книги / Проектирование и эксплуатация инфокоммуникационных сетей. Реализация, моделирование

Министерство науки и высшего образования Российской Федерации

Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования «Пермский национальный исследовательский политехнический университет»

В.И. Фрейман

ПРОЕКТИРОВАНИЕ И ЭКСПЛУАТАЦИЯ ИНФОКОММУНИКАЦИОННЫХ СЕТЕЙ.

РЕАЛИЗАЦИЯ, МОДЕЛИРОВАНИЕ

Утверждено Редакционно-издательским советом университета

в качестве учебного пособия

Издательство Пермского национального исследовательского

политехнического университета 2022

1

УДК 621.391 Ф86

Рецензенты:

доктор физико-математических наук, доцент С.В. Козлов, профессор кафедры «Радиоэлектронные и телекоммуникационные системы»

Института радиоэлектроники, фотоники и цифровых технологий Казанского национального исследовательского

технического университета им. А.Н. Туполева–КАИ; доктор технических наук, профессор С.Ф. Тюрин, заслуженный изобретатель Российской Федерации, профессор кафедры «Автоматика и телемеханика» Пермского национального исследовательского политехнического университета

Фрейман, В.И.

Ф86 Проектирование и эксплуатация инфокоммуникационных сетей. Реализация, моделирование : учеб. пособие / В.И. Фрейман. – Пермь : Изд-во Перм. нац. исслед. политехн. ун-та, 2022. – 76 с.

ISBN 978-5-398-02737-2

Представлены подходы к построению, исследованию и моделированию инфокоммуникационных сетей с коммутацией цифровых каналов. Рассмотрены практические аспекты проектирования, управления и синхронизации. Показано применение программ моделирования сетей для их изучения и исследования.

Предназначено для студентов направления подготовки 11.03.02, 11.04.02 «Инфокоммуникационные технологии и системы связи», изучающих вопросы проектирования и эксплуатации инфокоммуникационных сетей. Может быть полезно студентам смежных направлений подготовки.

УДК 621.391

2

3

ПЕРЕЧЕНЬ ПРИНЯТЫХ СОКРАЩЕНИЙ

ITU-T – Международный союз электросвязи, Комитет по телекоммуникациям

MS-SPRING – защита на уровне мультиплексной секции PDH (ПЦИ) – плезиохронная цифровая иерархия

PCM (ИКМ) – импульсно-кодовая модуляция

SDH (СЦИ) – синхронная цифровая иерархия SNCP – защита на уровне трактов нижнего ранга TDM (ВРК) – временное разделение каналов TMN – сеть управления электросвязью

ВЗГ – вторичный задающий генератор ВОЛС – волоконно-оптическая линия связи ЗГ – задающий генератор

ИСУМ – интегрированная система управления и мониторинга КИ – канальный интервал САПр – система автоматизированного проектирования СЛ – соединительная линия

ОЛТ – оборудование линейного тракта ОЦК – основной цифровой канал ПД – передача данных ПК – персональный компьютер

ПМ – первичный мультиплексор ПЭГ – первичный эталонный генератор СС – сеть связи СЭ – сетевой элемент

4

ВВЕДЕНИЕ

Для эффективного применения современных инфокоммуникационных технологий необходимо освоить математический, программный и методический инструментарий. Это позволит сократить время проектирования, избежать существенных и простых ошибок, обеспечить высокое качество сопровождения оборудования на этапе эксплуатации и т.д. Важным этапом проектирования с использованием системы автоматизированного проектирования (САПр) или без нее является моделирование как основа для исследования процессов коммуникаций между элементами инфокоммуникационной сети.

Среды моделирования, в зависимости от своих возможностей и назначения, могут иметь модели готовых телекоммуникационных устройств (маршрутизаторов, коммутаторов, терминального оборудования и т.д.), например Cisco Packet Tracer. Однако для более глубокого изучения и понимания процессов, происходящих при взаимодействии телекоммуникационных устройств, а также модулей (плат) внутри самого оборудования, полезно уметь разрабатывать модели с использованием самых простых компонентов. Для этого применяются такие программные продукты, как MathWorks Matlab (лицензируемый), Scilab (свободно распространяемый) и т.п.

Настоящее учебное пособие предназначено для ознакомления с основными принципами проектирования, управления и синхронизации инфокоммуникационных сетей с коммутацией цифровых каналов, а также практическими аспектами моделирования процессов мультиплексирования и формирования сообщений о неисправностях в них.

Структура учебного пособия позволяет студентам:

– изучить базовые инфокоммуникационные технологии, архитектуры и топологии, принципы проектирования и реализации сетей связи «классических» (плезиохронной и синхронной цифровой иерархии) и перспективных телекоммуникационных технологий, а также подходы к построению и реализации наложенных сетей управления и синхронизации (глава 1);

5

– получить практические навыки разработки и исследования моделей телекоммуникационного оборудования и межсетевого взаимодействия в среде моделирования (глава 2).

Рассматриваемые теоретические вопросы сопровождаются примерами и иллюстрациями, подготовленными автором в среде моделирования Scilab, что позволяет лучше усвоить представленный материал. В конце каждой главы приведены контрольные вопросы и задания для самостоятельной проверки понимания изученных тем.

Автор надеется, что настоящее пособие поможет студентам разобраться в подходах к проектированию инфокоммуникационных сетей и наложенных сетей управления и синхронизации, а также получить практические навыки моделирования и исследования инфокоммуникационных сетей для их успешной реализации в профессиональной деятельности.

6

Глава 1. ОСНОВНЫЕ ПОДХОДЫ К ПРОЕКТИРОВАНИЮ И ЭКСПЛУАТАЦИИ ИНФОКОММУНИКАЦИОННЫХ СЕТЕЙ

1.1. Базовые технологии, архитектура и топологии инфокоммуникационных сетей

Инфокоммуникационные технологии. Под архитектурой сети связи будем понимать совокупность взаимосвязанных сетевых технологий и соответствующих интерфейсов, реализованных с учетом структуры управления [1]. Она образует иерархическое дерево всей сети, начиная от транспортной сети и заканчивая пользовательскими интерфейсами в сети доступа. Совокупность стандартов на все интерфейсы, входящие в архитектуру сети, образует соответственно стандарты на архитектуру оборудования систем связи. Понятия архитектуры и структуры (топологии) сетей тесно связаны друг с другом и с используемыми при построении сети базовыми сетевыми технологиями. Образно говоря, архитектура сети – это дерево целей, корнями уходящее в транспортную сеть, а ветвями – к пользователям сети. Топология же сети в такой аналогии – это «парк», состоящий из определенных видов «деревьев», высаженных по проекту архитектора и образующих единый архитектурный ансамбль.

Под сетевыми технологиями будем понимать совокупность технологий цифровых систем передачи, обеспечивающих создание всего разнообразия каналов связи от пользователей сети к сетевым узлам и между узлами сети [2]. Базовые сетевые технологии для цифровых транспортных сетей обеспечивают организацию транспортных магистралей и интеграцию различных видов трафика в сети. На базе цифровых транспортных сетей формируется и создается все разнообразие выделенных цифровых каналов передачи (ЦКП) или связи (ЦКС), которые и образуют цифровые сети с коммутацией каналов. Базовыми сетевыми технологиями для транспортных сетей являются плезиохронная цифровая иерархия ПЦИ/PDH и синхронная цифровая иерархия СЦИ/SDH. В транспортных сетях используется иерархия скоростей передачи в соответствии с европей-

7

ским стандартом, описанным в международных рекомендациях ITU-T, который применяется на сетях связи в Российской Федерации (РФ).

Технология ПЦИ/PDH поддерживает следующие уровни иерархии цифровых каналов: абонентский или основной канал Е0 (64 кбит/с) и пользовательские каналы уровней Е1 (2,048 Мбит/с), Е2 (8,448 Мбит/с), Е3 (34,368 Мбит/с), Е4 (139,264 Мбит/с). Уровень цифрового канала Е5 (564,992 Мбит/с) определен в рекомендации ITU-T, но на практике обычно не используется. При этом цифровые каналы ПЦИ/PDH являются входными (полезной нагрузкой) для пользовательских интерфейсов сетей СЦИ/SDH. Применительно к европейскому стандарту интерфейс передачи Е1 (по стандарту G.703) ЦСП ПЦИ/PDH является входным каналом (полезной нагрузкой) для транспортной сети СЦИ/SDH, в которой они передаются по сетевым трактам в магистралях сети в виде виртуальных контейнеров соответствующего уровня.

Технология СЦИ/SDH, как это уже указывалось, поддерживает уровни иерархии каналов (по европейскому стандарту) со скоростями передачи 2,048 Мбит/с (пользовательский интерфейс потока Е1 по стандарту ITU-T G.703) и 155,520 Мбит/с, 622,080 Мбит/с, 2,488 Гбит/с и т.д. (интерфейсы передачи, соответствующие синхронным транспортным модулям формата кадров данных типа STM-N, где N = 1, 4, 16, 64, 256). В транспортной сети пользовательские интерфейсы, соответствующие синхронным транспортным модулям STM-N более низкого уровня, могут служить полезной нагрузкой для сетевых элементов сети СЦИ/SDH более высокого уровня иерархии.

Технология СЦИ/SDH основана на полной синхронизации цифровых каналов и сетевых элементов в пределах всей сети, что обеспечивается с помощью соответствующей системы синхронизации ЦСП и системы управления транспортной сетью. В транспортной сети СЦИ/SDH синхронная передача виртуальных контейнеров (упакованных и специальным образом помеченных кадров) соответствующего уровня позволяет получить доступ к низкоскоростным пользовательским каналам (полезной нагрузке) без демультиплексирования высокоскоростного цифрового потока. Технология

8

СЦИ/SDH позволяет с помощью соответствующих аппаратных и программных средств создавать одновременно три наложенные сети: транспортную для передачи полезной нагрузки, сеть управления и сеть синхронизации для передачи сигналов синхронизации.

На основе транспортной сети СЦИ/SDH можно создавать наложенные сети с коммутацией каналов, например, цифровые сети с интеграцией служб (ЦСИО (ISDN)) и коммутацией пакетов, в частности, сети Frame Relay (FR), сети асинхронного режима передачи (Asynchronous Transfer Mode – АТМ). Технология АТМ облегчила эту задачу, взяв за основу стандарты СЦИ/SDH в качестве стандартов физического уровня. Поэтому в транспортной сети СЦИ/SDH сеть АТМ может быть интегрирована поверх сети СЦИ/SDH как наложенная сеть, при этом образуются одновременно и транспортная, и вторичные сети и осуществляются функции сети доступа.

Технология АТМ разрабатывалась как единая универсальная транспортная технология нового поколения сетей с интеграцией услуг, так называемых широкополосных цифровых сетей с интеграцией служб (Ш-ЦСИС или В-ISDN). Однако технология АТМ, к сожалению, не стала в полной мере технологией транспортных сетей по целому ряду причин, которые в различных аспектах будут обсуждены ниже.

Уникальность технологии АТМ состоит в том, что она как транспортная технология совместима со всеми базовыми сетевыми технологиями глобальной сети (Интернет), основой которой является стек протоколов ТСР/IP, СЦИ (SDH), ПЦИ (PDH), Frame Relay и с сетевыми технологиями локальных сетей (Ethernet). Технология АТМ обеспечивает передачу в рамках одной транспортной сети различных видов трафика (голоса, видео, данных), имеет иерархию скоростей передачи в широком диапазоне (сегодня от 25 Мбит/с до 100 Гбит/с) с гарантированной пропускной способностью для ответственных приложений.

Технология АТМ не определяет новые стандарты для физического уровня сети, а использует существующие. Основным стандартом для технологии АТМ является физический уровень каналов сетевых технологий СЦИ/SDH и ПЦИ/PDH. Именно потому, что тех-

9

нология АТМ поддерживает все основные существующие виды трафика, она выбрана в качестве транспортной среды широкополосных сетей Ш-ЦСИС или В-ISDN. С другой стороны, технология АТМ имеет общие транспортные протоколы для локальных (ЛВС) и глобальных сетей и обеспечивает их взаимодействие.

Технологии Интернета или сети на основе стека протоколов TCP/IP (Transmission Control Protocol/Internet Protocol – протокол управления передачей/протокол Интернета) занимают особое положение среди сетевых технологий. Они играют роль сетевой технологии, объединяющей сети любых типов и технологий, включая глобальные транспортные сети всех известных технологий. Таким образом, сети на основе стека протоколов ТСР/IP относятся к сетевым технологиям более высокого уровня, чем сетевые технологии собственно глобальных транспортных сетей. При этом цифровые транспортные сети СЦИ/SDH, являясь основой для создания большинства наложенных телекоммуникационных сетей, позволяют интегрировать различные сетевые технологии в единую мультисервисную телекоммуникационную и информационную (инфокоммуникационную) сеть на физическом и канальном уровнях.

Появление оптических транспортных сетей с использованием

технологии спектрального или волнового мультиплексирования

(ВМП/WDM (Wave Division Multiplexing)) и плотного волнового мультиплексирования (ПВМП/DWDM (Dense Wave Division Multiplexing)) расширило возможности сетевых технологий в построении транспортных сетей. Указанные сетевые технологии ВМП/WDM и ПВМП/DWDM уже вышли из исследовательских лабораторий и находятся среди освоенных промышленных технологий, которые органично сочетаются и интегрируются с технологией синхронной передачи СЦИ/SDH.

Таким образом, современный уровень развития сетевых технологий цифровых глобальных сетей позволяет при планировании архитектуры и разработке топологии цифровых транспортных или магистральных сетей и корпоративных сетей использовать следую-

щие базовые технологии:

– TCP/IP: технология Интернета, основой которой является стек протоколов ТСР/IР;

10