Zbigniew Siwek

Zbigniew Siwek,
Grzegorz Budzyń,
Robert Karczewski,
Piotr Tadrzak
Instytut Telekomunikacji i Akustyki
Politechniki Wrocławskiej
Zastosowanie urządzeń HDSL
do łączenia sieci LAN
STRESZCZENIE
W artykule przedstawiono różnorodne możliwości wykorzystania urządzeń HDSL do poszerzenia
możliwości współpracy pomiędzy odległymi geograficznie sieciami LAN. Zwrócono uwagę na możliwości
konfiguracyjne urządzeń HDSL, a także funkcje umożliwiające połączenie sieci LAN na różnych poziomach
modelu OSI. Omówiono połączenia bezpośrednie w oparciu wyłącznie o urządzenia HDSL, a także połączenia z
wykorzystaniem łączy innych operatorów. Prezentację tych rozwiązań oparto o urządzenia ALCATELA serii
LineRunner NetG@te
WSTĘP
Dynamiczny rozwój techniki komputerowej, a wraz z nim rozwój wszelkiego typu
narzędzi ułatwiających nie tylko rozwiązywanie zawiłych i skomplikowanych zagadnień
naukowych, ale także wspomagających codzienną pracę spowodował, iż trudno dziś sobie
wyobrazić instytucję, czy większe przedsiębiorstwo funkcjonujące bez wsparcia ze strony
szeroko rozumianej teleinformatyki. Co więcej, w dobie jak to się dziś określa „globalnej
konkurencji” wykorzystanie tych narzędzi staje się jednym z podstawowych elementów
przewagi nad innymi podmiotami na rynku. Podczas gdy jeszcze kilkanaście lat temu
wyposażone w kilkanaście pojedynczych stanowisk firmy uchodziły za silnie
skomputeryzowane, dziś na takie miano zasługują jedynie ci, którzy posiadają korporacyjny
intranet w oparciu o który funkcjonują rozwiązania klasy MRP (Manufacturing Resource
Planning) czy ERP (Enterprice Resource Planning), często wspomagane przez dodatkowe
moduły, np. CRM (Customer Relationship Management). Realizacja tych wszystkich
rozwiązań możliwa jest jednak jedynie przy zapewnieniu odpowiedniej bazy sprzętowej, na
której te rozwiązania mogłyby być posadowione. Wymaga zatem odpowiedniej infrastruktury
sieciowej. Większość funkcjonujących dziś firm posiada w swoich siedzibach sieci lokalne,
jednak dla sprawnego obiegu informacji konieczne jest połączenie poszczególnych sieci
funkcjonujących dotąd jako autonomiczne jednostki, w jedną wspólną sieć intranetową. W
zależności od fizycznej odległości poszczególnych LANów, oraz wymaganych
przepustowości pomiędzy nimi możliwe jest wykorzystanie różnorodnych technik i urządzeń
służących do ich łączenia. Począwszy od zwykłego połączenia telefonicznego, poprzez ISDN,
techniki xDSLowe, aż na szerokopasmowych łączach LMDS czy ATM kończąc. Większość
istniejących obecnie sieci LAN działa w oparciu o technologię Ethernet, która umożliwia
przesyłanie danych z prędkością 10 lub 100Mb/s. Sieci 100Mbit’owe są przy tym często
realizowane z pewną rezerwą, gdyż przeciętne zapotrzebowanie wykorzystywanych obecnie
aplikacji (z wyłączeniem szczególnych rozwiązań) zamyka się dla większości sieci LAN
poniżej wartości 10Mb/s. Z kolei połączenia realizowane za pośrednictwem telefonicznych
łączy modemowych, lub łączy ISND typu BRA, oferują zbyt wąskie pasmo. Aspekt ten
sprowadza się do konkluzji, iż rozwiązania oparte o łącza HDSL i SDSL są i zapewne jeszcze
długo będą, najbardziej odpowiednimi technikami do łączenia sieci LAN dla większości
obecnie funkcjonujących ich realizacji.
ŁĄCZE HDSL
Łącza HDSL realizowane są z wykorzystaniem modemów przeznaczonych do pracy
na liniach typowo telefonicznych (skrętka miedziana). Współcześnie produkowane modemy
wymagają zależnie od przepustowości jaką mają zapewnić jednej lub dwóm parom
przewodów. W początkowej fazie rozwoju techniki HDSL stosowano jeszcze rozwiązania
trzyparowe, dziś praktycznie nie spotykane. Zarówno zasięg jak i maksymalna możliwa do
osiągnięcia w danych warunkach przepustowość, są silnie zależne od parametrów
transmisyjnych toru. Zasięg takiego łącza można dodatkowo zwiększyć stosując po drodze
regeneratory sygnału. Należy jednak zaznaczyć, iż ilość możliwych do zastosowania
regeneratorów w pojedynczym łączu jest ograniczona. Przykładową realizację takiego łącza
przedstawia rys.1.
Lacze HDSL
Modem
Regenerator
Lacze HDSL
Modem
Rys. 1. Przykładowe łącze HDSL
W typowych warunkach zasięg takiego łącza zależny jest od prędkości transmisji oraz
przede wszystkim od tłumienia wnoszonego przez tor, które z kolei determinowane jest
głównie przez przekrój przewodów w użytej skrętce. Istotnym parametrem są też szeroko
rozumiane zakłócenia. Przykładowe zasięgi (dla odcinka bez regeneratora) na podstawie
danych badanych urządzeń przedstawia tabela 1.
Tabela 1. Zasięgi modemów 1512 PLR [4]
ETSI-kabel
Przepływność na linii
HDSL [kbit/s]
2320
2064
1168
784
528
400
0,4 mm (zasięg w km)
0 dB -15 dB Bez szumów
1,95
2,05
2,6
3,0
3,3
3,55
2,4
2,5
3,5
3,7
4,0
4,0
2,6
2,7
3,8
4,0
4,4
4,4
0,6 mm (zasięg w km)
0 dB -15 dB
Bez
szumów
3,05
3,8
4,2
3,2
3,95
4,3
4,05
5,5
6,0
4,7
5,85
6,4
5,15
6,3
6,9
5,55
6,3
6,9
0,8 mm (zasięg w km)
0 dB -15 dB
Bez
szumów
3,8
4,7
5,2
4,0
4,9
5,4
6,6
8,9
9,7
7,6
9,4
10,3
8,3
10,1
11,1
8,95
10,1
11,1
Do kodowania sygnałów cyfrowych w łączu transmisyjnym modemy HDSL
wykorzystują dwa typy kodowania: CAP i 2B1Q. Kodowanie typu CAP (Carrierless
Amplitude and Phase) zakłada podział pasma łącza transmisyjnego na dwie części z których
każda jest wykorzystywana do transmisji sygnału w przeciwnym kierunku. Kodowanie typu
2B1Q polega na przypisywaniu każdej parze symboli binarnych pojedynczego symbolu
ternarnego. Pozwala to na zmniejszenie częstotliwości przesyłu symboli w łączu, a tym
samym zmniejsza szerokość niezbędnego pasma. Łącza HDSL umożliwiają przesyłanie
danych z prędkością maksymalną ok. 2Mb/s (o ile nie została ona ograniczona programowo,
co jest możliwe w przypadku niektórych typów urządzeń). Większość urządzeń ponadto
adaptacyjnie przystosowuje się do parametrów linii umożliwiając transmisję z maksymalną
prędkością, jaką tylko na danej linii można osiągnąć. Niektóre urządzenia umożliwiają też
pracę w trybie protekcji, tj. dane transmitowane są po obu parach, ale w danej chwili
wykorzystywana jest tylko jedna, druga zaś pracuje jako łącze zapasowe. W przypadku
przerwania pary aktywnej, rezerwowa może przejąć na siebie zadania transmisyjne. To
rozwiązanie ma sens jedynie wtedy, gdy pary łączące modemy można poprowadzić różnymi
drogami, gdyż jednoczesne zerwanie dwóch par prowadzonych z dala od siebie jest mało
prawdopodobne.
MOŻLIWOŚCI MODEMÓW HDSL
Jednym z ciekawszych rozwiązań modemów HDSL dostępnych na rynku jest system
firmy ALCATEL znany pod nazwą A1512 wraz z jego odmianami (RUP2LAN, NetG@te).
Do zastosowań w segmencie małych firm jest przeznaczona wersja LineRunner NetG@te.
Cechą charakterystyczną urządzeń tej serii jest umieszczenie, w niewielkich rozmiarów
obudowie z tworzywa (rysunek 2), karty liniowej modemu HDSL oraz karty bridga/rutera.
Rys.2. Wygląd urządzenia LineRunner NetG@te [2].
Zastosowana karta modemowa umożliwia transmisję po jednej lub dwóch parach z
prędkością do 2320 kbit/s. Wykorzystanie dwóch par umożliwia zwiększenie zasięgu
urządzeń. Kolejną interesującą cechą prezentowanego urządzenia jest jego zdolność adaptacji
prędkości do poziomu zakłóceń w łączu. Adaptacja prędkości jest wykonywana całkowicie
automatycznie, aczkolwiek podczas procesu ustalania parametrów transmisji, przesył danych
zostaje zatrzymany. Na rysunku 3 przedstawiony został schemat wyprowadzeń urządzenia.
Należy zwrócić uwagę, iż złącze opisane S0 nie jest w obecnie dostępnej wersji systemu
wykorzystane. Dostępne złącze standardu RS232 umożliwia całkowitą kontrolę zarówno
części liniowej jak i ruterowej urządzenia.
W celu nadzoru i konfiguracji producent wyposażył przedstawiane urządzenia w system
nadzoru ASMOS (ang. Advanced Small Management Operation System). Umożliwia on
całkowitą kontrolę z terminala nad kartą liniową urządzenia. Za jego pomocą może
kontrolować parametry transmisji: ilość wykorzystanych linii, tryb pracy linii (z protekcją
1+1 lub bez), prędkość na styku liniowym oraz sposób zasilania modemów (lokalny lub
zdalny), jak również uzyskać wszelkiego rodzaju informacje, na przykład o zaistniałych
błędach.
MONITOR
LAN
S0
LINE
L1
L2
LINK DATA
LT
POWER
LINE
NT
+
Diody
sygnalizacyj
RS232 konfiguracja
Tryb pracy
HDSL LT/NT
-
Interfejs LAN
Złącze liniowe
HDSL
Rys. 3. Schemat tylnej płyty urządzenia NetG@te [2]
TOPOLOGIA POŁĄCZEŃ SIECI LAN PRZEZ HDSL
Konfiguracja możliwych połączeń sieci LAN za pośrednictwem urządzeń HDSL jest
zdeterminowana przede wszystkim odległością pomiędzy tymi sieciami, możliwościami
realizacji łącza przewodowego (poprowadzenia skrętki), a także w przypadku współpracy z
innymi systemami transmisyjnymi koniecznością zapewnienia odpowiednich styków dla tych
urządzeń. Ponadto od strony samych sieci LAN konieczne jest również dostosowanie
interfejsu modemowego do styku z siecią LAN.
Najprostszym przypadkiem połączenia sieci lokalnych LAN znajdujących się w
niewielkiej odległości od siebie (ale na tyle dużej że bezpośrednie ich połączenie ze sobą nie
jest możliwe) jest wykorzystanie do tego celu pojedynczego łącza HDSL. Schemat takiego
połączenia przedstawia rys.2.
LAN 1
Modem HDSL
Modem HDSL
LAN 2
Rys.4. Połączenie sieci LAN z wykorzystaniem pojedynczego łącza
Połączenia tego typu mogą znaleźć zastosowanie na terenie dużych i bardzo dużych
przedsiębiorstw, gdzie poprowadzenie toru przewodowego nie nastręcza większych trudności,
zwłaszcza administracyjnych. Rozwiązanie to ma również często uzasadnienie ekonomiczne,
kiedy niezbędne do połączenia modemów pary nożna wydzierżawić od operatora
telekomunikacyjnego. Zapewnienie poprawnej pracy takiego łącza wymaga również
odpowiedniego styku po stronie sieci LAN. Obecnie na rynku spotyka się urządzenia ze
stykami G.703, G.704, X.21, V.35 czy 10Base-T. Tylko styk 10Base-T zapewnia
bezpośrednie połączenie do sieci LAN (pod warunkiem że jest ona zrealizowana w
technologii Ethernet). Pozostałe wymagają urządzeń pośrednich, którymi z reguły są rutery
wyposażone w odpowiednie interfejsy. Częstokroć funkcje właściwe dla ruterów są konieczne
w miejscu takiego styku (zależy to od funkcji jaką pełni łącze, a ściślej od tego na której
warstwie ono pracuje, co zostanie omówione dalej), dlatego też urządzenia z interfejsem
10Base-T mają zaimplementowane pewne właściwe ruterom elementy.
Najczęściej jednak łączone sieci LAN leżą na tyle daleko od siebie iż budowa
bezpośredniego łącza przewodowego jest nieopłacalna lub wręcz ze względu na maksymalne
zasięgi modemów HDSL (także z wykorzystaniem regeneratorów) niemożliwa. Dzieje się tak
np. w przypadku konieczności połączenia dwóch oddziałów firmy znajdujących się w
różnych miastach wojewódzkich. Wtedy konieczne jest wykorzystanie do transmisji
zewnętrznego systemu teletransmisyjnego. Modemy HDSL wykorzystuje się wówczas do
doprowadzenia sygnałów do systemu teletransmisyjnego operatora sieci. Schemat takiego
połączenia sieci LAN przedstawia rys.3.
LAN 1
V.35
10Base-T
X.21
Modem HDSL
HDSL
V.35/G.703
Modem HDSL
LAN 2
V.35
10Base-T
X.21
HDSL
V.35/G.703
Modem HDSL
Modem HDSL
Rys.5. Połączenie sieci LAN z wykorzystaniem systemu teletransmisyjnego
Jak nadmieniono wcześniej, w tym przypadku konieczne jest zastosowanie modemów
pracujących po stronie systemu operatora wyposażonych w odpowiednie styki, najczęściej
v.35 lub G.703. W przypadku korzystania z systemu transmisyjnego operatora
telekomunikacyjnego, z reguły to on dostarcza (dzierżawi) modemy i zapewnia ich
prawidłową konfigurację. Modemy wykorzystywane po stronie systemu teletransmisyjnego
mają często postać kart modemowych umieszczanych w przystosowanych do tego celu
półkach o standaryzowanych rozmiarach. W każdym z omawianych wyżej przypadków dla
zwiększenia zasięgu łączy HDSL można zastosować regeneratory.
POŁĄCZENIA SIECI LAN NA PŁĄSZCZYŹNIE LOGICZNEJ
O logicznej realizacji połączeń pomiędzy sieciami LAN decyduje element znajdujący
się pomiędzy wyjściem interfejsu modemowego i siecią LAN. W przypadku zewnętrznych
ruterów będzie więc ona zależała od ich konfiguracji. W przypadku omawianych modemów
wyposażonych bezpośrednio w port 10Base-T, zaimplementowane w nich funkcje
umożliwiają przede wszystkim pracę tych urządzeń w dwóch trybach: bridga lub rutera. W
przypadku, gdy urządzenia pracują jako bridge, łączą one ze sobą sieci lokalne tak, iż
logicznie stanowią one jedną spójną sieć. Jedyną różnicą będzie maksymalna prędkość z jaką
terminale dołączone do dwóch połączonych łączem HDSL fragmentów sieci nie będą mogły
wymieniać informacji z pełną prędkością możliwą w sieci Ethernet, a jedynie możliwą do
przesłania w łączu HDSL. Połączenie takie odpowiada połączeniu na poziomie drugiej
warstwy modelu odniesienia OSI, bowiem pozwala na ukrycie przed elementami warstw
wyższych architekturę transmisyjną, nie naruszając przy tym integralności danych w warstwie
sieciowej. Wyjątkiem są tutaj funkcje zdalnego dostępu identyfikujące urządzenie po jego
adresie IP. Rozwiązanie to najczęściej stosuje się przy łączeniu dwóch sieci z
wykorzystaniem pojedynczego łącza HDSL. W takim przypadku konfiguracja podstawowa
urządzenia sprowadza się w zasadzie do ustawienia trybu pracy urządzenia jako bridge i ew.
przypisaniu adresu dla zdalnego dostępu.
Znacznie ciekawszym a jednocześnie znacznie bardziej skomplikowanym ale i
dającym większe możliwości trybem pracy jest praca w trybie rutera. Urządzenie umożliwia
wówczas np. dołączenie za jego pośrednictwem do sieci Internet czy sieci korporacyjnej,
niewielkiej sieci oddziałowej bez ponoszenia nakładów na sprzęt aktywny, z wyjątkiem
odpowiedniej ilości hub’ów lub switch’y. Konfiguracja takiego urządzenia wymaga
dodatkowo przypisania mu odpowiednich adresów, skonfigurowania protokołów i tablicy
rutingu oraz ew. tablicy NAT jeżeli urządzenie jest w taką wyposażone.
INTERFEJS SIECIOWY URZĄDZENIA NETG@TE
Interfejs sieciowy urządzenia LineRunner NetG@te umożliwia pracę w warstwie
drugiej lub trzeciej modelu OSI. Obecność karty bridga/rutera w urządzeniu umożliwia łatwe
połączenie sieci LAN bez konieczności zastosowania dodatkowych urządzeń. Konfiguracja
karty sieciowej może być wykonana na kilka sposobów:
- za pomocą bezpośredniego połączenia szeregowego,
- lokalnie przy pomocy aplikacji Telnet,
- zdalnie (WAN) przy pomocy aplikacji Telnet,
- zdalnie przez SNMP,
- zdalnie przy pomocy przeglądarki WWW obsługującej język JAVA.
Konfiguracja urządzenia jako bridg’a nie nastręcza żadnych trudności. Pracując jako
bridge transmituje przeźroczyście wszystkie dostępne protokoły Ethernetu, np. TCP/IP, IPX,
Apple Talk itp. W tym trybie urządzenie oferuje algorytm oplatającego drzewa (ang.
spanning tree algorithm), optymalizujący połączenia i chroniący przed powstawaniem pętli.
Wadami wykorzystania bridg’a w łączeniu sieci są ograniczenia na ilość urządzeń oraz
niemożność łączenia sieci o różnych adresach.
Wad tych pozbawiona jest konfiguracja z użyciem ruterów. Okupione jest to jednak
dużo większymi problemami konfiguracyjnymi. Konfiguracja karty tak, by urządzenie
pracowało jako ruter wymaga sporej znajomości problematyki sieci TCP/IP (urządzenie
pracując jako ruter wykorzystuje ten protokół). W urządzeniu wykorzystywana jest metoda
rutingu statycznego. Można określić do 64 ruterów wraz ze stowarzyszonymi z nimi sieciami.
Zaletą tablicy rutingu jest to, iż pakiety trafiają do miejsca przeznaczenia bezpośrednio, nie
doznając w sieci dodatkowego, niepotrzebnego opóźnienia. Możliwości funkcjonalne
prezentowanego urządzenia poszerza możliwość uruchomienia rutera NAT (ang. Network
Address Translation [5]), co pozwala na efektywniejsze korzystanie z adresów IP. Działając
w tej konfiguracji NetG@te analizuje wszystkie pakiety otrzymywane z sieci lokalnej,
zmieniając oryginalne adresy pakietów na dostępny adres publiczny wraz z odpowiednim
numerem portu. Pakiety otrzymywane z sieci WAN są analizowane pod kątem istniejących
połączeń (wyróżnikiem jest numer portu w pakiecie przychodzącym), a następnie są
przeadresowywane i przekierowywane do sieci lokalnej (rys. 6).
Oprogramowanie karty sieciowej urządzenia umożliwia monitorowanie zarówno
strony LAN, np. błedy, kolizja, połączenia, jak i strony WAN (tj. strony do które przypięty
jest moduł HDSL), np. interfejs G.703, błędy. W urządzeniu zawarto również wiele
programów służących do diagnostyki sieci, np. ping. Można je wywoływać w z poziomu
terminala.
Rys. 6. Przykład konfiguracji połączenia NAT [1].
Na rysunku 7 przedstawiona została przykładowa konfiguracja w jakiej mogą
pracować prezentowane urządzenia. Celem zastosowań modemów HDSL jest w tym
przypadku połączenie rozproszonych sieci danej firmy oraz zapewnienie zdalnego połączenia
do Internetu. W zależności od skonfigurowania części głównej sieci (tzn. mającej wyjście do
Internetu), urządzenia można skonfigurować jako bridge lub jako rutery. W sytuacji
przedstawionej na rysunku, ze względu na różne zakresy adresowe łączonych podsieci,
urządzenia A, B, C i D muszą być skonfigurowane jako rutery.
Rys. 7. Przykładowa konfiguracja pracy urządzeń NetG@te [1].
PODSUMOWANIE
Wymagania użytkowników końcowych w stosunku do jakości dostępu do Internetu
stale rosną. Z jednej strony, duża konkurencja wśród operatorów wymusza (w stosunku do
Polski należałoby raczej napisać – powinna wymuszać) coraz lepszą jakość usług za coraz
mniejszą cenę. Z drugiej strony operatorzy, by zarabiać, muszą obniżać koszty. Z tego
powodu wiele świetnych technologii nie ma większych szans na zaistnienie na rynku (np.
ATM). W tej swoistej walce o przetrwanie wygrają te, które zaoferują najkorzystniejszy
stosunek jakości do ceny. Obecnie liderami w tej dziedzinie są technologie xDSL a w
szczególności jego dwie odmiany: niesymetryczny ADSL oraz symetryczny HDSL. O ile
pierwsza z odmian jest interesująca dla indywidualnego użytkownika lub firm z segmentu
SOHO – tj. dla użytkowników korzystających z łącza wysoce niesymetrycznego, o tyle
HDSL nadaje się już dla większych firm pragnących, np. połączyć w sieć swoje, rozrzucone
geograficznie, oddziały. Zaprezentowane urządzenie firmy ALCATEL pokazuje, jak łatwe i
tanie może obecnie być tworzenie skomplikowanej sieci o dość sporej przepływności.
[1]
[2]
[3]
[4]
[5]
BIBLIOGRAFIA
NetGate Technical Description V. 1.40, Alcatel 2001
Loges 2M RUP2LAN – instrukcja obsługi, Teletra Komtrans Poznań 2001
Opis systemu nadzoru ASMOS, Teletra Komtrans Poznań 2001
Alcatel 1512 PL, Technical Description D’97, Alcatel 1998
IP Network Address Translator (NAT) Terminology and Considerations, RFC2663,
www.ietf.org, August 1999