 2B1Q или CAP, которые применяются в HDSL, спектр сигнала локализован в более узкой полосе частот. Это помогает избежать перекрестных помех (при совместной работе на одном кабеле) с оборудованием, функционирующем как по другим DSL-технологиям, так и по самой G.SHDSL.

В G. SHDSL эффективно используется адаптация скорости передачи, которая в этом случае может изменяться с шагом 8 кбит/с от минимальной величины 192 кбит/с до максимального значения 2,32 Мбит/с, при которой становится возможной скорости передача канала E1. Для этого с помощью специального протокола в процессе установления соединения модемы на обоих концах линии тестируют условия передачи сигнала. Получив результаты тестирования, модемы производят обмен сообщениями и определяют максимальную скорость передачи, допустимую при данных условиях (это особенно важно для определения типа обслуживания передаваемого трафика и формата передаваемых кадров). Максимальная длина соединения (7,5 км при скорости 192 кбит/с и более 3 км при 2,32 Мбит/с) при этом оказывается больше, нежели у других симметричных xDSL-технологий, работающих при тех же скоростях передачи. Применение эхоподавления обеспечивает полнодуплексную связь при всех значениях скорости передачи.

В G. SHDSL предусмотрена возможность использования для передачи информации одновременно двух пар, что позволяет увеличить предельную скорость передачи до 4624 кбит/с и обеспечивает необходимый уровень резервирования. Но главное, можно удвоить максимальную скорость, причём этого удается достигнуть при передаче по типовому симметричному кабелю, к которому подключен абонент. Стандартом ограничена максимальная задержка цифровой информации в канале передачи — она составляет не более 500 мс. Дополнительно снизить задержки в канале можно за счет оптимального выбора протокола. Например, для IP трафика устанавливается протокол, который позволяет отказаться от передачи избыточной информации.

В отличие от ADSL и VDSL, G. SHDSL как нельзя лучше подходит для организации «последней мили». Так, при максимальной скорости передачи группового сигнала он может быть уплотнён 36-ю голосовыми каналами. Тогда как ADSL, где ограничивающим фактором является низкая скорость передачи от абонента к сети (640 кбит/с), позволяет организовать лишь 9 голосовых каналов, не оставляя места для передачи данных. Еще одна задача, которая успешно решена в G. SHDSL, — это снижение энергопотребления оборудования. Поскольку для дистанционного питания промежуточного и абонентского оборудования используется одна пара, уменьшение его энергопотребления позволяет существенно улучшить эксплуатационные параметры линии.

По сравнению с вариантами построения линии по двухпарной (или четырёхпроводной) схеме, однопарные варианты обеспечивают существенный выигрыш по аппаратным затратам и, соответственно, надежности изделия. Ресурс снижения стоимости составляет до 30% для модемов и до 40% для регенераторов — ведь каждая из пар требует включения в состав аппаратурного комплекса приемопередатчика HDSL, линейных цепей, элементов защиты и т. п. Казалось бы, новая технология решает большинство накопившихся проблем, и при её внедрении спрос на все прочие симметричные DSL-решения исчезнет. Однако большинство специалистов отмечают, что G. SHDSL нельзя рассматривать, как полную замену существующих симметричных технологий. Скорее всего, она является их дополнением. По этой причине в ближайшее время можно считать оптимальным вариантом использование аппаратных платформ, которые могут реализовать возможность использования всех основных технологий в рамках единой системы. Именно они позволят поставщику услуг выбирать для подключения абонента решение, оптимально соответствующее существующим условиям и решаемым задачам. Не надо, наверное, доказывать, что для нормальной работы сети необходимо обеспечить совместимость оборудования различных производителей. Это, в свою очередь, позволяет оператору и пользователю легко менять поставщика или приобретать абонентское и станционное оборудование от разных производителей. Таким образом, G. SHDSL представляет собой достаточно эффективный и экономичный способ решения проблемы «последней мили», и с помощью этой технологии можно успешно решать различные конкретные задачи.

Скорее всего, в своем нынешнем состоянии технология G. SHDSL претерпит изменения — известно, что МСЭ (ITU) и Международный Институт Стандартов ETSI сейчас работают над спецификацией G.SHDSL.bis, которая позволит увеличить скорость передачи данных по одной паре с 2,312 Мбит/с до 3,840 Мбит/с (улучшенный код модуляции TC-PAM16), а в дальнейшем — до 5,700 Мбит/с (TC-PAM32). При этом в реальных условиях эксплуатации (с учётом действующих на линиях помех, совместной работы с другими системами передачи и т. п.) дальность работы на максимальной скорости устройств с модуляцией TC-PAM16 должна составлять около 1,7 км (для потока 3,8 Мбит/с), а с модуляцией TC-PAM32 — около 800 м (5,7 Мбит/с).

4. Проект информационной сети участка

4.1 Описание разрабатываемой информационной сети

4.1.1 Описание участка внедрения СПД Сеть передачи данных разрабатывается и внедряется на участке Москва — Раменское Московской железной дороги. Общая протяженность линии будет составлять 46 километра. На участке расположено 5 станций и 19 остановочных пунктов (о.п.). Среднее расстояние от о.п. до о.п. составляет 2 километра. На Рязанском направлении от Москвы до Раменского в сутки перевозится более 110 тыс. пассажиров. Наибольшая загруженность приходится в утренние и вечерние часы «пик», когда пассажиры приезжают в Москву на работу и уезжают в города-спутники столицы. В зависимости от загруженности пассажиропотоком станции или остановочного пункта, количество подключаемых МКТК будет различным. Вся сеть передачи данных будет разбита на 5 зон. В каждой зоне необходимо организовать точку доступа в СПД ОАО «РЖД». Это позволит увеличить надежность всей линии, то есть при выходе из строя одной станции или остановочного пункта целостность работы не нарушится, из-за маршрутизации между зонами. При нормальной работе сети передачи данных (то есть все станции и остановочные пункты в сети) прохождение трафика будет производится только в зоне закрепления станции и только через ту точку доступа, на которую закреплена станция.

4.1.2 Описание узлов СПД На каждой станции и остановочном пункте участка Москва-Раменское будет создан узел сети передачи данных (узел СПД). Данные типы узлов будут являться узлами доступа для клиентов (в нашем случае подключение МКТК).

Краткое описание узла СПД о.п. Электрозаводская:

Название — МСЛ/Электрозаводская (МСЛ — Московская скоростная линия/название станции или остановочного пункта).

Питание узла СПД будет осуществляться негарантированным питанием 220 В от ЭЧ-3 (ЭЧ — электроснабжение).