Проект строительства транспортной сети в Кемеровской области на базе технологии DWDM (плотного волнового мультиплексирования) и MPLS (многопротокольной коммутации меток)

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

С постоянно растущими потребностями пользователей систем подвижной связи, передачи данных и телефонных сетей общего пользования интенсивность трафика растет в геометрической прогрессии, все большее значение приобретают технологии коммутации и маршрутизации пакетов в территориально распределенных сетях.

Главными требованиями, предъявляемыми к технологии магистральной сети, были высокая пропускная способность, незначительное значение задержки и хорошая масштабируемость, этим требованиям удовлетворяет технология DWDM (Dense Wave Division Multiplexing) - плотное волновое мультиплексирование. Технология DWDM может предоставлять транспорт для других протоколов передачи данных, таких как IP, АТМ.

Средства для увеличения количества пользователей должны быть такими, чтобы не пришлось в массовом порядке менять сложившуюся инфраструктуру, и можно было реализовать преимущества, обеспечиваемые протоколом IP (Internet Protocol), одновременно сохраняя качество и надежность протоколов ATM (Asynchrony Transfer Mode) и Frame Relay. Решение было найдено еще в 90-х гг. прошлого века, и называлось оно «многопротокольная коммутация по меткам» (MPLS -MultiProtocol Label Switching). Идея заключалась в том, чтобы обеспечить более быстрый выбор направления следующего «шага» в маршруте передачи и исключить необходимость анализа IP-заголовка каждого пакета на каждом промежуточном узле сети. Провайдеры используют технологию MPLS, чтобы, оставив IP в качестве «каркаса» сети, получить контроль над использованием полосы пропускания.

С точки зрения пользователей несомненными преимуществами MPLS являются существенное повышение качества работы (QoS - Quality of Service) и значительно упрощенное построение защиты доступа к VPN. При использовании MPLS отпадает необходимость в дополнительном шифровании и других повышенных мерах предосторожности. К тому же по сети на основе MPLS могут передаваться любые данные, поскольку содержимое пакета остается неизменным на протяжении всего пути -- заменяются лишь метки.

Целью строительства транспортной сети в Кемеровской области является повышение качества и надежности обслуживания абонентов подвижной радиотелефонной связи стандартов GSM-900/1800 и IMT-2000/UMTS, предоставление в аренду каналов связи, предоставление услуг по передаче данных на территории Кемеровской области. Строительство фрагмента транспортной сети в Кемеровской области предусмотрено по технологии IP/MPLS для внутризоновой сети и по технологии DWDM для магистральной сети.

Для проекта необходимо обосновать строительства транспортной сети, вид ОВ (оптическое волокно), тип и способ прокладки ВОК (волоконно-оптического кабеля), разработать схему структурную, схему организации, а также описать контроль и управление данной сетью связи, произвести расчет энергетического бюджета оптической линии, расчёт надёжности.

При проектирование транспортной сети необходимо учитывать следующие требования и пожелания заказчика: организация 32 узлов доступа, 5 узлов агрегации в городах Кемерово и Новокузнецк; организация магистральной транспортной сети между городами по технологии DWDM (c установкой оборудования регенерации); выбор проектируемого оборудования сделать на основании существующих транспортных сетей оператора, для дальнейшего включения проектируемой сети в существующую транспортную сеть.



1. Технология MPLS

1.1 Внедрение технологии MPLS

Перед транспортным уровнем NGN стоит задача объединения технологий, связанных с различными протоколами и интерфейсами таким образом, чтобы наиболее экономично удовлетворить потребности в скорости, пропускной способности и качестве обслуживания передаваемого трафика.

Сегодня наиболее развитыми технологиями являются технологии IP и ATM. В силу того, что эти технологии имеют много недостатков, они не подходят в качестве решения для транспортной сети. Так, протокол IP, прекрасно удовлетворяет первому требованию, а благодаря технологии VoIP (Voice over IP - IP телефония) и второму, но в протоколе IP не предусмотрено функций по обеспечению гарантированного качества обслуживания, соответственно, IP не может быть взят в качестве транспортной технологии сети NGN. В качестве транспортной технологии сети будущего подходит технология MPLS - многопротокольная коммутация на основе меток.

Данная технология удовлетворяет заявленным требованиям и не обладает недостатками технологий IP и ATM, кроме того, сам механизм коммутации по меткам в ней реализован весьма удачно. Качественное обслуживание разнотипного трафика в MPLS реализуется за счет использования механизмов Traffic Engineering. Применение Traffic Engineering позволяет организовать для передачи трафика различных приложений свой туннель LSP в соответствии с необходимым этому потоку уровнем QoS (Quality of Service - качество обслуживания).



1.2 Концепция технологии MPLS

MPLS стала основной внутризоновой технологией нового века. Она позволяет эффективнее передавать большие объемы трафика в внутризоновых сетях и рассматривается - как основа для конвергенции услуг и фундамент для построения мультисервисных сетей следующего поколения, в которых станет возможна передача разнородного трафика через интегрированную телекоммуникационную инфраструктуру вместо нескольких различных сетей. В сфере будущих телекоммуникаций MPLS уготована роль ведущей технологии. Она рассматривается в качестве фундамента для инфраструктуры сетей следующего поколения и предоставления новых услуг. Обладая целым рядом преимуществ, она была призвана дополнить «мир IP» достоинствами унаследованных инфраструктур Frame Relay, ATM и TDM (Time Division Multiplexing - мультиплексирование с разделением по времени), а также способствовать внедрению протокола IP как универсального транспорта для всех видов приложений. В случае применения MPLS в качестве базового механизма коммутации можно упростить развитие операторских сетей IP, объединить разные технологии доступа, повысить масштабируемость маршрутизации IP и сделать сети IP столь же пригодными для передачи голоса и видео, как сети ATM, где обеспечение качества и резервирование ресурсов для передачи разнородного трафика заложены на протокольном уровне. При том, что операторы достаточно взвешенно подходят к технологии MPLS, популярность ее растет. Многопротокольная коммутация информационных потоков в соответствии с метками (MPLS) рассматривается как перспективная, хотя и не единственная основа для конвергенции услуг и построения мультисервисных сетей следующего поколения (NGN), в которых станет возможна передача разнородного трафика через интегрированную телекоммуникационную инфраструктуру вместо нескольких различных сетей. Принятие MPLS в качестве унифицирующей, замещающей технологии должно привести к значительному упрощению сетевых инфраструктур и управления ими. Внедрение MPLS позволяет повысить уровень сервиса, предоставлять востребованные услуги на базе IP (с гарантированным уровнем качества) и услуги конвергентных сетей для корпоративных клиентов, включая создание виртуальных частных сетей (VPN - Virtual Private Network - виртуальная частная сеть) и передачу голоса поверх IP (VoIP). Инфраструктура MPLS VPN дает возможность соединять узлы по схеме «любой с любым» независимо от технологии доступа (Frame Relay, выделенная линия, DSL (Digital Subckriber Line - цифровая абонентская линия) или Ethernet), повышает производительность, масштабируемость IP и надежность маршрутизации в приложениях Triple Play (голос, данные, видео). С MPLS хорошо сочетается Ethernet -- благодаря такой комбинации открывается возможность экономичного предоставления целого комплекса услуг и внедрения широкополосных приложений в городских сетях и сетях доступа.

1.3 Основные термины и определения

Комитет IETF определил три основные элемента технологии MPLS:

- Метка

- FEC - класс эквивалентной пересылки

- LSP - коммутируемый по меткам тракт

Рассмотрим каждый из них подробно.

Метка - это идентификатор фиксированной длины, определяющий класс эквивалентной пересылки FEC. Метки имеют локальное значение, т.е. привязка метки к FEC используется только для пары маршрутизаторов.

Метка используется для пересылки пакетов от верхнего маршрутизатора к нижнему, где, являясь входящей, заменяется на исходящую метку, имеющую также локальное значение на следующем участке пути.

Рис. 1.1 Формат метки MPLS

Описание полей MPLS заголовка:

· Метка - метка по которой и осуществляется коммутация;

· CoS - поле описывающее класс обслуживания пакета (аналог IP precedence);

· TTL - time-to-live - аналог IP TTL;

· S - Одному пакету может быть назначено несколько меток («стек» меток). S - поле-флаг обозначающий то, что метка последняя в «стеке».

Стек меток.

Пакет, передаваемый по сети MPLS, как правило, содержит не одну, а несколько меток. Такой набор меток образует стек. Основное назначение стека меток - поддержание древовидности множества трактов LSP, заканчивающихся в одном входном LSR, а, кроме того, в том, чтобы использовать метки при создании так называемых LSP-туннелей. Свойство древовидности сводится к следующему: если в одном LSR сливается несколько потоков пакетов, то этот LSR не заменяет метки, связанные с этими потоками, а оставляет их, помещая сверху метку нового FEC, который соответствует объединенному потоку пакетов, образующемуся в результате слияния. Метки в стеке располагаются по принципу «последний пришел - первый вышел». Каждый маршрутизатор работает только с верхней меткой. Остальные метки стека передаются прозрачно до удаления вышестоящей.

Для переадресации пакета, поступающего на один из интерфейсов маршрутизатора, необходимо проведение двух процедур:

* Во-первых, необходимо определить следующий шаг маршрутизации.

* Во-вторых, нужно знать, какая операция требуется для стека меток.

Это может быть операция извлечения метки из стека, замены метки в стеке. После того, как из стека меток будет удалена последняя метка, дальнейшая обработка пакетов должна осуществляться на основе заголовка сетевого уровня.

Для создания таблиц коммутации по меткам используются разные методы:

* метод на основе топологии (для создания таблиц в этом случае используются стандартные протоколы маршрутизации, к таким протоколам относятся OSPF, IS-IS, BGP);

* метод на основе запросов (данный метод основан на работе управляющего протокола, на основе запросов, например, протокол RSVP);

* метод на основе трафика (в данном варианте создания меток процедура назначения и распределения меток запускается только после поступления пакета).

FEC - это форма представления группы пакетов с одинаковыми требованиями к передаче по сети. Как говорилось ранее, в заголовке IP-пакета содержится гораздо больше информации, чем требуется для выбора следующего маршрутизатора. Этот выбор можно организовать путем выполнения следующих двух групп функций в маршрутизаторе:

* маршрутизатор относит пакет к определенному классу FEC;

* ставит в соответствие каждому FEC следующий шаг маршрутизации.

В MPLS пакет ставится в соответствие определенному классу FEC только один раз на входе в сеть MPLS. Этому FEC присваивается метка, передаваемая затем вместе с пакетом при его пересылке к следующему маршрутизатору. В остальных маршрутизаторах заголовок пакета не анализируется. Определение FECs реализуется на основе требований к обслуживанию данной совокупности пакетов или просто адресного префикса.



1.4 Общие принципы технологии многопротокольной коммутации по меткам

Каждый пакет при использовании на сетевом уровне протокола, не предусматривающего создания виртуальных соединений, на своем пути следования передается независимо от одного маршрутизатора к другому. Соответственно, при определении маршрута следования пакета каждый маршрутизатор тратит свои ресурсы на анализ IP-заголовка. Возможность избежать этих затрат позволяет реализовать передачу пакетов по сети значительно быстрее. В качестве технологии, обеспечивающей ускоренную передачу пакетов по сети, применяется технология MPLS. MPLS (Multiprotocol Label Switching) - это технология многопротокольной коммутации на основе меток. Основной ценностью технологии MPLS является возможность организации в IP сети «виртуальных каналов», а также возможность переноса трафика одной сессии по нескольким «виртуальным каналам». «Multiprotocol» в названии технологии означает многопротокольный. Это говорит о том, что технология MPLS применима к любому протоколу сетевого уровня, т.е. MPLS - это своего рода инкапсулирующий протокол, способный транслировать информацию множества других протоколов высших уровней модели OSI (Open Sistems Interconnection). Технология MPLS остается независимой от протоколов уровней 2 и 3 в сетях IP, ATM и Frame Relay, а также, взаимодействует с существующими протоколами маршрутизации, такими как протокол резервирования ресурсов RSVP (Resource ReSerVation Protocol - протокол резервирования сетевых ресурсов) или сетевой протокол преимущественного выбора кратчайших маршрутов OSPF (Open Shortest Path First - протокол динамичной маршрутизаии ).



1.5 Принцип работы

Используя уже рассмотренные понятия, опишем функционирование сети MPLS. Любой IP-пакет на входе в сеть MPLS, независимо от того поступает этот пакет от отправителя или же он пришел из смежной сети, которая может быть MPLS-сетью более высокого уровня, относится к определенному классу эквивалентной пересылки FEC (Forwarding Equivalence Class). Напомню, что анализ заголовка IP-пакета и назначение FEC производится только один раз на входе в сеть.

Рис. 1.2 Сеть MPLS

FEC идентифицируется определенной меткой, представляющей собой поле фиксированной длины, и имеющей локальное значение на участке между двумя соседними маршрутизаторами. При переадресации пакета на следующем шаге, метка посылается вместе с ним, таким образом, пакеты оказываются помеченными еще до того, как будут переадресованы.

Принятая с пакетом метка используется маршрутизатором как указатель входа таблицы, которая определяет очередной маршрутизатор для пересылки к нему пакета, а также новую метку для FEC, к которому относится этот пакет. Модуль коммутации по меткам, как правило, заменяет содержащуюся в пакете метку, некоторой новой меткой перед ее пересылкой на следующий участок маршрута (label swapping). Для принятия решения о том, куда пересылать пакеты, используется алгоритм точного совпадения меток. Использование метки для переадресации пакетов в MPLS позволяет значительно снизить время обработки пакетов в маршрутизаторе. Маршрутизатор, поддерживающий MPLS и способный, кроме того, анализировать заголовки и производить пересылку пакетов, не содержащих меток, называется маршрутизатором коммутации по меткам. Технология MPLS предусматривает наличие маршрутизаторов двух типов:

· LER (Label Enge Routers) - пограничные маршрутизаторы MPLS;

· LSR (Label Switching Routers) - транзитные маршрутизаторы MPLS.

В точке входа в сеть MPLS стоят пограничные маршрутизаторы, на которые возлагаются функции классификации пакетов по различным классам FEC и реализация всевозможных дополнительных услуг. Входной LER добавляет метку всем пакетам, поступающим в сеть MPLS, а выходной LER удаляет метку и, либо осуществляет маршрутизацию на основе IP- адреса, либо сам является адресатом. Таким образом, чтобы переадресовывать пакеты, LSR должен уметь работать с IP-заголовком.

Задача транзитных маршрутизаторов MPLS заключается в продвижении пакетов на основе меток, т.е., маршрутизатор должен принять пакет со вставленной меткой, в соответствие со своей таблицей маршрутизации заменить ее новой и отправить пакет к следующему LSR.

Любой маршрутизатор MPLS содержит базу меток LIB, благодаря которой пакеты и маршруты связываются между собой. Для полученной метки в базе LIB содержится точная запись о соответствующей исходящей метке, интерфейсе и информации об инкапсуляции канального уровня, необходимой для продвижения пакета. Основываясь на информации, полученной из базы LIB, LSR заменяет полученную им входящую метку на исходящую и передает пакет на выходной интерфейс. Эта операция повторяется при прохождении каждого LSR маршрутизатора. Когда в LIB нескольких LSR накапливается информация, относящаяся к одному и тому же пункту назначения, создается так называемый «коммутируемый по меткам тракт», представляющий собой последовательность узлов меток в узлах на пути следования потока от отправителя к получателю. Тракт LSP между двумя маршрутизаторами является однонаправленным.

Для реализации маршрутизации в сети MPLS необходимо заполнить таблицы маршрутизации. Алгоритм маршрутизации работает по протоколу OSPF, IS-IS или BGP, либо при помощи явной маршрутизации (будет рассмотрена в параграфе Traffic Engineering). После выбора оптимального маршрута маршрутизаторы распределяют по нему метки. Метки в LSP раздаются с помощью протокола распределения меток LDP.

Высокоскоростная передача данных в MPLS обеспечивается за счет того, что метки фиксированной длины вставляются в начале пакета и могут использоваться аппаратными средствами для быстрой коммутации пакетов между каналами связи. При коммутации пакетов возможен случай, когда маршрутизатор получает пакет с входящей меткой, которой нет в его базе LIB. В таких ситуациях пакет отбрасывается. Также возможны случаи, когда пакет поступает на маршрутизатор, в котором по какой-либо причине не может быть установлена связь между входящей и исходящей метками. В сложившейся ситуации возможны два выхода. Во-первых, можно продолжить маршрутизацию пакетов традиционным способом. Но этот вариант решения подходит не всегда, так как может привести к образованию петель, да и содержания IP-заголовка не достаточно для переадресации пакета. В силу этих обстоятельств приоритетным является второй вариант - отбрасывание пакета.

Замена меток.

Для переадресации пакетов, содержащих метки, LSR анализирует верхнюю метку стека и на основе FEC этого пакета, а также LIB, принимает решение о дальнейшем пути следования пакета. Если пакет является непомеченным, то есть не содержит в себе стека меток, то маршрутизация пакета проводится на основе IP-заголовка, определяя, таким образом, класс эквивалентности пакета. Затем, маршрутизатор определяет путь следования пакета.

От маршрутизатора MPLS требуется, чтобы он мог связать набор входящих меток с одной исходящей. Данная процедура называется объединением меток. LSR способен объединять метки, если он при получении пакетов с разными входными метками пересылает их с одной и той же выходной меткой. При этом информация о том, что они пришли от разных интерфейсов теряется.

В архитектуре MPLS допускается наличие как объединяющих и не объединяющих маршрутизаторов, так и маршрутизаторов не поддерживающих коммутацию на основе меток.

1.6 Распределение меток

С технической точки зрения, распределение меток с целью заполнения таблиц LIB и установление LSP являются синонимами.

Архитектура MPLS поддерживает два варианта выбора маршрута:

* традиционная маршрутизация

* явная маршрутизация

При явной маршрутизации путь, по которому должен будет следовать трафик, задается отправителем. Явная маршрутизация дает возможность проводить политику маршрутизации и управление трафиком. Задача поиска путей при явной маршрутизации трафика возлагается на оконечные маршрутизаторы LER, а внутренние маршрутизаторы лишь передают им информацию о состоянии сети. На основе этой информации LER принимают решение о выборе пути. Каждый пограничный LER может работать по своей версии алгоритма явной маршрутизации.



1.7 Протокол распределения меток LDP

Путь LSP может быть создан при помощи различных протоколов рассылки меток, в этом технология MPLS не накладывает каких-либо ограничений. Протокол рассылки меток представляет собой набор процедур и сообщений, с помощью которых один LSR информирует другие о привязках «метка-FEC», которые он сформировал, а также о всевозможных согласованиях, использующихся для обмена информацией о возможностях LSR. Основным протоколом распределения меток в MPLS определён LDP.

Протокол LDP предназначен в первую очередь для дублирования деревьев маршрутизации и преобразования их в деревья маршрутизации на основе меток. Протоколы OSPF, BGP и IS-IS вычисляют и распространяют дерево выбора кратчайшего пути (SPF) до адресата от любого источника.

LDP копирует вычисленное дерево маршрутизации и для каждого канала в дереве выделяет метку. В точках дерева, где ветви сходятся, метки объединяются.

Маршрутные таблицы формируются на основе дерева кратчайших путей. Эти таблицы содержат упорядоченный набор адресов места назначения и информацию о ближайших соседях Протоколом LDP предусмотрено два режима обнаружения: базовый и расширенный. В первом случае обнаружение LSR осуществляется путем периодической отправки на порт UDP-646 по широковещательному IP-адресу 224.0.0.2. приветственных сообщений Hello. Передавая эти сообщения, маршрутизатор тем самым сообщает о том, что он готов к взаимодействию.

1.8 Туннели в MPLS

Применительно к MPLS мы будем говорить об LSP-туннелях, образуемых не путем инкапсуляции пакетов, а с помощью средств коммутации по меткам. LSP-туннель представляет собой последовательность < LSR1, LSR2, ... , LSRn>, в котором LSR1 является передающим конечным пунктом туннеля, а LSRn - приемным конечным пунктом туннеля. Пакеты, подлежащие транспортировке через LSP-туннель, относятся к одному FEC, и каждый LSR туннеля назначает метку для этого FEC, то есть метку для туннеля. Чтобы направить пакет в LSP-туннель, маршрутизатор передающего конечного пункта туннеля помещает метку, назначенную для этого туннеля, поверх существующего в пакете стека меток (заметим, что и в данном случае предпоследний маршрутизатор LSP-туннеля может уничтожить верхнюю метку в стеке до передачи пакета к приемному конечному пункту).

LSP-туннель создается внутри LSP. Существенно, что начало и/или конец туннеля, как правило, не совпадают с началом и/или концом этого LSP, туннель обычно бывает короче LSP, в котором он создан. В одном LSP может быть создано несколько LSP-туннелей одного уровня с несовпадающими передающими и/или приемными конечными пунктами.

1.9 Traffic Engineering

Под термином Traffic Engineering понимают методы и механизмы достижения сбалансированности загрузки всех ресурсов сети за счет рационального выбора пути прохождения трафика через сеть. Механизм управления трафиком предоставляет возможность устанавливать явныйпуть, по которому будут передаваться потоки данных. Привлекательность применения технологии MPLS при решении задач Traffic Engineering очевидна:

* явные пути коммутации на основе меток могут быть легко заданы сетевым администратором или с помощью стандартных протоколов;

* эффективно поддерживаются пути коммутации по меткам;

* каналы передачи данных могут быть смоделированы и поставлены в соответствие LSP;

* реализация MPLS дает сравнительно более низкую избыточность по сравнению с другими технологиями управления трафиком.

Маршруты, вычисляемые на основе алгоритмов управления трафиком, называются TE-туннелями. Эти туннели контролируются верхними маршрутизаторами. С целью избежания образования петель маршрутизаторы должны согласовывать использование TE-туннелей. Протокол RSVP-TE используется в качестве протокола сигнализации TE-туннеля. Применение RSVP-TE позволяет оптимизировать сеть под конкретные задачи путем создания туннелей RSVP-TE.



2. Технология DWDM

2.1 Концепция волоконно-оптических систем передачи с плотным волновым уплотнением (DWDM)

DWDM (Dense Wavelength Division Multiplexing, мультиплексированием с плотным спектральным разделением) позволяет по одному ОВ одновременно передавать несколько спектрально разнесенных оптических несущих, каждая из которых модулируется сигналом, сформированным соответствующим каналообразующим оборудованием. Возможность построения таких систем основывается на сравнительно слабой зависимости коэффициента затухания ОВ в пределах соответствующего окна прозрачности от длины волны оптической несущей. Поэтому, применяя метод разделения по длине волны, по одному ОВ можно организовывать несколько широкополосных оптических каналов, увеличив тем самым результирующую скорость передачи информации. Структурная схема ВОСП с плотным волновым уплотнением показана на рис 2.1:

Рис. 2.1 Структурная схема ВОСП с плотным волновым уплотнением

ОФМС - оборудование формирования многоканального сигнала, представляющего совокупность каналообразующего оборудования и оборудования сопряжения, предназначен для формирования несущего сигнала, параметры которого согласованы с оптическим передатчиком (ОПер) и оптическим приемником (ОПр);

УСО (или MUX - мультиплексор DWDM) - устройство волнового объединения, осуществляет ввод различных оптических несущих в одно оптическое волокно (ОВ);

УСР (или DMUX - демультиплексор DWDM) - устройство волнового разделения, где оптические несущие разделяются и поступают на оптические приемники.

На передающей станции имеется n систем передачи (однотипных или разнотипных), сигналы которых подаются на n оптических передатчиков, излучающих различные оптические несущие (длины волн) л₁, л₂, …, л_n-1, л_n. С помощью УСО осуществляется ввод различных несущих в ОВ. На приемной стороне в УРС оптические несущие разделяются и подаются на оптические приемники конкретного ОФМС (ОФМС закреплен за какой-то конкретной системой передачи). Таким образом, по одному ОВ организуется n разделенных по длине волны оптических каналов. Для объединения и разделения несущих используются мультиплексоры и демультиплексоры, работа которых основана на таком физическом явлении, как дисперсия. Разделение по длине волны происходит в соотвествии с Таблицей 1. Пример номинальных значений центральных длин волн для системы DWDM, которая приведена в рекомендации ITU-T G.694.1

2.2 Преимущества и недостатки технологии DWDM

Главное преимущество технологии DWDM заключается в том, что она позволяет преодолеть ограничения на пропускную способность канала и существенно увеличить скорость передачи данных на расстоянии до 500км. Использование технологии плотного волнового мультиплексирования позволяет использовать уже проложенный волоконно-оптический кабель. Благодаря DWDM удается организовать двустороннюю многоканальную передачу трафика по одному волокну (в обычных линиях используется пара волокон - для передачи в прямом и обратном направлениях).

Распространению DWDM способствуют последние технологические достижения: создание узкополосных полупроводниковых лазеров, имеющих ширину спектра излучения менее 0,1 нм, широкополосных оптических усилителей и оптических фильтров для разделения близких каналов.

Технология DWDM является универсальным решением проблемы увеличения пропускной способности. Между тем ее применение тормозится рядом факторов как экономического, так и чисто технического характера.

Если говорить об экономической стороне, то внедрение DWDM в местных сетях сдерживается высокой стоимостью соответствующей аппаратуры, особенно передающих устройств, и сложностью коммутации трафика.

Фактор высокой стоимости аппаратуры оказывается еще более существенным для реализации технологии DWDM. При использовании близких частот требуются узкополосные полупроводниковые лазеры с высокой стабильностью длины волны генерируемого излучения, которые являются наиболее дорогим элементом DWDM-систем, сдерживающим распространение последних.

Среди технических проблем следует упомянуть значительные потери мощности сигналов в мультиплексорах / демультиплексорах, несовпадение, во многих случаях, рабочих длин волн WDM-оборудования и устройств временного мультиплексирования, необходимость повышения производительности узлов коммутации, усложнение управления сетью из-за различий в технологиях передачи данных по мультиплексируемым каналам, отсутствие промышленных стандартов. Наконец, не последнее место в этом перечне занимают нелинейные явления, которые при одновременной передаче на нескольких несущих способны приводить не только к ослаблению и искажению сигнала, но и к его проникновению в другие каналы.



3. Проект строительства транспортной сети в Кемеровской области

Год от года в России наблюдается увеличение числа пользователей телекоммуникационных услуг в прогрессивной последовательности. В связи со сложившейся ситуацией оборудование передачи данных должно соответствовать возросшим потребностям населения. Телекоммуникационной отрасли необходима адаптация под обработку «больших данных» для лучшего понимания и снижения времени реакции на потребности клиентов. Рынок инфокоммуникационных услуг динамично «двигается вверх» по шкале спроса на услуги сетей связи. Для этого необходимо внедрять и использовать уже сейчас оборудование, ориентированное на будущий прирост запросов пользователей.

Показатель Кемеровской области по численности населения находится на 16 позиции среди всех административных субъектов России, составляя по данным переписи 2010 года 2 763 481 человек. Кемеровскую область можно отнести к достаточно урбанизированным административным единицам страны. Несмотря на число городов области, их всего 20 против 23 поселков городского типа, процентное соотношение населения, проживающего в городах, представлено 91.7%.

3.1 Расчет (оценка) пропускной способности транспортной сети Кемерово-Новокузнецк

Количество каналов, которые соединяют терминальные точки, в принципе зависят от количества населения в этих точках и от уровня заинтересованности личностей в коммуникациях.

Населенные пункты (объекты) трассы ВОЛС, численность населения приведена согласно переписи 2010 года:

г. Кемерово - численность населения 532900 жителей;

г. Новокузнецк - численность населения 563860 жителей.

Характеристика региона по следующим критериям (приводится описание выбранных городов и оценка видов и объема передаваемой информации):

- административное значение региона и его промышленное развитие;

- оценка потребностей в услугах связи по следующим видам;

- телефония;

- количество стационарных телефонов К_ст.

Расчёт количества населения в проекте не производится, поскольку, прироста населения нет, и при проектировании мультисервисной сети по новым технологиям выбрана реальная, имеющаяся на сегодняшний день, численность населения согласно последней переписи 2010 года.

Перепишем данные по количеству населения:

численность населения г. Кемерово H_t = 532900 человек;

численность населения г. Новокузнецк H_t = 563860 человек.

Расчет количества необходимых телефонных каналов междугородной связи произведем по приближенной формуле [Л.11]:

(3.1)

где и - постоянные коэффициенты, соответствующие фиксированной доступности и заданным потерям, = 1,3; = 5,6 (потери задаются, равными 5%)

Степень заинтересованности отдельных групп населения во взаимосвязи зависит от политических, экономических, культурных и социально-бытовых отношений между группами населения, районами и областями. Практически эти взаимосвязи выражаются через коэффициент тяготения равный 10%.

- коэффициент тяготения, = 10%

- удельная нагрузка,= 0,1Эрл

и - количество абонентов, обслуживаемых автоматическими междугородными телефонными станциями (АМТС).

Определим максимальное количество абонентов в зоне АМТС, которое будет создавать загрузку рассматриваемой линии:,

тогда:

для г. Кемерово чел.;

для г. Новокузнецк чел.

По формуле (3.1) получаем количество телефонных каналов между пунктами:

г. Кемерово - г. Новокузнецк

кан.;

Скорость передачи одного телефонного канала составляет 64 Кб/с, итого скорость всех телефонных каналов (V_тф) составит:

Кбит/с.

- услуги мобильной связи К_моб (количество абонентов мобильной связи);

Все большее количество абонентов отдаёт предпочтение мобильной связи. По данным статистики сотовых операторов граждан, действительно пользующихся услугами мобильной связи сегодня в России 95% населения страны. Естественно, в мелких населённых пунктах этот показатель ниже 65-70%, в крупных городах, региональных центрах может быть выше - 85%, в Москве и С. Петербурге - до 100%. Для наших расчётов мы возьмём средний показатель по стране в 80%.

Отсюда примерное количество мобильных абонентов (действующих аппаратов):

в г. Кемерово составляет: чел.;

в г. Новокузнецк составляет: чел.

Расчет количества необходимых каналов (СЛ) мобильной связи произведем по приближенным формулам (3.2, 3.3):

Рассчитаем суммарную нагрузку создаваемую абонентами:

(Эрл) (3.2)

где удельная нагрузка, создаваемая одним абонентом, (Эрл);

где N- кол-во абонентов для городов Кемерово и Новокузнецк.

(Эрл)

Зная нагрузку и допустимую величину потерь (2 - 5 %) (для расчета берем 5%), по таблицам Эрланга находим требуемое число СЛ (соединительных линий с предельной нагрузкой=0,8).

(СЛ)

Количество потоков Е1 в г. Кемерово, г. Новокузнецк:

(3.3)

где 30 - кол-во информационных ВИ, используемых в тракте Е1

Итого, количество каналов Е1 выделенных для мобильных абонентон будет 549, со скоростью 2 Мбит/с.

Скорость передачи каналов мобильной телефонной связи (V_моб.) будет:

Кбит/с

- передача данных Internet:

- скорость канала передачи данных между городами примем V_пд = 1 Гбит/сек;

- цифровое ТВ вещание:

- количество цифровых ТВ каналов N_тв = 18 (6 бесплатных и 12 коммерческих каналов);

- скорость передачи 1 ТВ канала (MPEG-2) V_тв = 8 Мбит/сек;

Итого скорость передачи всех 18 каналов цифрового телевидения составит:

Мбит/с.

- потребности в организации локальных сетей:

Выберем тип сети Ethernet, скорость обмена V_лвс = 100 Мбит/сек.

Расчет суммарного объема трафика ЛС производится на основе оценки суммарной скорости передачи для удовлетворения всех потребностей в услугах связи.

Суммарная скорость передачи по линии определяется по выражению:

V_сумм= V_тф + V_{моб.инт.} + V_моб. + V_пд +V_тв+V_лвс, Мбит/сек. (3.4)

Получаем:

V_сумм= 68736 + 1124352 + 1000000 + 147456 + 100000 = 2440544 Кбит/сек = 2441 Мбит/сек. = 2,4 Гбит/сек.

Количество потоков Е1 выделяемых на телефонию:

Е1_ТЛФ=68736/2048=34

Увеличим количество выделяемых потоков Е1 на телефонию на 1, для компенсации телефонных пиковых нагрузок.

Итого: Е1_ТЛФ=34+1 = 35

Увеличим количество выделяемых потоков Е1 на мобильную связь на 1, для компенсации телефонных пиковых нагрузок.

Итого: Е1_моб=549+1 = 550

Общее количество передаваемых потоков Е1 по проектируемой транспортной сети Кемеровской области составит:

N_Е1=35+550 = 585.

Представим полученные вычисления в виде таблицы.

Таблица 3.1.

№п/п	Предоставляемые услуги	Скорость, Кбит/с	Количество потоков Е1
1	Телефония	68736	35
2	Мобильная связь и мобильный интернет	1126400	550
3	Услуги Internet	1000000	-
4	Цифровое телевидение	147456	-
5	Локально-вычислительные сети	100000	-

3.1.1 Рентабельность строительства

С каждым годом количество абонентов мобильной связи, интернета, сети передачи данных и цифрового телевидения растёт.

По подсчетам Минкомсвязи РФ число пользователей интернета в среднем по России в 2012 году выросло на 5.4%, что составило 70 млн. человек против общей численности населения 211.5 млн.

Программа «Развитие телерадиовещания в Российской Федерации» (2007-2015 годы), которая сейчас готовится на государственном уровне, подразумевает, что к 2015 аналоговое вещание будет завершено.

Цифровой станет вся общенациональная система эфирного вещания. Аналитики полагают, что к 2016 году, после перехода России на цифровое вещание, платным телевидением будут пользоваться уже около 63% населения.

2013 год знаменует собой важную веху в непрерывном поиске универсальной сети связи. Учитывая линейную зависимость между развитием отрасли и возможностями связи, очень важно уделить особое внимание распространению доступных, высококачественных решений широкополосного доступа для всей социально-экономической области. Именно исходя из приведенных данных и прогнозов на будущее строительство транспортной сети в Кемеровской области оправданно и рентабельно.



3.2 Выбор оборудования

Ёмкость кабеля и система передачи выбираются в зависимости от необходимого числа телефонных каналов и каналов телевидения при использовании серийно выпускаемой аппаратуры для их уплотнения.

Тип кабеля и система передачи выбираются так, чтобы при соблюдении необходимых качественных показателей проектируемая линия была наиболее экономичной как по капитальным затратам, так и по эксплуатационным расходам.

3.2.1 Оборудование узлов связи

Учитывая существующую и будущую потребность населения в высокоскоростном доступе передачи информации: речь, видео, данные, расчет, произведённый выше, а также учитывая пожелания заказчика для проекта строительства пакетной сети связи в Кемеровской области, выберем современное оборудование компании Huawei Technologies Co. Ltd. на платформе Optix PTN.

Для организации узлов доступа выберем Optix PTN 1900. Узлы агрегации рациональней строить на Optix PTN 3900.

3.2.1.1 Huawei Optix PTN 1900

Пакетные транспортные платформы OptiX PTN 1900 ориентированы на эволюционный переход к стратегии all-IP и предоставляющие решение для транспорта трафика оператора мобильной связи с будущим переходом к конвергентной сети, обслуживающей как абонентов мобильной, так и фиксированной связи (fixed mobile convergence, FMC):

· Полностью пакетная архитектура, разработанная с учетом требований будущего перехода к all-IP, отвечающая требованиям новых IP сервисов;

· Поддержка универсальной технологии PWE3, ориентированной на доступ с использованием широкого спектра протоколов и интерфейсов и обеспечивающая качество транспорта, сравнимое с традиционными сервисами TDM/ATM/Ethernet;

· Функции оборудования операторского класса: механизмы частотной и фазовой пакетной синхронизации; полное end-to-end планирование услуг как в сетях SDH, OAM, механизмы обеспечения защиты и отказоустойчивой работы, иерархическая система обеспечения качества обслуживания (Hierarchical QoS, H-QoS).

Особенности PTN 1900:

· Архитектура all-IP, рассчитанная на дальнейшую эволюцию транспортных сетей обеспечивает защиту инвестиций

Устройство OptiX PTN 1900 имеет полностью пакетную архитектуру для передачи и мультиплексирования различных сервисов (в первую очередь пакетных сервисов). Эта платформа увеличивает гибкость сети, сервисной модели, повышает эффективность транспортного ресурса и структурно понижает общую стоимость владения (TCO). Пакетная технология, ориентированная на соединения помимо прочего решает проблемы обеспечения качества обслуживания при расширении сервисов, позволяя, таким образом, построить надежную опорную сеть для оператора мобильной связи.

· Лучшие решения в индустрии по обеспечению синхронизации

Устройство OptiX PTN 1900 поддерживает традиционный механизм передачи синхронизации через TDM, а так же другие многочисленные современные технологии передачи синхронизации, такие как синхронный Ethernet (synchronous Ethernet, Sync-E), передачу синхронизации через пакеты (timing over packet, TOP) и IEEE 1588v2. Эти технологии позволяют решить задачу передачи синхронизации в любой топологии при использовании любого типа интерфейсов.

· Поддержка широкого спектра интерфейсов, мощный универсальный функционал PWE3(Pseudo Wire Emulation Edge-to-Edge- сквозная эмуляции псевдо-провода), обеспечивающий гибкое планирование сервисов

Устройство OptiX PTN 1900 поддерживает традиционные интерфейсы для оказания услуг, такие как E1 (ML-PPP/TDM), IP поверх E1, TDM STM-1, ATM STM-1, POS STM-1/STM-4, и Ethernet интерфейсы, такие как FastEthernet (FE) и GigabitEthernet (GE). Оборудование OptiX PTN 1900 идеально обеспечивает поддержку традиционных сервисов, используя технологию PWE3 для эмулирования классического транспорта TDM/ATM/Ethernet.

· Полный набор функций обеспечения качества обслуживания (QoS) для обеспечения транспорта сервисов высокого качества

Устройство OptiX PTN 1900 поддерживает функции QoS-TE со стороны сетевых интерфейсов и иерархическое качество обслуживания (H-QoS) со стороны клиентского интерфейса, позволяющее гарантировать определенный уровень качества обслуживания для каждого сервиса, пользователя, группы пользователей и физического интерфейса. Таким образом, OptiX PTN 1900 позволяет универсально распределять и контролировать ресурсы сети и увеличивать эффективность использования доступной пропускной способности.

· Механизмы защиты и быстрого переключения

Благодаря аппаратной реализации функций OAM, OptiX PTN 1900 поддерживает большое количество OAM сессий, групп защиты сервисов и обеспечивает время end-to-end восстановления в пределах 50мс. Таким образом, OptiX PTN 1900 является платформой операторского класса.

· Универсальная полнофункциональная система управления (NMS), обеспечивающая полноценное управление сервисами, расширяя традиционные возможности по управлению пакетными сетями

Универсальная и полнофункциональная система управления T2000 включает в себя мощные функции по управлению всем спектром оборудования транспортной сети. Использование платформы NMS T2000 значительно снижает издержки на обслуживание сети.

Рис. 3.1. Optix Huawei PTN 1900

Таблица 3.2.

Параметр оборудования	Значение
Размеры шасси (мм)	436 (Ш) x 295 (Г) x 220 (В)
Рабочее напряжение (В)	-38.4 В DC до -57.6 В DC (с блоком питания -48 В DC) -48.0 В DC до -72.0 В DC (с блоком питания -60 В DC)
Энергопотребление типовой конфигурации	190 Вт
Максимальный ток	20 А
Производительность коммутации	10 Гбит/сек
Максимальное количество поддерживаемых портов	64 E1 (IMA/TDM/ML-PPP) 8 GE 48 ATM STM-1 10 POS STM-1/STM-4 60 FE
Поддержка интерфейсов Ethernet	FE GE

3.2.1.2 Huawei Optix PTN 3900

Особенности пакетной транспортной платформы Optix PTN 3900 аналогичны Optix PTN 1900. PTN 3900 устанавливаются в узлах агрегации для мультиплексирования трафика, поступающего с узлов доступа.

Благодаря встроенным интерфейсам CWDM, PTN 3900 позволяет масштабировать ёмкость интерфейсов от одной лямбды до восьми лямбд. Таким образом, сеть получает большую и более гибкую масштабируемость.

Рис. 3.2. Optix Huawei PTN 3900

Таблица 3.3. Характеристика оборудования PTN 3900.

Параметр оборудования	Значение
Размеры шасси (мм)	436 (Ш) x 295 (Г) x 800 (В)
Рабочее напряжение (В)	-38.4 В DC до -57.6 В DC (с блоком питания -48 В DC) -48.0 В DC до -72.0 В DC (с блоком питания -60 В DC)
Энергопотребление типовой конфигурации	900 Вт
Максимальный ток	90 А
Производительность коммутации	320 Гбит/сек
Максимальное количество поддерживаемых портов	504 E1 (IMA/TDM/ML-PPP) 144 ATM STM-1 32 POS STM-1/STM-4 188 FE 160 GE 16 10GE
Поддержка интерфейсов Ethernet	FE GE 10GE

Выбранное оборудования одной из самых крупных компаний на рынке телекоммуникационных продуктов и решений полностью удовлетворяет всем данным и необходимым параметрам строительства транспортной сети в Кемеровской области. Являясь в своём роде эталоном качества и надежности связи, линейка оборудования Optix Huawei PTN полностью соответствует возложенным на неё задачам.

3.2.2 Оборудование для организации магистрального участка Кемерово-Новокузнецк

Объединение узлов агрегации городов Кемерово и Новокузнецк происходит по магистральному ВОК по технологии DWDM, Для организации передачи данных по магистральному участку Кемерово - Новокузнецк выберем оборудование Optix OSN 6800/3800 компании Huawei Technologies Co. Ltd. Выбор оборудования сделан с учетом пожеланий заказчика, а также то, что существующая и проектируемая внутризоновая сеть построена на оборудовании фирмы и Huawei, и нам не потребуется установка новой система контроля и управления.

3.2.2.1 Huawei Optix OSN 6800

Optix OSN 6800 - это интеллектуальная мультисервисная платформа WDM на базе OTN(optical transport network), которая позволяет сетевым операторам перейти от традиционных, ориентированных на передачу речи, сетей к сетям ориентированным на передачу данных. Она разработана для сетевых операторов, которым нужна гибкая, рентабельная система, позволяющую мультиплексировать, передавать и коммутировать высокоскоростные данные, видео, речь.

Рис. 3.3. Optix Huawei OSN 6800

OSN6800 предоставляет 40-каналов DWDM (готов к передаче 80 каналов) и 18-канальную CWDM с расстоянием передачи до 1500 км без электрической регенерации. Протяженность большинства колец городских сетей - 200 ~ 300 км.

OSN 6800 C/DWDM/ROADM располагается на уровне городской сети и регионального ядра сети, реализуя интеграцию мультисервисов и эффективную передачу.

Благодаря динамичному оптическому уровню, OptiX OSN 6800 поддерживает кросс-коммутацию спектральных каналов во многих направлениях и быструю передачу услуг по оптическим каналам, сокращая расходы на O-E-O преобразование.

OptiX OSN 6800 поддерживает мультиплексирование ввода/вывода (ADM) или множественное мультиплексирование ввода/вывода (MADM), что позволяет создавать сквозные спектральные каналы, организовывать мониторинг, диагностику аварий, защиту каналов и контроль за трафиком.

3.2.2.2 Huawei Optix OSN 3800

OptiX OSN 3800 - это компактное оборудование DWDM высотой 3U. OSN 3800 осуществляет регенерацию сигналов на длинном участке ВОЛС (протяженностью более 80 км.).

Благодаря динамичному оптическому уровню, OptiX OSN 3800 поддерживает кросс-коммутацию спектральных каналов во многих направлениях и быструю передачу услуг по оптическим каналам, сокращая расходы на O-E-O преобразование.

Рис. 3.4. Optix Huawei OSN 3800

3.3 Оборудование для монтажа и коммутации

Выбранное раннее оборудование для передачи данных устанавливаем в телекоммуникационные стойки 19” - мультисервисные платформы Optix Huawei PTN 1900 и OSN 3800, а также в телекоммуникационные шкафы ETSI - Optix Huawei PTN 3900 и Huawei Optix OSN 6800 (Приложение №1 «Размещение оборудования Optix Huawei PTN 1900 в телекоммуникационной стойке» и Приложение №2 «Размещение оборудования Optix Huawei PTN 3900 в телекоммуникационном шкафу»).

Для задействуемых в проекте потоков оборудования необходимо также установить в стойку линейный оптический кросс и цифровой кросс (для расшивки потоков E1). Трибутарные части мультиплексоров PTN 1900 (32 потока Е1) и PTN 3900 (126 потоков Е1) расшиваются на цифровой кросс полностью.

Крепление устанавливаемого оборудования выполняется штатными элементами и стандартными креплениями.

Оборудование транспортной сети Optix Huawei PTN 1900/3900 и Optix Huawei OSN 6800/3800 представляют собой автономные объекты связи, не требующие постоянного пребывания персонала.

Пример плана расположения оборудования представлен на рисунке 3.5.



Рис. 3.5. План расположения оборудования



4. Разработка схем транспортной сети в Кемеровской области

4.1 Структурная схема

волоконный оптический связь коммутация

В рамках данной работы по строительству транспортной сети в Кемеровской области предусмотрена организация 32 узлов доступа, построенных на базе оборудования Optix Huawei PTN 1900 (в городе Кемерово - 19, в городе Новокузнецк - 13), а также организация 5 узлов агрегации, оснащенные мультисервисными платформами Optix Huawei PTN 3900.

Исходя из надежности и рациональности типов соединений, используем для коннекта кольцевую топологию для межзоновых участков сети. Повреждения линий и отказы аппаратуры в таких сетях могут быть заблокированы и обойдены без существенных потерь для информационных сигналов. Также одно из основных преимуществ этой топологии - лёгкость организации защиты типа 1+1, благодаря наличию в синхронных мультиплексорах двух пар оптических каналов приёма/передачи, дающих возможность формирования двойного кольца со встречными потоками.

4.2 Cхема организации связи сети пакетной коммутации

Коммутация оборудования Optix Huawei PTN 1900 по кольцу происходит по интерфейсам 1GE. Три узла агрегации в городе Кемерово и два в г. Новокузнецк объединены в кольца по интерфейсу 10GE.

Контроллеры радиосети RNC (Radio Network Controller), как управляющие элементы в сети UMTS (Universial Mobile Telecommunications System), осуществляющие функции управления радио ресурсами (подключением базовых станций), соединяются с мультисервисными транспортными платформами Optix Huawei PTN 3900 (№ 1 и №2) на площадках УА «№1» и УА «№3» в городах Кемерово и Новокузнецк соответственно по двойным линкам 1GE. Контроллеры базовых станций BSC (Base Station Controller), обеспечивающие управление функционированием базовых станций, соединены с указанными выше PTN 3900 по двойным линкам STM-1.

Для организации соединительных линий между узлами транспортной сети используются проектируемые линейные сооружения - волоконно-оптические кабели.

Расшивка потоков Е1 от проектируемых OptiX PTN 1900 и OptiX PTN 3900 осуществляется табельными кабелями на цифровой кросс DDF, расположенный в 19 стойке или шкафу ETSI, с оборудованием PTN 1900.

Номера задействуемых гнезд ODF определяются службой эксплуатации при монтаже оборудования, в проекте не отражаются.

В приложении №9 показана схема организации связи магистральной сети между городами Кемерово и Новокузнецк. Проектируемое оборудование DWDM (Optix Huawei OSN 6800) будет размещено на узле УА «№1» в городе Новокузнецке и на узле УА «№3» в городе Кемерово. Optix Huawei OSN 6800 соединяются мультисервисными транспортными платформами Optix Huawei PTN 3900 (№ 1 и №2) по интерфейсу 10GE.