В последнее время у корпоративных пользователей и операторов связи все чаще возникает потребность в организации высокоскоростных цифровых каналов передачи информации. Однако на славном пути развертывания цифровых коммуникаций стоит одно достаточно серьезное препятствие – устаревшая кабельная инфраструктура. Имеющиеся кабели закладывались много лет назад и обладают, мягко говоря, не лучшими параметрами для передачи по ним цифровых потоков с высокой скоростью. Свою роль в этом играют и узкая полоса пропускания, и наличие существенных шумов в линии, и небольшой диаметр жилы кабеля. Добавим факторы, вызванные старением кабеля, например, низкое сопротивление изоляции, и получится довольно-таки неутешительная картина. Спасти ситуацию могли бы волоконно-оптические каналы связи, но, увы, их не так много, а прокладка новых стоит очень и очень дорого, что вряд ли по карману большинству организаций.

Именно по этим причинам интерес к xDSL-модемам в последние годы постоянно растет. Задача, которая ставится перед этими модемами, очень сложна – обеспечить качественную передачу данных, с минимальным количеством ошибок и наименьшими задержками по уже имеющимся кабелям. При этом желательно достичь максимальной скорости.

Одним из устройств, отвечающих заданным требованиям при весьма доступной цене, является продукт швейцарской фирмы Schmid Telecommunications – модемы серии Watson4. Несколько устройств этой серии было использовано в проектах, выполненных сетевым отделом фирмы "Интант". Модемы Watson4

Watson4 – это семейство модемов для выделенных линий, работающих по технологии MSDSL (Multi Speed Digital Subscriber Line), причем работают они на одной медной паре. Линейка модемов Watson4 содержит как модели с синхронными интерфейсами для подключения к конечному оборудованию – G.703 (balanced, unbalanced), V.35, X.21, так и модель с интерфейсом 10BaseT (Ethernet) и встроенным мостом (bridge). Разнообразие интерфейсов позволяет использовать модемы Watson4 в самых различных решениях – для соединения локальных сетей между собой, для подключения учрежденческой АТС к сети общего пользования, для организации абонентских выносов и т.д.

Технология MSDSL

Для передачи информации по выделенной линии модемы Watson используют уникальную технологию, основанную на CAP-модуляции, регулировании уровня приема и передачи, адаптивную систему согласования с линией.

Аббревиатура MSDSL расшифровывается как Multi Speed Digital Subscriber Line. В зависимости от состояния линии, может быть выбрана одна из нескольких скоростей передачи информации – от 144 Кбит/сек до 2048 Кбит/сек. При этом изменяется не только скорость передачи, но также метод модуляции и мощность передатчика (см. табл. 1).

Отметим, что метод модуляции CAP (Carrierless Amplitude and Phase Modulation — амплитудно-фазовая модуляция с подавлением несущей) обладает довольно невысокими энергетическими показателями и, кроме того, имеет узкую полосу сигнала. Эти два обстоятельства позволяют работать на медных кабелях с большим коэффициентом использования пар без существенных взаимных помех. Даже на высоких скоростях передачи информации модемы Watson не создают помех аппаратуре уплотнения, работающей по соседним в кабеле парам. Далеко не все модемы могут похвастаться таким качеством. Таблица 1.

Максимальная скорость передачи полезной информации (bitrate), Kbit/s	Скорость передачи информации по выделенной линии (linerate), Kbit/s	Метод модуляции	Мощность передатчика, dBm	Полоса частот передатчика, kHz
128	144	CAP-8	7.4	10-90
256	272	CAP-16	8.3	10-100
384	400	CAP-16	9.7	10-160
512	528	CAP-16	11.7	10-190
768	784	CAP-16	12.9	10-300
1024	1040	CAP-32	12.9	10-290
1536	1552	CAP-64	14.4	10-350

  Конструктивное исполнение

Модемы выпускаются в трех типах корпусов – настольный, Rack-mount - для установки в 19-ти дюймовый коммуникационный шкаф, для установки в кассету. О последнем варианте стоит сказать подробнее. Кассета для установки модемов позволяет организовать узел доступа высокой емкости. Кассета снабжена модулем управления и единым блоком питания для всех модемов, позволяет подключить резервный источник питания, и имеет 14 платомест для установки модемов. Таким образом, одна кассета может использоваться для установки до 14 модемов с единым надежным электропитанием и управлением. Электропитание

Модемы Watson4 имеют несколько вариантов электропитания: по переменному току (220В) и по постоянному току (60В или 48В). Последний вариант часто используется в крупных узлах связи. Кроме того, в линейке модемов Watson4 существует две модификации модемов – LTU и NTU. Отличаются они тем, что первый может подавать питание в линию, а второй может получать питание с линии. Естественно, для того, чтобы блок NTU мог получать питание с линии, на другом конце выделенной линии должен быть установлен модуль LTU (см. рис 1). Рис 1. Схема питания модулей LTU/NTU Управление

Управление – одна из самых сильных сторон модемов серии Watson4. Каждый модем снабжен коммуникационным портом RS-232C для подключения терминала или компьютера с эмулятором терминала. Система меню позволяет управлять множеством параметров модема, причем с терминала главного (Master) модема можно изменять параметры удаленного модема (Slave). Встроенная диагностика качества передачи информации и состояния линии позволяет просмотреть энергетические параметры линии, такие как мощность передатчика, усиление приемника, превышение сигнала над шумом. Возможно так же оценить качество передачи информации по стандарту ITU-T G.826. Согласно этому стандарту ведется накопительная статистика по времени работы, времени недоступности линии, числу сбойных пакетов, времени, в течение которого происходили сбои и т.д. Примеры использования модемов Watson4

Организация подключения двух УАТС

Для связи между собой двух УАТС (PBX - Private Branch Exchange), как правило, используются интерфейс G.703 с кадрами G.704 (поток Е1). В этом случае для организации такой связи могут быть выбраны модемы Watson4 с интерфейсом G.703 на коаксиальный кабель или витую пару. Схема соединений приведена на рис 3.

Рис 2. Межстанционное соединение с помощью модемов Watson4

Если линия достаточно длинная, то вероятна ситуация, когда модемы будут не в состоянии обеспечить полную скорость Е1, то есть 2048 Кбит/с. В этом случае важно понимать, каким образом будет происходить усечение потока. Передача данных в потоке Е1 происходит по так называемым тайм-слотам (time-slots). При конфигурировании УАТС необходимо обратить внимание на порядок и приоритет передачи тайм-слотов в потоке E1 при разных скоростях линии. В таблице 2 приведена информация о том, какие тайм-слоты будут передаваться при соответствующей битовой скорости на линии. Таблица 2

Битовая скорость, (kbit/s)	Передаваемые тайм-слоты
144	1 2
272	1 2 3 4
400	1 2 3 4 5 6
528	1 2 3 4 5 6 7 8
784	0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 16
1040	0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 16
1552	0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23
2064	0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31

Обратите внимание, при пропускании потоков Е1, модемы производят своего рода приоритезацию – тайм-слоты 0 и 16 передаются на скоростях 784Кбит и выше в обязательном порядке. Такое особое отношение к тайм-слотам 0 и 16 обусловлено тем, что в них передается служебная информация для взаимодействия между УАТС. А именно – информация о сигнализации – наборе номера, занятости линий и т.д. и информация о синхронизации – сигналы начала информационных кадров, контроль ошибок при передаче и т.д.

При организации цифровых каналов такого рода необходимо так же обратить особое внимание на синхронизацию цифровых интерфейсов – будь то G.703 или V.35.

Организация WAN-соединения между сетями

Модемы Watson4 позволяют организовать соединение между двумя локальными сетями, используя в качестве транспорта сеть PDH или SDH. Такое решение применимо в том случае, если расстояние между сетями велико и нет возможности организовать выделенную линию между ними – например, сети расположены в разных городах. В этом случае используются 4 устройства серии Watson4: два - с портами Ethernet и два - с портами, например, G.703. Схема соединений приведена на рис 3.

Рис 3. Схема соединений при организации WAN-соединения.

При описанной схеме работы, как и в предыдущем случае, требуется приоритезация тайм-слотов, но уже обратная – тайм-слоты 0 и 16 не должны заниматься, так как они используются для передачи информации сигнализации и синхронизации в сетях PDH.

В таблице 3 приведена информация о том, какие тайм-слоты будут передаваться при соответствующей битовой скорости на линии. Таблица 3

Битовая скорость, (kbit/s)	Передаваемые тайм-слоты
144	1 2
272	1 2 3 4
400	1 2 3 4 5 6
528	1 2 3 4 5 6 7 8
784	1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
1040	1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 17
1552	1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 17 18 19 20 21 22 23 24 25
2064	1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31

Отметим особо, что битовая скорость в канале, или так называемый "linerate", вовсе не обязательно соответствует скорости передачи полезной информации.

Соединение двух локальных сетей по выделенной линии

Модемы серии Watson4 позволяют организовать высокоэффективное соединение между двумя локальными сетями. Для этих целей существует модель со встроенным мостом (bridge). Мост производит анализ MAC-адресов фреймов Ethernet и если определяет, что адрес назначения принадлежит локальному сегменту, то не передает фрейм через медленный канал.



Рис 4. Организация связи между ЛВС с помощью модемов Watson4.

Разумеется, если сегменты сети, к которым подключаются модемы, достаточно велики, то необходимо принимать меры для предотвращения "засорения" медленного канала по выделенной линии широковещательными фреймами, которых может быть довольно много.

Частично разгрузить канал позволяет так называемая "компрессия малых фреймов". Это свойство моста модема Watson работает следующим образом. Как известно, минимальная длина фрейма в сети Ethernet составляет 64 байта. Причем, если полезной информации во фрейме передается меньше, чем 64 байта, происходит дополнение его до 64 байт. Таким образом, по сети может передаваться некоторое количество совершенно незначащей информации. Мост модема определяет такие фреймы и передает их по низкоскоростному каналу без незначащего заполнения. Поскольку фреймы малого размера чаще всего бывают широковещательными, то такой алгоритм позволяет ощутимо разгрузить относительно медленный межсетевой канал.

Поскольку в настоящее время при организации локальных сетей довольно часто применяются коммутаторы, то дополнительная фильтрация внутрисегментного трафика зачастую не нужна. Программное обеспечение модема Watson4 позволяет отключить эту функцию. В этом случае встроенный в модем мост прозрачно пропускает через себя все пакеты, поступающие на порт Ethernet (см. рис 5).

Рис 5. Подключение модемов Watson к коммутаторам Ethernet.

В таком режиме становятся доступными некоторые "хитрые" варианты использования модемов. Одним из таких вариантов является организация резервных каналов с помощью протокола STP (Spanning Tree Protocol). Пример приведен на рис. 6.

Рис 6. Организация резервного канала с помощью модема Watson.

Поскольку функции моста в модемах отключены, модемы прозрачно пропускают все пакеты, попадающие на их Ethernet-интерфейсы. Коммутаторы будут полагать, что они соединены напрямую через Ethernet 10 Мбит. При работе протокола Spanning Tree, канал, образованный с помощью модемов будет заблокирован, так как он обладает меньшей пропускной способностью. При нарушении работы основного оптического канала, произойдет разблокирование резервного канала по медным проводам. Таким образом, можно добиться повышения надежности сети.

Серьезными проблемами при такой организации резервного канала могут стать полоса пропускания и переполнение резервного канала широковещательными пакетами. Методом решения этих проблем является тщательная настройка виртуальных сетей с целью ограничения доступа к резервному каналу только необходимых рабочих станций в сетях. Результаты тестирования модемов Watson

Методика тестирования

Тестирование проводилось в двух вариантах – на реальной выделенной линии и на стендовой эмуляции выделенной линии.

Для тестирования модемы подключались к выделенной линии, к Ethernet-портам модемов подключались рабочие станции. На одной из станций был установлен ftp-сервер (см рис 7).

Тестирование заключалось в передаче значительных объемов информации (100Мбайт) и измерении уровня ошибок средствами встроенной в модем диагностики качества линии.

Рис 7. Схема тестирования.

Показателями качества линии являются:

Энергетические показатели: мощность передатчика коэффициент усиления сигнала приемником коэффициент превышения сигнала над шумом

Показатели стандарта G.826, базирующиеся на анализе ошибок в блоках информации путем просчета контрольной суммы CRC6: Общее число сбойных блоков Количество времени, в течение которого встречались сбойные блоки Количество времени, в течение которого количество сбойных блоков превышало 30% от общего количества блоков (множественные ошибки) Отношение времени, в течение которого встречались сбойные блоки к общему времени работы линии Отношение времени, в течение которого происходили множественные ошибки к общему времени работы линии Отношение количества сбойных блоков к общему количеству переданных блоков Размер пакета составляет 4632 бита или 579 байт при скорости 1536 Кбит/с. При меньших скоростях размер пакета уменьшается, но при этом количество пакетов, передаваемых в единицу времени, неизменно. Правильность передачи пакета проверяется с помощью контрольной суммы CRC6. При неправильной передаче пакет отбрасывается. Контроль потери пакетов и повторная передача данных в случае необходимости возлагается на протоколы высшего уровня. Тестирование на реальной линии

Тестирование на реальной линии происходило на действующей выделенной линии весьма невысокого качества. Длина линии составляет порядка 5-ти километров. Сопротивление короткозамкнутого шлейфа составляет 1576 Ом. Диаметр жилы кабеля по трассе составляет 0.4 мм. До установки модемов Watson4 на этой линии работали только модемы Zyxel со скоростью 19200 бит/сек.

Так как выделенная линия, использованная при тестировании, состоит из двух пар проводов, а для работы модема Watson достаточно одной пары, то сначала выбиралась пара с лучшими показателями, и потом уже тестирование проводилось на ней.

На первой паре максимальная скорость составила 272Кбит/сек. На второй паре – 528 Кбит/сек. При включении обеих пар параллельно (эффект увеличения диаметра жилы), добиться соединения удалось только на скорости 144Кбит/сек – очевидно, сказалась разница в длине кабеля в разных парах.

После таких предварительных измерений для тестирования была выбрана вторая пара, и установлено соединение на скорости 528Кбит/сек, при этом скорость передачи полезной информации составила 512Кбит/сек.

Параметры обоих модемов одинаковы (кроме позиции Master/Slave):

~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~ Local Configuration Id : Ethernet ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~ Ethernet UTP full duplex : Off Bridge Filtering: Off Compression : On Bitrate : 08 x 64 = 00512 kbit/s HDSL Line Rate : 00528 kbit/s Master/Slave : Master Autorestart : Enabled ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~

Энергетические показатели линии таковы:

~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~ Local System Status V1.1 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~ SYNC: 02 OPS: 01 PWR:+14.90 GAIN:+39.60 SQ:+0.5 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
В первом тесте, при передаче файла с сервера на локальный диск клиентской машины были получены следующие значения количества ошибок:

~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~ G.826 Error Performance : CRC6 FEBE ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~ Errored blocks : 00000473 00002376 Errored seconds : 00000337 00000679 Severely errored seconds : 00000001 00000001 ESR [%] : 16.87 34.00 SESR [%]: 0.05 0.05 BBER [%]: 0.14 0.71 Available time : 0000199 00001997 Unavailable time : 00000000 00000000 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~

Отметим, что колонка CRC6 показывает количество ошибок на приеме локального модема, а колонка FEBE – удаленного модема.
Переданных байт:

ftp: 104859648 bytes received in 1921.95Seconds 54.56Kbytes/sec.

Во втором тесте, при передаче файла с локального диска клиента на сервер:

~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~ G.826 Error Performance : CRC6 FEBE ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~ Errored blocks : 00000084 00000502 Errored seconds : 00000064 00000168 Severely errored seconds : 00000000 00000000 ESR [%] : 20.18 52.99 SESR [%] : 0.00 0.00 BBER [%] : 0.15 0.94 Available time : 00000317 00000317 Unavailable time : 00000000 00000000 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~Файл был взят приблизительно в 10 раз меньшего размера:

ftp: 9689600 bytes sent in 203.94Seconds 47.51Kbytes/sec.

Третий тест – совместная передача файлов в обоих направлениях:
~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~ G.826 Error Performance : CRC6 FEBE ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~ Errored blocks : 00000011 00000102 Errored seconds : 00000009 00000044 Severely errored seconds : 00000000 00000000 ESR [%] : 4.00 19.55 SESR [%] : 0.00 0.00 BBER [%] : 0.02 0.27 Available time : 00000225 00000225 Unavailable time : 00000000 00000000 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~Передано/принято данных:

ftp: 9689600 bytes sent in 200.70Seconds 48.28Kbytes/sec.

ftp: 9689600 bytes received in 177.69Seconds 54.53Kbytes/sec.

Тестирование на стендовом эмуляторе выделенной линии

В качестве эмуляции выделенной линии применялся кабель типа «витая пара» категории 5 общей длиной 2440 метров смотанный в бухты.

Параметры модемов таковы:

~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~ Local Configuration Id : Ethernet ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~ Ethernet UTP full duplex : Off Bridge Filtering: Off Compression : On Bitrate : 32 x 64 = 02048 kbit/s HDSL Line Rate : 02064 kbit/s Master/Slave : Master Autorestart : Enabled ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~

Энергетические показатели линии:

~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~ Local System Status V1.1 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~ SYNC: 02 OPS: 01 PWR:+14.90 GAIN:+12.60 SQ:+14.5
~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~

При передаче файла с видеоданными, объемом 586968Кбайт, было получено всего 3 сбойных блока. Резюме

Подводя итог, можно сказать, что модемы серии Watson4 – это мощные, гибкие и функциональные устройства, позволяющие решать множество задач. От конкурирующих продуктов их отличает более развитая система управления, большая гибкость в выборе скорости передачи в зависимости от состояния линии и большое разнообразие интерфейсов для согласования с конечным оборудованием.