Ćwiczenie 12

Badanie jakości transmisji w sieci

Niniejsze ćwiczenie pozwala na:
• badanie jakości transmisji sieci komputerowej zbudowanej na pasywnych sprzęgaczach światłowodowych.

1. Zastosowanie pasywnych rozdzielaczy światłowodowych w sieciach komputerowych

Zastosowanie światłowodów jako medium transmisyjnego w systemach telekomunikacyjnych było ogromnym krokiem w kierunku zwiększenia szybkości transmisji. Uzyskano obecnie szybkości transmisji danych sięgające 1Tb/s [1].

Ewolucji podlegają również lokalne sieci komputerowe. Przewiduje się upowszechnienie szybkości transmisji do 1Gb/s w roku 2005. Najpopularniejszym ze stosowanych obecnie systemów w lokalnych sieciach komputerowych jest system typu Ethernet. System ten może wykorzystywać różne media transmisyjne, między innymi światłowody. Jednak dzielenie i łączenie sygnałów transmisyjnych w obecnie budowanych sieciach odbywa się poprzez urządzenia aktywne.

Poniżej przedstawiono koncepcję lokalnej sieci komputerowej, zbudowanej w oparciu o światłowodowe rozdzielacze pasywne. Zaletami rozdzielania sygnałów w sposób pasywny jest możliwość bezpośredniego przejścia na większe prędkości transmisji (nawet do 1Gb/s dla światłowodów jednomodowych) bez wymiany medium fizycznego, a także możliwość stosowania takich sieci w warunkach ekstremalnego narażenia na zakłócenia elektromagnetyczne oraz brak potrzeby doprowadzenia zasilania do pasywnych hubów.

2. Wybór konfiguracji do realizacji sieci pasywnej.

Projektując sieć LAN należy wyróżnić takie jej elementy jak [2]:

• topologia fizyczna (np. magistrala, pierścień, drzewo, gwiazda),

• topologia logiczna (reguły komunikacji),

• typy połączeń (komutacja obwodów, pakietów, komunikatów).

Każda z wymienionych topologii fizycznych sieci może być zrealizowana w oparciu o pasywne sprzęgacze światłowodowe. Jednak, w przypadku topologii magistrali, pierścienia i drzewa, występują duże różnice mocy sygnałów na odbiornikach pochodzące od różnych stacji nadawczych, a moc pojedynczej stacji nadającej dociera do poszczególnych odbiorników z różnymi poziomami. Budowa takiej sieci wymaga rozwiązania wielu problemów technicznych dla zapewnienia prawidłowego jej działania. Jedynie topologia gwiazdy pozwala na prawie równomierny podział mocy każdej stacji nadawczej na wszystkie stacje odbiorcze, co upraszcza konstrukcję sieci.

Topologia logiczna gwiazdy pasywnej może być dowolnie wybrana. Możliwa jest komunikacja podobna do komunikacji stosowanej w sieciach typu FDDI, ale najdogodniejszym sposobem komunikacji dla tego typu sieci jest zasada CSMA/CD, co wynika z dużego podobieństwa sieci pasywnej do kanału otwartego. Z tych też względów, dla sieci LAN, wybierana jest komutacja pakietów.

Podsumowując najdogodniejszą topologią dla zastosowania pasywnego rozdzielania sygnałów w lokalnej sieci komputerowej jest topologia fizyczna gwiazdy, komunikacja typu CSMA/CD i zastosowanie komutacji pakietów. Taki zestaw elementów spotykany jest w najpopularniejszej obecnie sieci lokalnej - Ethernet, dlatego ten typ sieci został wybrany do budowy eksperymentalnej sieci pasywnej.

Rys. 1 .Przykład sieci LAN z wykorzystaniem światłowodowej gwiazdy pasywnej.

3.Elementy pasywnej sieci komputerowej.

Pojęcie światłowodowej sieci pasywnej nie jest jednoznaczne. Do wyboru jest wiele rodzajów światłowodów i wiele konstrukcji sprzęgaczy światłowodowych. Do najbardziej popularnych światłowodów zaliczyć można:

• światłowody wielomodowe 50/125μm i 62,5/125μm, dla długości fali 850nm

• światłowody wielomodowe 50/125μm i 62,5μm i jednomodowe 9/125μm dla długości fali 1300nm

• światłowody jednomodowe 9/125μm, dla długości fali 1550nm

• światłowody typu HCS 200/230μm dla długości fali 850nm

• światłowody plastikowe 900/1000μm dla długości fali 650nm

Każdy z tych rodzajów światłowodów może być z powodzeniem wykorzystany do budowy pasywnej sieci światłowodowej. Jednak ze względu na ich właściwości (tłumienność, pasmo itp.) osiągane będą różne zasięgi i prędkości transmisji.

Gwiazdy światłowodowe pasywne pełnią w sieci komputerowej rolę hubów. Rozdzielają sygnał pomiędzy poszczególne punkty w sieci w sposób całkowicie optyczny, nie regenerują go i nie wzmacniają. Zaletami ich, w stosunku do hubów aktywnych, jest to, że możne je umieszczać w miejscach, gdzie nie ma zasilania oraz szczególnie narażonych na zakłócenia elektromagnetyczne. Szybkości transmisji w tego typu układach mogą być zwiększone nawet do 1Gb/s (dla światłowodów jednomodowych) bez przebudowy fizycznej konfiguracji .

Ze względu na sposób rozdziału mocy świetlnej wyróżnia się dwa podstawowe typy gwiazdy pasywnej (Rys.2) - to gwiazdy transmisyjne lub odbiciowe.

Rys. 2 .Podstawowe typy gwiaz pasywnych: transmisyjna-a), odbiciowa-b).

Każdą gwiazdę pasywną można opisać za pomocą macierzy przejścia, zgodnie z normą [3].

(1)

gdzie t_ij jest stosunkiem mocy optycznej P_i wychodzącej z portu i do mocy P_j podawanej na port j

. (2)

Często parametry sprzęgacza przedstawia się przy pomocy miary logarytmicznej:

, (3)

gdzie współczynniki a_ij są wyrażone w dB tzn.

. (4)

Straty mocy pomiędzy portami wejściowym i, a wyjściowym j dla gwiazdy o podziale N, można przedstawić w następujący sposób:

, (5)

gdzie:

c_i , c_j - straty na złączach wejściowym i wyjściowym,

e_ij - tzw. straty nadmiarowe (wynikające z niedoskonałości technologicznych) przejścia z portu i do portu j,

N - krotność podziału gwiazdy,

W praktycznych przypadkach straty na złączach c_l wynoszą ok. 0,5dB (światłowód gradientowy 50/125), a straty e_ij około 1 do 4dB. Dla równego podziału mocy przez gwiazdę istotne jest, aby wszystkie straty nadmiarowe nie różniły się zbyt wiele.

Dowolna światłowodowa gwiazda pasywna, może być skonstruowana poprzez zespawanie wielu światłowodów równocześnie lub przez odpowiednie połączenia czteroportowych jednorodnych sprzęgaczy światłowodowych typu X. W obu przypadkach można uzyskać rozdzielanie mocy sygnałów w sposób równomierny, a straty na przejściach od punktów nadawczych do punktów odbiorczych są podobne. W przypadku konstrukcji gwiazd pasywnych na bazie niejednorodnych sprzęgaczy typu X rozrzut w wartościach a_ij można zmniejszyć poprzez zastosowanie odpowiednich algorytmów zestawienia sprzęgaczy o znanych parametrach.

Wielkość sieciowego segmentu (czyli liczba połączonych komputerów oraz odległości pomiędzy nimi) jest uzależniony od bilansu mocy, czyli od różnicy między poziomem mocy transmitowanej przez nadajnik P_TX i dynamicznego zakresu odbiornika P_RX, który powinien być większy od strat wprowadzanych przez sieć pasywną. Parametry te warunkują więc ilość węzłów dołączonych do podstawowego segmentu (straty wprowadzane przez gwiazdy rozdzielające) oraz rozmiar sieci (ilość złącz i długość torów światłowodowych).

4. Interfejs dla pasywnej gwiazdy światłowodowej

Z opisanej powyżej budowy i parametrów gwiazdy pasywnej wynikają modyfikacje jakim muszą ulec rozwiązania sieci Ethernet dla tego typu topologii w stosunku do znanych rozwiązań dla kabli BNC, TP albo też sieci światłowodowej FP. Ze względu na warstwową budowę sieci Ethernet modyfikacji ulega jedynie moduł MAU (Media Acces Unit), który musi spełniać wszystkie wymagania opisane w normie [4].

Ponieważ w przypadku gwiazdy pasywnej nadajniki nie mogą nadawać stałego poziomu mocy (jak w 10BASE-FL) zastosowano metodę generacji 200ns impulsów z częstotliwością ok. 70Hz. Odbieranie tego typu sygnału przez MAU informuje, że jest on podłączony do aktywnej sieci, w której nie odbywa się żadna transmisja.

Osobnym problemem jest sposób wykrywania kolizji. Ponieważ moc sygnałów pochodzących o poszczególnych stacji nadawczych może być różna (w pewnych granicach) nie można zastosować wykrywania kolizji przez testowanie amplitudy sygnałów tak jak to ma miejsce w przypadku topologii kabla BNC. Problem ten rozwiązać można na dwa sposoby [5,6,7,8].

Pierwsza metoda wykorzystuje fakt, że (w standardzie Ethernet 10Mb/s) typowy czas trwania stanu wysokiego w sygnale nie przekracza 100ns, a stanu niskiego nie jest mniejsza niż 50ns. Występowanie stanów logicznych o innych czasach trwania może być spowodowane jedynie wzajemnym nakładaniem się sygnałów. Wykrywanie kolizji polegać więc może na analizie czasu trwania stanu wysokiego lub stanu niskiego. Wystąpienie stanu wysokiego dłuższego od ok. 100ns lub stanu niskiego krótszego od 50ns (z pewną tolerancją wynoszącą np. około 10ns) interpretowane jest jako wystąpienie kolizji. Metoda ta jest najskuteczniejsza przy założeniu, że tłumienie sygnału optycznego pomiędzy poszczególnymi węzłami nie przekracza pewnej progowej wartości, powyżej której silniejszy sygnał może "przesłonić" słabszy i może nie dojść do prawidłowego wykrycia kolizji.

Druga metoda polega na oznaczaniu początku pakietu danych przez przesterowanie nadajnika na okres jednego bitu sygnałem o wielkości wielokrotnie większej od poziomu normalnego sygnału. Kolizja wykrywana jest wtedy, gdy w czasie odbierania pakietu danych odbiornik odbierze sygnał o amplitudzie wielokrotnie większej od normalnego poziomu, co oznacza, że inny nadajnik rozpoczął nadawanie pakietu. Sygnał kolizji generowany jest do momentu zakończenia jakiejkolwiek transmisji w medium. W tym przypadku różnice poziomu sygnałów pochodzące od różnych nadajników zależą od zastosowanego przesterowania nadajników znacznikiem początku pakietów i na ogół są większe niż w przypadku poprzednim .

5. Praktyczne realizacje sieci komputerowych

Poniżej przedstawiono dwie konfiguracje pasywnych sieci komputerowych Ethernet 10Mb/s. Dla budowy sieci komputerowej wybrano jako medium transmisyjne włókno światłowodowe gradientowe wielomodowe 50/125μm oraz gwiazdy kombinowane zbudowane ze sprzęgaczy typu X z tego samego włókna światłowodowego.

Zastosowano przetworniki firmy Allied Telesys, pracujące z nadajnikami w postaci diod LED o długości emitowanej fali 850nm przeznaczone do współpracy ze światłowodami gradientowymi 50/125μm. Konstrukcja tych przetworników wymaga, aby do odbiornika nie docierał sygnał własnego nadajnika. W związku z tym gwiazdy skonstruowano tak, aby istniała komunikacja pomiędzy wszystkimi komputerami, a jednocześnie aby komputer nadający nie odbierał sygnału własnego. Warunek ten został zrealizowany poprzez zastosowanie dwóch portów sprzęgacza X o dużej izolacji (Rys.3 i 4) jako portów nadajnika i odbiornika danego węzła. Dla tak skonstruowanych gwiazd zmierzono straty (elementy logarytmicznej macierzy przejść) za wyjątkiem elementów znajdujących się na przekątnej

Rys 3. Schemat gwiazdy pasywnej

(odbicie wsteczne sygnału wejściowego). W pokazanych macierzach wartości powyżej 20dB odpowiadają izolacji dla portów nadajnika i odbiornika danego węzła.

Na Rys.3 i 4 przedstawiono schematy gwiazd pasywnych łączących trzy i cztery komputery oraz ich macierze przejść. W obu przypadkach, mimo dużej nierównomierności strat zachowano parametry transmisji typowe dla sieci Ethernet 10Mb/s.

Sieci komputerowe zaprojektowane w pokazany powyżej sposób mogłyby zawierać

Rys 4. Schemat gwiazdy pasywnej

więcej niż cztery komputery, przy zastosowaniu odpowiednich gwiazd o równomiernych podziałach mocy. Ograniczeniem jest tylko bilans mocy układu. W przyszłości najkorzystniejsze wydaje się być zastosowanie komunikacji światłowodowej między komputerami z wykorzystaniem światłowodów i sprzęgaczy jednomodowych, ze względu na niskie straty tych sprzęgaczy (około 0,2dB dla sprzęgacza typu X ) oraz możliwość wprzęgnięcia tego typu sieci w większe systemy.

Zalecane pomiary:

Połączyć 2 a następnie 3 komputery za pomocą sprzęgaczy pasywnych. Zaobserwować szybkość komunikacji między jednostkami.

Literatura

1. R.Ramaswami, K.Sivarajan, Optical Networks, Morgan Kaufmann Pub.Inc.1999,

2. C. Brenton, Projektowanie sieci wieloprotokółowych, Exit, Warszawa 1998.

3. Norma IEC 875 -1, Fibre optic branching devices. Part 1: Generic specification. 1992

4. Norma: IEEE802.3, Information technology- Local and metropolitan networks. Part3: Carrier sense multiple access with collision detection (CSMA/CD) access method and physical layer specifications, 1998

5. B. Spinney, Ethernet porady praktyczne, Mikom,Warszawa 1996.

6. The Fibre Optic LAN Handbook , materiały firmowe firmy Codenool Techn. Corp.

7. F.W.Sholl and M.H.Coden, Data Receiver, Patent U.S.A nr. 4561091, 24.12.1985

8. F.W.Sholl, Method and apparaturs for detecting the collision of data packets, Patent U.S.A nr. 4560984, 24.12.1985

---