Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

Введение

1. Обоснование актуальности выбранной темы

2. Постановка задачи

I. Обзорно-аналитическая часть

1. Информационное обследование региона

1.1 Анализ основных потоков данных пользовательских данных

1.2 Анализ информационной связности объектов региона

1.3 Выводы

2. Обзор существующих технологий передачи данных

2.1 Подходы к проектированию высоконагруженных технологических сетей передачи данных, используемых в территориально-распределённых сетях

2.2 Основные параметры DWDM-систем

2.2.1 Технологические принципы работы DWDM

2.2.2 Применяемое оборудование в системах DWDM

2.2.3 Анализ и оценка представленных DWDM решений по организацию связи для центров обработки данных

2.3 Технологические способы представления физической топологии

2.4 Выводы

3. Анализ вариантов проектирования межсетевого взаимодействия центров обработки данных

3.1 Основные подходы в организации сетевого уровня передачи данных центров обработки данных

3.2 Анализ рынка магистрального сетевого оборудования

3.3 Варианты проектирования внутрисетевых связей между объектами

3.4 Анализ методов организации основных сетевых сервисов центров обработки данных

3.5 Выводы

II. Конструкторско-технологическая часть

1. Реализация логической структуры сети центров обработки данных

1.1 Функциональная схема работы сети

1.2 Логическая связность центров обработки данных и узлов связи

1.3 Выводы

2. Реализация физической сети передачи данных

2.1 Обоснование выбора магистрального оборудования сети передачи данных

2.2 Используемые в проекте компоненты DWDM систем: их характеристики и особенности работы

2.3 Топология оптической сети передачи данных

2.4 Выводы

3. Расчеты параметров сети связи центров обработки данных

3.1 Расчет затухания на участках сети

3.2 Расчет дисперсии на участках сети

3.3 Расчет показателей надёжности

3.4 Расчет задержек по сети

3.5 Выводы

4. Порядок и способы предоставления услуг в ЦОД и на узлах связи

4.1 Конфигурационные решения сетевого взаимодействия

4.2 Методы балансировки нагрузки

4.3 Схемы и способы реализации типовых клиентских услуг в ЦОД и на узлах связи

4.4 Реализация межсетевого взаимодействия с внешними сетями передачи данных

4.5 Выводы

5. Оценка эффективности проектных решений

5.1 Определение основных показателей эффективности сети

5.2 Методики измерения и оценки показателей эффективности

5.3 Результат оценки эффективности сети передачи данных

5.4 Выводы

6. Охрана труда и экология

6.1 Изучение влияния шумов как вредоносного фактора

6.2 Методики измерения и оценки вредного фактора

6.3 Санитарные нормы и методы защиты от шумового загрязнения

Заключение

Список использованной литературы



Введение

1. Обоснование актуальности выбранной темы

В современном мире ценность связи нельзя недооценивать, скорее крайне сложно переоценить насколько важно современному человеку иметь доступ к инфосистемам, интерактивным ресурсам, медиа контенту, услугам, предоставляемым в электронном виде. Тенденции перевода сферы услуг, документооборота, в электронный вид, коснулись не только частных предпринимателей, но и государственные органы власти. Постановлением правительства РФ №1815 от 20 октября 2010 года Распоряжение Правительства РФ от 20.10.2010 N 1815-р (ред. от 26.12.2013) "О государственной программе Российской Федерации "Информационное общество (2011 - 2020 годы)"была разработана федеральная целевая программа «Электронная Россия», которая определила дальнейшую необходимость использования информационных и телекоммуникационных технологий для повышения качества предоставления населению правительственных услуг.

С момента начала реализации данной программы прошло пять лет, регионы страны получили доступ к большому количеству услуг и сервисов, бизнес получил возможность не заниматься бумагами, а заниматься собственно бизнесом. При этом схемы реализации электронных услуг в разных регионах строились чаще на существующей информационной инфраструктуре этого региона, например, на существующих волоконно-оптических линиях связи.

21 марта 2014 года произошло важное историческое событие в жизни нашей страны. Был подписан указ об образовании Крымского Федерального Указ Президента Российской Федерации от 21 марта 2014 г. N 168 г. Москва "Об образовании Крымского федерального округа" округа, в состав которого включаются Республика Крым и город Федерального значения Севастополь. Даже при самом беглом взгляде на показатели данного Федерального округа ясно, что социально-экономическое положение региона в сравнении остальной части России носит отстающий характер. Данное утверждение касается не только, например, средней заработной платы в регионе, но и состояния сетей передачи данных, доступности телекоммуникационных услуг. Эта ситуация была подробно рассмотрена Правительством РФ в Федеральной Целевой Программе «Социально-экономическое развитие Республики Крым и г. Севастополя до 2020 года». Постановление Правительства РФ от 11.08.2014 N 790 (ред. от 27.12.2014) "Об утверждении федеральной целевой программы "Социально-экономическое развитие Республики Крым и г. Севастополя до 2020 года"

С появлением нового региона в составе государства, остро встала проблема несоответствия его уровня информационной связности с остальными регионами Российской Федерации тем стандартам, которые определены в области коммуникаций в современном мире. Премьер-министр России Д.А. Медведев отметил Газета "Коммерсантъ" №49 от 25.03.2014, стр. 9 тот факт, что данные пользователей проходят по территории чужого государства прежде чем попасть на территорию РФ, что недопустимо при передаче правительственных и конфиденциальных сведений.

23 декабря 2014 года Минсвязи и администрация республики Крым подписали соглашение об использовании электронного правительства http://minsvyaz.ru/ru/events/32307/ Официальное заявление Министерства связи и массовых коммуникаций Российской Федерации. В рамках данного соглашения, Минком связь РФ безвозмездно предоставит доступ к оборудованию и инфраструктуре, которые обеспечивают связь с федеральным сегментом. В апреле 2014 года было закончено строительство Газета «Взгляд. Деловая Газета» 14 апреля 2014, 12:01 http://vz.ru/news/2014/4/14/681901.html кабеля между Южным регионом РФ и Крымским Федеральным Округом, что должно было положительно повлиять на уровень информатизации населения и доступности телекоммуникационных услуг для частных лиц и предприятий (включая государственный сектор).

Однако, изменения ситуации в положительную сторону за полгода не произошло из-за отсутствия возможности передать услуги от крупного оператора, такого как Ростелеком, в города и населённые пункты. В регионе присутствует большое количество локальных предприятий, предоставляющих услуги широкополосного доступа, а также фиксированной связи населению, но у таких предприятий нет физической возможности передать данные пользователей в РФ по прямым каналам связи. Произошло это по той причине, что многие подобные компании использовали услуги организации Укртелеком, которая более не может предоставлять доступ на территории региона Газета.РУ. «Крым отключили от Украины» 10.02.2015, 20:05 http://www.gazeta.ru/business/2015/02/10/6407217.shtml .

В связи с вышеуказанным, возникла необходимость создания территориально распределённой сети, включающей в себя узлы связи в городах, центры обработки данных в наиболее развитых частях полуострова, а также узлы обмена трафиком с российскими и европейскими представителями отрасли связи. Именно такая сеть сможет обеспечить потребности населения региона в доступе к информационным сервисам, существующие компании в пространстве и инфраструктуре хранения своих программных, аппаратных платформ, данных и облачных сервисов, телекоммуникационные компании в области связности с Россией без дополнительных технологических и экономических затрат, а правительственные учреждения в безопасных, надёжных и резервируемых каналах передачи данных.

Крымский Федеральный Округ, как новый российский курорт, ставит также актуальные задачи по организации доступа к сети в туристический сезон, поскольку очевидно, что поток отдыхающих будет увеличиваться от года к году вследствие географического местоположения, что ведёт к необходимости обеспечения население качественной и высокоскоростной связью.

В современных условиях сложно найти регион, где действительно можно было бы применить полученные знания в области телекоммуникаций и построению сетей передачи данных, а также центров обработки данных, чем Крым.

2. Постановка задачи

Подготовка проектного решения подразумевает анализ и отбор среди существующих технологий и принципов оптимальных для внедрения в конкретном заданном случае, а также обоснование подобного выбора и его реализацию. На этапе проектирования необходимо разделить задачу по уровням.

Первый уровень предполагает проектирование физической топологии и выбор места установки. В рамках этого уровня необходимо проанализировать существующие способы создания региональных территориально-распределённых сетей передачи данных. На этом этапе важно провести инфологическое проектирование системы и понять где наиболее выгодно установить центры обработки данных и почему, как ведёт себя пользовательский трафик в текущих условиях и каким он должен быть. Важно провести анализ и оценку того как оптимально охватить сетью регион целиком, оставляя возможности для развития роста и масштабирования.

Результатом работы в данном направлении будет выбор способа организации физической топологии, основополагающей технологии на которой строится сеть передачи данных, объединяющая датацентры и города.

Второй уровень предполагает проектирование сетевого уровня, то есть работу непосредственно с телекоммуникационным оборудованием сети. Необходимо синтезировать современные модели построения центров обработки данных и сетей передачи данных для создания проектного решения. На данном этапе проводится также и анализ коммутационного и маршрутизирующего оборудования, которое будет использоваться для организации доступа к сети.

В качестве результата работы над этим уровнем будет определённый модельный ряд оборудования, а также порядок осуществления соединения оборудования между собой, определение логических связей между созданными объектами.

Третий уровень наиболее интересен с практической точки зрения. Он предполагает проектирование порядка взаимодействия узлов связи и центров обработки данных между собой. Сюда включается разработка общей концепции маршрутизации и коммутации трафика, способы резервирования и балансировки нагрузки по узлам сети и датацентрам, варианты обеспечения отказоустойчивости на уровне сети. Необходимо также определить и описать базовый набор сервисов, которые должна предоставлять сеть, различным категориям пользователей, включая предприятия, частных клиентов и операторов связи. Взаимодействие с внешними сетями передачи данных также относится к проектированию третьего уровня сети.

В обзорно-аналитической части проекта необходимо представить текущие известные решения по трём уровням, провести их анализ, разбор, выделить положительные и отрицательные моменты. Систематизировать основные подходы к выполнению подобных решений, используя современные научные исследования и актуальную элементную базу для создания сети передачи данных. В конце данной части привести требования к конструкторско-технологическому разделу, описать какими техническими характеристиками должна обладать конкретная техническая реализация проекта.

В практической части необходимо представить и обосновать решения на каждом из трёх уровней, провести расчеты основных параметров, влияющих на работу сети, а также параметров надёжности и отказоустойчивости системы в целом, и её компонент в частности.

В рамках задачи на дипломное проектирование также требуется представить схемы и способы реализации сети ЦОД в Крымском Федеральном Округе, а также провести оценку того, насколько эффективно это решение с точки зрения других вариантов и основных характеристик сети.



I. Обзорно-аналитическая часть

1. Информационное обследование региона

1.1 Анализ основных потоков данных пользовательских данных

В рамках реализации проекта правительства Российской Федерации по развитию Крымского Федерального Округа до 2020 года, а также утвержденному техническому заданию дипломного проекта, необходимо выбрать систему на основе которой можно эффективно построить сеть центров обработки данных и узлов связи общей пропускной способностью до 400Гбит/с на существующей волоконно-оптической сети компании Атраком, являющейся на данный момент частью ООО «Миранда-Медиа». Газета Ведомости. Статья опубликована в № 3585 от 08.05.2014 под заголовком: «Ростелеком» взял Крым

Под сетью центров обработки данных подразумевается оптическое, магистральное и иные виды телекоммуникационного оборудования, а также кабельной инфраструктуры, функционирующей с целью обеспечения доступа населения и предприятия, в том числе государственных, к информационным ресурсам, расположенных на площадках и узлах связи.

Согласно техническому заданию проекта, решения по месту и способам организации соединения не задаются, а значит остаются на стороне исполнителя проекта. По этой причине, одним из первых этапов реализации проекта, которые необходимо решить перед началом проектирования, является анализ текущих информационных потоков региона и выбор месторасположения узлов сети центров обработки данных. Понимание текущего состояния среды региона также прямым образом оказывает влияние на варианты решения поставленной задачи в рамках дипломного проекта.

В апреле 2014 года компания «Ростелеком», крупнейшим акционером которой является РосИмущество, а заказчиком МинКомСвязь, проложила по дну Керченского пролива кабель-канал с несколькими волоконно-оптическими кабелями. Общая ёмкость подобного канал составила 110Гигабит/с Телеканал Russia today. 14.04.2014, 03:01 http://russian.rt.com/article/27644 . Данный факт значительно повлиял на информационную связность всего региона с Российской Федерацией. Постройка данной линии была выполнена по заказу Минкомсвязи РФ и способна обеспечить потребности в услугах связи всего полуострова. Кабель был проложен силами компании Телеком-С, которая выступала подрядчиком Ростелеком-Юг и непосредственно занималась прокладкой 40-километровой трассы. Тем не менее, крупнейшие операторы региона по-прежнему не используют данное оптическое подключение в полном объеме и не передают пользовательский трафик в сторону российских операторов.

Между тем, основной трафик частных пользователей полуострова направлен именно на русские сервера и сервисы, доступ к ним логично осуществлять напрямую через волокна, соединившие полуостров с материковой частью России. По данным проведённого анализа, преобладающими пользовательскими направлениями на время высокого сезона становятся сервера социальных сетей, крупные поисковые сервисы, а также хостинг-площадки. Около 80% трафика носят развлекательный характер, основные представители которого По данным сайта http://top1000-ru.hotlog.ru/ :

- социальные сети ВКонтакте и Одноклассники;

- сервисы и поисковые системы Яндекс;

- сервисы mail.ru;

Значительную часть трафика корпоративного сегмента занимает обмен данными с зарубежными, а также украинскими центрами обработки данных, хостингами и сервисами (см. Рисунок 1).



Рисунок 1. Потоки данных Крымского Федерального Округа

Как видно из представленной карты Материалы карты представлены по данным анализатора http://bgp.he.net (см. Рисунок 1), основные потоки пользовательских данных направляются в сторону континентальной Украины, поскольку именно через украинских операторов анонсируются самые популярные российские ресурсы, а также главные центры обработки данных в Европе. В пределах самого полуострова, данные концентрируются в местах проживания наибольшего числа жителей, а значит в местах присутствия наибольшего числа провайдеров услуг связи и широкополосного доступа в сеть Интернет.

Города Севастополь и Симферополь существенно выделяются из числа остальных городов и поселений городского типа, расположенных на территории полуострова, поскольку основная часть потоков данных проходит через них. Это связано с высокой концентрацией провайдерского оборудования на территории этих городов, их выгодным расположением и большим количеством жителей. В городе Севастополь, расположенном чуть западнее от Ялты, на текущий момент проживает больше всего жителей, а также расположено значительное количество предприятий. Присутствует несколько независимых источников электроэнергии, а также проложены оптические трассы до г. Симферополь через г. Бахчисарай, до г. Евпатория через п. Фрунзе, а также до г. Алупка. Выгодное положение города дает возможность считать его одним из главных претендентов на размещение центра обработки данных.

Побережье полуострова или курортная зона, включает в себя такие города как Алупка, Ялта, Алушта, Судак, Феодосия. Особенностью этих городов является нелинейное изменение количества трафика в связи с сезонным характером заселения, что показано в таблице 1.

Таблица 1 - Оценочное количество трафика городов КФО

Город	Население, тыс. человек	Население в сезон, тыс. человек	Кол-во предприятий	Кол-во гостиниц	Кол-во трафика в сезон, Гбит/с	Кол-во трафика не сезон, Гбит/с
Севастополь	390	450	40	200	4.8	2.8
Симферополь	330	350	70	10	4.1	4.7
Керчь	150	200	20	130	7.2	3.3
Ялта	78	400	17	144	2.4	1.2
Евпатория	110	600	30	100	3.6	1.3
Феодосия	65	250	20	80	2.5	1.2
Алушта	30	60	3	10	2.36	1.1
Алупка	8	10	2	2	2.1	1.1
Бахчисарай	30	50	10	8	2.3	1.1
Судак	15	20	2	6	2.7	1.1
Саки	25	30	4	10	2.1	1.1
Джанкой	35	35	14	3	2.6	1.1
Красноперекопск	30	30	5	2	2.6	1.1
Армянск	23	23	2	1	2.2	1.1

Очевидно, что в весенне-летний и осенний сезоны, количество населения увеличивается в несколько раз, а количество трафика данных городов в несколько десятков раз.

Вторым местом большой концентрации трафика становится Керчь, поскольку именно через него проложен кабель в сторону России. Некоторая часть данных уходит на текущий момент на российские сервера контент-провайдеров, достаточно серьёзно нагружая имеющиеся транспортные мощности от полуострова в сторону РФ. Весь трафик подобного типа проходит по маршруту г. Феодосия - г. Керчь. - Ростелеком. Данные факты говорят о необходимости размещения ЦОД, либо крупного узла связи на восточной части полуострова, в городе Феодосия и городе Керчь.

При анализе потоков трафика также необходимо обратить внимание не только на береговую часть полуострова, но и на континентальную. Именно в ней живет и трудится наибольшее количество людей. Город Симферополь - крупнейший центр полуострова, население которого оценивается в 350 тысяч человек Предварительные итоги переписи населения Крымского Федерального Округа. http://www.gks.ru/ , а количество крупных предприятий достигает ста. Необходимость расположения в г. Симферополь центра обработки данных вызвана не только проживающим там населением, но и наличием большого числа административных учреждений всей республики, а также выгодным географическим местоположением города на полуострове. В городе расположено наибольшее количество образовательных учреждений, а также представительство РАН.

Количество центров обработки данных, необходимых для населения полуострова, предприятий, туристической сферы, административных объектов можно найти по оценочному количеству трафика в различных направлениях исходя из пропускной способности сети передачи данных, заявленной министерством связи РФ в программе о развитии Крымского ФО до 2020 года. Согласно данной программе, предполагаемая пропускная способность сети составляет 310Гбит/с. Основные направления в рамках которых создаётся сеть центров обработки данных являются: туристическое, государственные и промышленное. В рамках данной концепции логична установка четырех крупных центров обработки данных. Центром для туристической отрасли, в связи с описанными выше положительными сторонами, будет являться город Севастополь. Центром промышленности, и одновременно центром предоставления услуг электронного правительства является город Симферополь. Местоположение двух резервных центров обработки данных логично выбрать исходя из того, что имеются два основных направления движения трафика из полуострова - в сторону Европейской части Украины, и в сторону России.

Выводом, который можно сделать после рассмотрения потоков пользовательских данных, является определение наиболее удобной позиции с точки зрения пользователей для расположения центров обработки данных. На карте (см. Рисунок 2) схематично приведены возможные места расположения центров обработки данных и резервных центров обработки данных.

Рисунок 2. Карта возможных мест расположения ЦОД

ЦОДы располагаются в Симферополе и Севастополе, резервные центры обработки данных в Феодосии и Джанкой, точки обмена трафиком в Красноперекопске и Керчи.

В рамках работы над сетью центров обработки данных, в первую очередь необходимо использовать возможности сети для организации доступа к услугам непосредственно населения. Традиционные сервис-провайдеры, представленные в городах, имеют весьма ограниченную область действия, поскольку территориально не распределены по полуострову, а сосредоточены в локальных населённых пунктах. К неоспоримым преимуществам подобных организаций следует отнести наработанные и развитые Metro-сети в пределах их области работы. По этой причине, при организации типовых решений для различных городов, следует прибегнуть к абстракции на уровне поселений и городов. Под абстракцией данного уровня понимается то, что контент из центров обработки данных, доставляется до сформированного узла связи в требуемом городе, а далее распространяется локальным провайдером до конкретного пользователя. Подобный подход реализует иерархический способ построения сети связи, от агрегатора данных, которым является сеть ЦОД, через локального ISP конечному пользователю.

Портовые емкости на каждый ЦОД, возможно рассчитать исходя из параметров, указанных в Федеральной Целевой Программе о развитии региона. С учетом одновременной работы двух центров обработки данных, каждый из них берёт на себя обработку трафика с общей полосой Ѕ от 330Гбит/с или 165 Гбит/с. Фактический коэффициент переиспользования в центрах обработки данных составляет не менее 4 Cisco Datacenter Design Guide. Август 2013, Cisco Press B-0000515-1 08/13 San Jose, CA, что означает реальное использование каждым физическим портом около 25% своей максимальной емкости. Данный фактор увеличивает количество портов доступа до количества, необходимого на обслуживание 660Гбит/с. С учетом 80% использования портов емкостью 1000Мбит/с Внутренние данные ЦОД компании ЗАО «Диджитал Нетворк» на текущий момент, планируемый размер каждого центра обработки данных по портам составляет 660 физических портов, при этом рост количества портов может происходить постепенно, а значит нет реальной необходимости в единовременной инсталляции максимального количества оборудования на этапе запуска.

1.2 Анализ информационной связности объектов региона

Определяющим качество функционирования существующей системы связи на полуострове параметром можно назвать информационную связность его объектов. Когда мы говорим о связности, мы в первую очередь говорим о том, что это принципиальный отказ от рассмотрения чего бы то ни было вне контекста окружающей информации и связи рассматриваемого объекта с другими сущностями. Классификация и кластеризация объектов в таком случае возможна посредством анализа их связей и итеративного анализа ранее классифицированных связанных объектов.

Уровень связности определяется количеством логических направлений передачи данных от каждого объекта, а также степенью оптимальности организации логического соединения между городами с точки зрения путей следования пользовательского и логического трафика А. Робачевский. Интернет изнутри. - Изд. ООО «Интеллектуальная Литература» М.2015.

Оценивая связность полуострова, важно понимать, что вследствие политических событий, существующие каналы связи через континентальную часть Украины не могут быть использованы. До вхождения в состав РФ, обслуживание полуострова и предоставление услуг связи происходило через континентальную часть Украины силами оператора связи Укртелеком. Это крупнейший оператор связи на Украине, предоставляющий различные телекоммуникационные услуги, среди них: фиксированная и мобильная связь, высокоскоростной доступ к Интернету, датацентры, ВОЛС для бизнеса, каналы связи. При этом сам полуостров обслуживается сетью мелких компаний, распределённых по крупным населённым пунктам.

Премьер России Д.А. Медведев также отметил этот аспект: "Недопустимо, что информация и документы, которые связаны с управлением территорией, двумя субъектами федерации, в том числе конфиденциального характера, передаются с использованием мощностей... иностранных телекоммуникационных компаний", - объяснял премьер-министр.

Связность населённых пунктов с центром однонаправленная, без возможности резервирования, доступ к телекоммуникационным услугам представлен как правило одним провайдером услуг, также без возможности резервирования. Доступность организации территориально распределённых каналов передачи данных между объектами региона ограничена из-за отсутствия крупных федеральных оператора связи в регионе с собственной сетью доступа.

В условиях подобной ограниченности доступности телекоммуникационных ресурсов для конечных клиентов, регион имеет выходы к транзитным операторам связи Российской федерации, главным из которых является Ростелеком, а также Датагрупп и WNET. Однако, напрямую операторы не имеют возможность передать свои услуги конечным пользователям либо оператором на местах, из-за отсутствия именно промежуточного звена между конечными абонентами и крупными сетями связи.

Сервисы и услуги, недоступные на текущий момент для реализации из-за низкого уровня связности региона, необходимы не только частному сектору (конечным клиентам), но и промышленности, а также предприятиям региона, государственному сектору. Данное утверждение вытекает в связи с высокой степенью территориальной распределённости подобных объектов по региону, а также современным требованиям к ИТ-инфраструктуре и сетям передачи данных.

Исходя из указанных недостатков в связности региона, а также данным о современном состоянии пользовательских потоков данных на полуострове, была поставлена задача по проектированию территориально распределённой сети центров обработки данных Крымского Федерального Округа.

1.3 Выводы

На этапе проектирования сети датацентров необходимо:

· Проанализировать доступные сетевые решения создания масштабируемых сетей передачи данных регионального масштаба.

· Изучить существующие технологии уплотнения оптического волокна, а также возможности их применения при построении сети передачи данных.

· Представить основные возможные организации топологии сети датацентров, выделить положительные и отрицательные стороны применительно к дипломному проекту.

· Провести анализ основных используемых технологий второго и третьего уровня модели OSI, оценить необходимость их использования и требования к оборудованию по поддержке стандартов и протоколов передачи данных.

· Поставить задачу на составление технико-конструкторского решения по проектированию сети центров обработки данных на основе проведённого анализа.

2. Обзор существующих технологий передачи данных

2.1 Подходы к проектированию высоконагруженных технологических сетей передачи данных, используемых в территориально-распределённых сетях

В рамках реализации проекта правительства Российской Федерации по развитию Крымского Федерального Округа до 2020 года, а также утвержденному техническому заданию дипломного проекта, необходимо выбрать систему на основе которой можно эффективно построить сеть общей пропускной способностью до 400Гбит/с на существующей волоконно-оптической сети компании Атраком. Рассмотрим существующие традиционные способы построения и проектирования физического уровня сети связи.

Простым и очевидным решением для построения кабельной структуры является аренда или покупка т.н. тёмного волокна в соответствии с выбранной топологией организации сети передачи данных. В текущих реализациях битового кодирования, по одному оптическому волокну возможна передача потока данных в 10Гбит/с. Для расчета количества необходимых волокон для организации полносвязной топологи между центрами обработки данных и точками обмена трафиком, необходимо воспользоваться формулой (1):

где n - количество физических волокон;

- количество организованных центров обработки данных;

- количество региональных точек обмена трафиком;

- количество городских подключений;

Например, для оценки количества волоконных линий для организации трёх ЦОД, двух точек обмена трафиком, а также подключения четырех городов к сети, необходимо, пользуясь формулой (1) получим:

оптических волокон (2)

В такой системе наращивание пропускной способности будет вестись добавлением дополнительных физических кабельных соединений. К очевидным минусам подобной системы стоит отнести:

· Большое (избыточное) количество реальных оптических каналов передачи данных.

· Низкая масштабируемость решения.

· Высокая стоимость решения на длинной дистанции.

· Невозможность физической организации кабельного соединения между некоторыми населёнными пунктами региона.

· Несоответствие характеристик полосы пропускания системы заданному в ТЗ значению.

· Потребность в дополнительном оптико-электрическом оборудовании на промежуточных узлах связи.

Отметим также положительные аспекты данной модели:

· Совпадение физической и логической топологии сети.

· Низкая стоимость на короткой дистанции.

· Техническая простота реализации решения.

Более сложными, однако от этого не менее интересными, выглядят различные системы уплотнения каналов связи. Строго говоря, в описанной выше реализации также имеет место простое уплотнение по длине волны, которое прочно вошло в жизнь операторов связи. Суть любого уплотнения состоит в том, что в единицу времени передается не один сигнал (поток данных), а несколько. Для реализации WDM [Wave Division Multiplexing] передача ведется на длине волны 1310нм, прием на частоте 1550нм, таким образом в одном волокне возможен и приём, и передача данных, т.е. дуплексная передача. Также возможно уплотнение не только по длине волны, но и по времени, т.н. TDM [Time Division Multiplexing], однако он в последнее десятилетие почти полностью уступил место системам WDM. Произошло это из-за постепенного приближения к пределу битовой скорости, а также открытии различных оптических эффектов, которые легли в основу новой концепции уплотнения каналов в оптическом волокне.

Суть уплотнения по длине волны состоит в том, что в рамках одного оптического сигнала может передаваться несколько длин волн, обозначая отдельный, независимый поток данных отдельного оптического канала. При этом такого рода уплотнение может быть грубым, в таком случае оно будет называться CWDM [Coarse Wave Division Multiplexing]. Его отличительные особенности - работа в большом диапазоне частот, но плотность уплотнения достаточно мала. В текущем технологическом процессе возможно получить до 32 различных частот в одном волокне, применяя технологию CWDM. Второй вариант уплотнения, т.н. частое уплотнение DWDM, позволяет получить до 128 отдельных частот в C-band диапазоне оптического волокна Андрэ Жирар. Руководство по технологии и тестированию систем WDM. - М.: EXFO, 2001. .

Реализация физической среды передачи данных на основе DWDM выглядит намного перспективнее с точки зрения возможности дальнейшего долгосрочного развития и масштабирования. При этом организация сети с использованием CWDM сократит затраты на оптические волокна в 8 раз, а DWDM уже в 96 раз. Это объясняется тем, что в случае использования DWDM-уплотнения частот, в рамках одного оптического волокна возможна передача 96 потоков в 40Гбит/с, или 3.8Тбит/с.

Оптические системы с использованием уплотнения имеют также неоспоримое преимущество перед ВОЛС-системами без уплотнения, а также перед беспроводными СПД, заключающееся в огромном значении максимально возможной длины пролёта, которое может преодолеть сигнал без использования активного сетевого или регенерационного оборудования. Данный параметр зависит от выбранного производителя оборудования, реализации и топологии, однако на текущий момент передача данных по волокну возможна на линиях до 2000 км без регенерации сигнала. Подобный аспект важен для проектируемой сети по причине того, что строительство сети ведется не в рамках офиса или района, а в рамках федерального округа, а значит расстояние между датацентрами и узлами связи будет весьма значительным.

К отрицательным сторонам любого уплотнения стоит отнести прежде всего стоимость и техническую сложность реализации. Причем чем экономичнее, с точки зрения частот, будет система, чем она более прозрачна и управляема пользователем, тем более дорогой она будет. Поэтому многие предприятия проводят закупку готового решения от лидеров данной области, не разбивая его на отдельные компоненты: усилители, аттенюаторы, лазеры.

Также необходимо отметить тот факт, что, если без использования усиления мы работаем с сигналом в двух направлениях: мощности и времени, т.е. по факту работаем с плоским сигналом. При увеличении мощности возможны негативные факторы, которые сказываются на мощности лазера, потерях, а также затухании оптического сигнала в волокне. При изменении времени на передачу мы сталкиваемся с нестабильностью сигнала, понижением скорости передачи, поляризационной модовой дисперсией. Кроме того, при векторном сложении данных процессов получаем нестабильность битовой скорости передачи, различные нелинейные эффекты в волокне, высокую относительную интенсивность шума. Подобную зависимость легко показать на схеме (см. Рисунок 3).

Рисунок 3. Процессы при двумерной передаче сигнала

При работе с мультиплексированием возникает намного больше явлений и зависимостей, которые необходимо разрешить при проектировании системы. Действительно, зависимость приобретает трехмерный вид (см. Рисунок 4)

Рисунок 4. Процессы в волокне при трехмерной передаче сигнала

Влияние длины волны совместно с мощностью увеличивает возможность возникновения усиленного спонтанного излучения, а также рамановского рассеяния; чирпирование лазера, хроматическая дисперсия и другие вредные, с точки зрения передачи сигнала, физические явления, требуют тщательного планирования и подбора системы на этапе разработки.

Для формализации критериев выбора представим отрицательные и положительные стороны, а также требующие внимания нюансы каждого решения в таблице 2.

Таблица 2 - Сравнение вариантов уплотнения волокна

Параметр сравнения	Без уплотнения	WDM (простое уплотнение)	CWDM (грубое уплотнение)	DWDM (частое уплотнение)
Стоимость в пересчете на порт 10GE в масштабе проекта	Очень высокая	Высокая	Средняя	Низкая
Стоимость отдельного порта 10GE	Средняя	Низкая	Высокая	Высокая
Прогнозируемость девиаций сигнала	Высокая	Высокая	Средняя	Средняя
Техническая сложность реализации	Низкая	Низкая	Средняя	Высокая
Катастрофоустойчивость	Низкая	Средняя	Средняя	Средняя
Масштабируемость	Крайне низкая	Низкая	Средняя	Очень высокая
Коэффициент переиспользования кабельной системы	Крайне низкий, 0	Средний, 1.5-2	Высокий 4-8	Очень высокий 32-128
Сложность в эксплуатации	Низкая	Низкая	Высокая	Очень высокая
Максимальная длина пролёта без регенерации	40 км	40 км	80 км	4000 км

Основными критериями (по весу, влияющему на принятие решения) при выборе системы стали возможность масштабируемости и низкая оценочная стоимость порта 10GigabitEthernet. В связи с этим, технология DWDM была взята за основу при построении физического уровня сети передачи данных для Крымского полуострова.

3. Основные параметры DWDM-систем

3.1 Технологические принципы работы DWDM

В современных системах передачи данных оптическая связь играет ключевую роль. Однако в реалиях современных скоростей, передача в один поток данных не может рассматриваться в качестве допустимого варианта для магистральных провайдеров. Различные варианты уплотнения позволили использовать более чем одну несущую частоту при передаче сигнала. Основной рывок в развитии частого уплотнения произошел с открытием и промышленным применением т.н. EDFA-усилителей [Erbium Doped Fiber Amplifier] - классе усилителей на оптическом волокне, легированном ионами эрбия Убайдуллаев Р. Р. "Волоконно-оптические сети" - М. Эко-Трендз - 2001.

Первоначальное уплотнение использовало две основные частоты, на которых в пределах одного волокна выполнялась приём и передача. При этом сигналы не пересекались, что привело к возможности использовать среду передачи данных более экономно (см. Рисунок 5).

Рисунок 5. Уплотнение WDM

Стоит сказать, что характеристики оптического волокна неодинаковы на всех частотах, которые способны передаваться по волокну. Максимальная и минимальная частота, на которой может работать оптическое волокно называется частотой отсечки (верхней и нижней соответственно). На частотах в диапазоне от верхней до нижней частоты отсечки уровень затухания оптического сигнала отличается нелинейно в зависимости от длины частоты, на которой ведется передача данных. Кроме того, характеристики разных оптических волокон влияют на физические параметры передаваемых сигналов. Комитетом ITU [International Telecommunication Union] были приняты несколько стандартов на оптические волокна, которые различны по своим характеристикам и условиям применения.

С развитием полупроводниковой оптики, стало возможным использовать в пределах рабочей частоты волокна передавать данные на различных частотах с шагом в 20нм Hecht, Jeff, Understanding Fiber Optics, 4th ed., Prentice-Hall, Upper Saddle River, NJ, USA 2002. Технологически для этого применялась призма, которая способна выделять нужную частоту и выдать её в нужный оптический порт. Обычно работа такой системы ведется в диапазоне 1290нм - 1610нм, т.е. позволяя в полнодуплексном режиме использовать до 8 каналов. Поскольку, как было упомянуто ранее, характеристики волокна различны в зависимости от передаваемой частоты, главным недостатком была невозможность качественного усиления сигнала по всем частотам. Взглянем на зависимость величины затухания от передаваемой частоты стандартного волокна (см. Рисунок 6).

Рисунок 6. Нелинейность затухания стандартных оптических волокон на различных частотах

Источник: журнал "Алгоритм Безопасности" №4 2005 года, авторы М. Ефимов, В. Никитин.

Наиболее часто используется волокно ITU G.652, которое имеет так называемый водяной пик, т.е. резкое, скачкообразное увеличение затухания на определённой длине волны.

В конце XX века ученым удалось использовать процесс излучения легированного полупроводника с инверсной населённостью применительно к оптическим средствам передачи данных. Для этого в рабочем диапазоне эрбия применяют источник света, который работает на длине волны 980нм, и производят т.н. накачку легированного волокна таким образом, чтобы фотон усиливаемого сигнала и излученный фотон были когерентны. То есть в процессе работы, вместо одного полезного фотона получается два фотона с одинаковыми характеристиками. Из-за свойств эрбия, частота работы такой системы - 1530-1560нм. Именно в этом диапазоне и стали развиваться системы частого уплотнения или DWDM. Для них характерно значительно менее широкие расстояния между длинами волн, чем для технологии CWDM - 100ГГц или 0,8нм, а также 50Ггц на канал. В таком диапазоне, благодаря EDFA-усилителям, стало возможно передавать до 64 полудуплексных каналов. Само усиление производится без дополнительных АЦП-ЦАП преобразований, исключительно с использованием оптического волокна. Ведь одной из проблем CWDM систем, была проблема усиления сигнала без подключения активного оборудования на промежуточных узлах. Оптический сигнал или группа сигналов, проходящих по оптическому кабелю затухала почти полностью уже через 100км, делая невозможным передачу данных на большие расстояния. Поэтому на каждом участке пути сигнала ставилось оборудование, которое преобразовывало данные из оптического аналогового сигнала в цифровой сигнал и обратно. В DWDM же стало возможно передавать группу сигналов на большие (до 4000км) расстояния практически без потерь.

Разумеется, помимо очевидных плюсов у технологии существуют некоторые негативные стороны. Перечислим основные факторы, которые влияют на качество работы DWDM-систем В.Н.Листвин, В.Н.Трещиков. DWDM системы: научное издание. -- М.:Издательский Дом "Наука", 2013.

· Разные длины волн распространяются в кабеле неравномерно. Это практически незаметно для расстояний, скажем, в 100 километров, на на расстоянии в 1000км возможно уширение полезного спектра сигнала до такой степени, что приёмное оборудование не сможет выделить нужный импульс. Это явление носит название материальной дисперсии.

· Физические характеристики кабеля, а именно несимметричность и его неидеальная геометрия, добавляют поляризационно-модовую дисперсию, которая проявляется в неравномерном распространении импульса с геометрической точки зрения.

· Два описанных выше явления в совокупности получили название хроматической дисперсии и являются основной причиной возникновения сложностей при установке и настройке DWDM-систем.

· Не стоит забывать о нелинейных эффектах в оптическом волокне. Они проявляются с ростом мощности передатчика, ограничивая его максимальное значение. Т.е. невозможно использовать передатчик бесконечно большой мощности в целях уменьшения затухания и получения требуемого уровня сигнала на приёмной стороне.

При разработке DWDM вводится понятие частотного плана. Частотным планом называют сетку частотных каналов, на которых ведется приём/передача данных DWDM. Сетка каналов определяет центральную частоту, которые используются для DWDM-приложений. Стандартом ITU G.694.1 рассматриваются частоты с шагом 12.5 ГГц, 25 ГГц, 50ГГц, 100ГГц ITU G.694.1 : Spectral grids for WDM applications: DWDM frequency grid. Данный шаг влияет на степень мультиплексирования, очевидно, чем больше шаг, тем больше частотных подканалов возможно использовать в рамках одной оптической системы. Частотная сетка стандарта ITU-T G.694.1 приведена в приложении к пояснительной записке в Приложении А.

Первоначально топологии в которых использовалась технология DWDM ограничивались каналом точка-точка, предполагая, что основным направлением роста будет наращивание пропускной способности существующих каналов. Однако логическим продолжением стандартных систем стали т.н. ADM [Add/Drop-Multiplexers], представляющие собой мультиплексоры ввода/вывода. Подобные мультиплексоры позволяют вывести из одного (или нескольких, в зависимости от реализации) оптического волокна некоторую частоту , ввести в волокно частоту , при этом остальные частоты оставить без изменения. Физически данный процесс реализован с помощью тонкостенных фильтров и системы зеркал Light Reading's Heavy Reading - "ROADMs and the Future of Metro Optical Networks", May 2005, которые в совокупности перенаправляют оптический сигнал требуемой частоты в отдельный оптический порт, пропуская без изменений все остальные длины волн. Подобные устройства смогли позволить делать ответвления на протяжении оптического волокна в некоторые тупиковые зоны.

3.2 Применяемое оборудование в системах DWDM

Следующим востребованным элементом стали реконфигурируемые мультиплексоры ввода-вывода или ROADM [Reconfigurable Optical Add/Drop Multiplexer]. Их безусловным достоинством стала возможность запрограммировать выводимую/вводимую длину волны и при этом не заниматься перепроектированием сети с нуля. Система позволяет наращивать каналы по мере роста числа абонентов, которым требуется данный канал. Схема организации каналов без использования ROADM представлена на рисунке (см. Рисунок 7).



Рисунок 7. Схема мультиплексирования сигналов оптического волокна

При использовании данной реализации имеется возможность соединить только два узла несколькими каналами. Часто бывает необходимо вывести частоту на промежуточном участке, скажем предоставить сервис для некоторого населённого пункта или бизнес центра. При традиционной реализации DWDM не будет возможности сделать это без покупки дополнительных волокон и перестроения (а порой и построения) волоконно-оптической сети определённым образом. Ниже представлена схема решения подобной проблемы с помощью ROADM мультиплексоров (см. Рисунок 8).



Рисунок 8. Уплотнение оптического волокна с использованием ROADM

Одним из основных элементов любой WDM сети является устройство под названием оптический транспондер. Данное оборудование позволяет интегрировать существующие сети, например, сети Ethernet, и оборудование спектрального уплотнения. По функциональности такое оборудование отличается наличием возможности усиливать и регенерировать полученные оптические сигналы. Необходимость использования данного устройства сводится к тому, что многие существующие «клиентские» технологии не могут быть просто преобразованы в DWDM формат, то есть необходимо выполнение некоторого рода преобразования сигнала одного вида или стандарта, в сигнал стандарта DWDM. Типичная схема применения транспондера - подключение для клиента оптического порта 10G, приведена ниже (см. Рисунок 9).



Рисунок 9. Схема работы оптического транспондера

При этом, важно отметить, что обычно транспондер производит, т.н. 3R-регенерацию или полную регенерацию полученного клиентского сигнала, то есть восстановление формы, восстановление амплитуды и восстановление синхронизации оптического сигнала Optical Fiber Telecommunications V: Systems and networks, Academic Press, 2008.. Подобное оборудование часто ставится на клиентской принимающей стороне для преобразования сигналов, при этом также осуществляя коррекцию ошибок.

При обсуждении DWDM оборудования отдельно необходимо сказать о SFP/SFP+ [Small Pluggable Factor] трансиверах. Такие трансиверы часто применяются в пассивных сетях передачи данных, когда конечному оборудованию необходимо предоставить доступ к определённой DWDM частоте. В этом случае, двунаправленный трансивер как правило имеет широкополосный приёмник, для того чтобы принимать и обрабатывать любую частоту, которую отдаст ему транспондер или ROADM-мультиплексор, а передатчик имеет узкий диапазон частоты. Однако, подобный подход к реализации отдельных подключений имеет безусловные минусы. Во-первых, подобное оборудование обычно не имеет серийного производства даже среди признанных лидеров рынка DWDM сетей, то есть заказ подобного трансивера как правило выльется в значительные материальные затраты. Во-вторых, масштабируемость решения, которое использует трансиверы DWDM крайне мало, поскольку для каждого оптического порта необходимо иметь ЗИП, а также четкое понимание частотного плана системы в сочетании с невозможностью изменения последнего. По этой причине необходимость использования подобных трансиверов сводят к минимуму, и применяют программируемые лазеры, которые могут быть настроены на несколько разных длин волн частотного плана. В традиционных системах их заменяют парой транспондер и стандартный SFP+ трансивер, себестоимость которого несравнимо мала в сравнении с DWDM-трансиверами.

В условиях проектирования сети в федеральном округе, сигнал может потребоваться усиливать и регенерировать. Как было оговорено ранее, на клиентской стороне равномерность импульса обеспечивает оптический транспондер, а на магистральном оборудовании данную функцию выполняют оптические усилители. Среди подобного оборудования чаще всего используются усилители на основе эрбиевого волокна, а также усилители на основе эффекта рассеяния Рамана. Любой оптический усилитель ставит целью создание когерентного исходному одного или нескольких фотонов. При этом, в EDFA-усилителе подобный эффект достигается т.н. лазером накачки, который светит на оптическое волокно с определённой, заранее известной длиной волны. Стоит отметить, что именно усилителям EDFA, текущие DWDM-системы обязаны своим существованием. Усилители на волокне, легированном эрбием EDFA за последние несколько лет произвели революцию в телекоммуникационной промышленности. В простейших конструкциях EDFA усиление происходит в достаточно узком диапазоне длин волн - примерно от 1525 нм до 1565 нм. В эти 40 нанометров умещается несколько десятков каналов DWDM.

Обычно, электронные повторители для восстановления сигнала на линии связи, протяженностью в несколько тысяч километров, считывают сигнал с волокна, преобразовывают его в электрический сигнал, усиливают импульс, далее снова преобразуют уже электрический сигнал в оптическую форму и передают по линии связи. Усилители RAMAN и EDFA полностью прозрачны, т.е. не зависят от используемых протоколов передачи данных, форматов, длины волны и иных характеристик сигнала. Подобная гибкость - одно из основных преимуществ использования их в системах DWDM. Безусловно существуют и минусы у данного вида усилителей, требуется тщательно учитывать их неоднородное спектральное усиление и шум, вносимый ими за счет усиленной спонтанной эмиссии ASE [Amplified Spontaneous Emission]. Сети с усилителями EDFA имеют многочисленные преимущества. Пропускную способность таких сетей можно наращивать экономично и постепенно, добавляя новые каналы по мере роста потребности.

Также необходимо сказать несколько слов не только о усилении оптического сигнала, но и об изменении его уровня мощности в противоположную сторону. Для этого используется прибор под названием оптический аттенюатор. В традиционных DWDM-системах, оптические сигналы должны быть одинаковой мощности, т.е. выровнены вне зависимости от того, как далеко от места ввода был сформирован сигнал. Простой пример использования - аттенюатор на этапе ввода волны в ROADM-мультиплексор. На данном этапе необходимо добавить некоторую частоту к волне таким образом, чтобы характеристика добавленного сигнала с точностью совпадала с мощностью сигнала, который уже присутствует в оптическом волокне. Принцип работы стандартного аттенюатора обычно основан на оптическом зазоре между соединяемыми волокнами Справочник по элементам радиоэлектронных устройств / Под ред. В. Н. Дулина и др. -- М.: Энергия. Те потери мощности на оптических коннекторах, спайках, мультиплексорах, что обычно считаются вредными и паразитными, на аттенюаторе используются на пользу и во благо. Традиционные аттенюаторы имеют возможность вносить затухание от 5 до 30дб с шагом до 0.5дб.