Учебно-исследовательский комплекс сетей с коммутацией каналов и пакетов

Оборудование

Среди проблем в области сетевых технологий важное место занимает подготовка и переподготовка кадров. Это обусловлено постоянным обновлением сетевых технологий. Настоящее время характеризуется переходом предприятий связи на технологии пакетной коммутации. Причем в настоящее время совместно работают как устройства сетей с коммутацией каналов, так и аппаратура пакетной коммутации. При этом оборудование с коммутацией каналов предо ставляет услуги транспорта для сетей с коммутацией пакетов. Поэтому появилась необходимость обучения студентов технологиям совместного функционирования оборудования с коммутацией каналов и аппаратуры с коммутацией пакетов.

В связи с этим в рамках НИР по разработке учебно-методических комплексов с интерактивным обучением по дисциплинам базовой кафедры ОАО «Ро стелеком» в ПГУТИ был создан учебно-исследовательский комплекс, включающий модульное сетевое транспортное оборудование (МСТО), а также коммутаторы и маршрутизаторы фирмы Cisco.

Внешний вид учебно-исследовательского комплекса приведен на рис. 1. В двух телекоммуникационных шкафах размещена аппаратура Cisco (шесть маршрутизаторов 2800 и шесть коммутаторов Catalyst 2960). Сверху размещен корпус 19″ с модулями МСТО. Оборудование МСТО представляет собой мультисервисную транспортную платформу уровней STM-1, STM-4, построенную на модульном принципе.

МСТО разработано на кафедре ЛС и ИТС ПГУТИ, серийно производится в ОАО «Юрьев Польский завод «Промсвязь». Внешний вид оборудования, размещенного в двух корпусах 19″, приведен на рис. 2.

Рис. 1. Учебно-исследовательский комплекс

Рис. 2. Внешний вид МСТО

В МСТО за основу были взяты следующие принципы.

Отказ от шины Telecom BUS. Связь между составными частями сетевого элемента осуществляется в последовательном коде через оптические волокна кабелей. На завершающем этапе работы реализуется связь между конечными узлами учебной сети (А и В соответственно), пред- ставленной на рис. 5. Использование Web-камеры позволяет организовать видеоконференцию между преподавателем и студентами, которые также находятся в данной сети. Помимо этого, каждый студент имеет полный доступ к оборудованию, что позволяет им осуществлять управление, настройку и конфигурацию данной системы под наблюдением преподавателя.

Сетевой элемент состоит из нескольких конструктивно законченных и функционально самостоятельных компонентов (модулей), что обеспечивает возможность масштабирования в соответствии с требованием потребителя. Каждый модуль может быть исключен из одного сетевого элемента и включен в другой сетевой элемент.

Открытая архитектура. Каждый сетевой элемент оборудования состоит из линейного модуля, решающего основные функции и являющегося наиболее дорогостоящей частью, и нескольких трибутарных модулей, обеспечивающих поддержку определенных интерфейсов (E1, STM-1, STM-4, F, G и т.д.).

При создании модулей используются программируемые логические интегральные схемы (ПЛИС). Логика функционирования ПЛИС конфигурируется потребителем микросхем, то есть разработчиком модулей МСТО, с помощью программатора. Это позволяет разработчикам создавать модули с рациональными аппаратными затратами в зависимости от назначения модуля. Кроме того, это повышает защищенность сетевых устройств, так как программирование проводит пользователь, что снижает возможность закладки вредоносных программ.

В модулях МСТО применяются микросхемы программируемой логики (Field Programmable Gate Array – FPGA), которые обычно используются для обработки сигналов. Заменой программы линейного модуля и установкой определенных трибутарных модулей можно трансформировать один и тот же сетевой элемент оборудования для решения самых различных задач.

Один и тот же сетевой элемент можно использовать для решения различных задач с минимальными издержками путем замены программы линейного модуля и установки различных трибу-тарных модулей. Для присоединения различного типа кабелей к оборудованию МСТО используются унифицированные модули SFP (Small Formfactor Pluggable), которые представляют собой компактные приемо-передатчики (трансиверы) промышленного стандарта.

На рис. 3. показан внешний вид модулей М4 и GE с трансиверами SFP. В оборудовании используется два вида модулей: линейные и трибутар-ные. Линейные модули (мастер-модули М4 и М1) обеспечивают передачу данных по высокоскоростным волоконно-оптическим линиям.

Рис. 3. Внешний вид модулей M4 и GE

Мастер-модуль М4 для передачи потоков уровня STM-4 (см. рис. 3) имеет два независимо конфигурируемых линейных интерфейса уровня STM-4 (линия 1, линия 2) приемо-передатчиков Тх, Rx. Кроме того, на переднюю панель выведены разъем для ввода или вывода сигнала синхронизации (Т3, Т4) и разъем подключения к системе управления (Упр). Контроль и управление оборудования МСТО осуществляется через интерфейс 10/100Base-T системами управления «МСТО-Модуль» или «МСТО-Сеть». Синхронизация модуля М4 производится от внутреннего или внешнего источника, а также от агрегатных или компонентных сигналов.

Мастер-модуль М1 предназначен для передачи потоков уровня STM-1. Остальные параметры аналогичны мастер-модулю М4.

Трибутарные модули совместно с мастер-мо-дулями позволяют создавать различные сетевые элементы.

Трибутарный модуль Е1 позволяет реализовать ввод-вывод семи потоков Е1 (2048 кбит/c). Интерфейс – электрический G.703.

Трибутарный модуль S1 позволяет реализовать ввод-вывод 4 потоков SТМ-1. Тип интерфей- са – электрический G.703 или оптический G.957, G.692 (CWDM).

Трибутарный модуль F может реализовать ввод-вывод 4 потоков Fast Ethernet через интерфейсы 100 BASE-ТX стандарта IEEE 802.3. Разъем – электрический 8Р8С (RJ-45).

Трибутарный модуль GE может реализовать ввод-вывод 2 потоков Gigabit Ethernet через интерфейсы 1000 BASE-ТX. Разъем – электрический 8Р8С (RJ-45).

Из вышеприведенных линейных и трибу-тарных модулей МСТО можно создать различные типы транспортных сетевых элементов. В качестве примера можно отметить коммутатор КМ1×8FЕ, мультиплексоры МДМ1×21Е1 и МДМ4×4S1.

Коммутатор КМ4х8FE состоит из линейного модуля М4 и необходимого количества (от 1 до 2) трибутарных модулей F (см. рис. 4). Меняя три-бутарные модули и программное обеспечение, можно реализовать другие типы сетевых элементов, например мультиплексоры МДМ1×21Е1 и МДМ4×4S1.

Рис. 4. Внешний вид коммутатора КМ4х8FE

Система управления «МСТО-Модуль» предназначена для управления одиночным модулем (сетевым элементом) оборудования МСТО-N производства ОАО «Юрьев Польский завод «Промсвязь» в процессе эксплуатации и в режиме пусконаладки. Связь с управляемым модулем осуществляется по сети Ethernet (10/100) с применением стека протоколов передачи данных TCP/ IP. Для подключения рабочей станции к модулю используется стандартный разъем 8Р8С (RJ45). Скорость обмена данными между рабочей станцией и сетевым элементом – до 100 Мбит/сек. Простой графический интерфейс пользователя предоставляет прямой доступ к различным функциональным блокам сетевого элемента.

Система управления «МСТО-Сеть» предназначена для контроля и управления оборудованием МСТО-N в транспортных сетях свободной конфигурации. Система управления «МСТО-Сеть» обеспечивает подключение до 128 сетевых элементов, к каждому из которых возможен полный доступ для его конфигурирования и верификации его состояния.

Управление сетью возможно через любой сетевой элемент, связь с которым реализуется по сети Ethernet (10/100), с применением стека протоколов TCP/IP. При конфигурировании используется простой графический интерфейс пользователя (см. рис. 5).

Рис. 5. Графическое изображение транспортных элементов в СУ «МСТО-Сеть»

Возможна организация доступа к управлению сетью по нескольким приоритетным уровням по шкале «наблюдатель-администратор» путем авторизации пользователей с применением паролей. Система поддерживает журнал событий, что обеспечивает необходимый контроль над работоспособностью системы в процессе эксплуатации и локализацию мест аварий, а также оперативную настройку транспортных элементов для решения различных задач.

Методика обучения

В связи с развитием инновационных инфо-коммуникационных технологий возникла необходимость перехода на новый уровень обучения студентов по интерактивным методикам. Разработанная интерактивная методика проведения занятий на базе модульного сетевого транспортного оборудования МСТО, включая построение удаленного (дистанционного) доступа к системе управления оборудованием МСТО, обеспечивает освоение теоретического материала и получение практических навыков работы с оборудованием МСТО и Cisco.

Данная методика обучения позволяет в краткие сроки производить обучение студентов навыкам построения сетей на основе оборудования МСТО и Cisco, а также основам построения удаленного доступа к системе управления, что является важным критерием безопасности при эксплуатации оборудования в глобальных сетях. Удаленный доступ также может быть использован для дистанционного обучения студентов. Методика включает интерактивный курс лекций, практических занятий и лабораторные работы на оборудовании МСТО и Cisco.

Рис. 6. Схема лабораторной установки

Схема лабораторной установки, включающей четыре маршрутизаторa серии 2800 фирмы Cisco, четыре коммутатора Catalyst 2960, два коммутатора МСТО КМ4×8FE, приведена на рис. 6.

Данная схема позволяет моделировать сеть под удаленным управлением, что является важ- ным в современных технологических сетях. Полученные навыки могут быть применены для построения различных схем компоновки и взаимодействия оборудования. В ходе лабораторных работ студенты изучают все модули МСТО (линейные и трибутарные), с использованием сис-

Рис. 7. Модернизированная схема лабораторной установки

темы управления «МСТО-Сеть» конфигурируют сетевые элементы (коммутаторы и мультиплексоры). С помощью оборудования Cisco производится построение защищенного соединения (VPN). На завершающем этапе работы реализуется связь между конечными узлами учебной сети, пред- ставленной на рис. 6. Использование Web-камеры позволяет организовать видеоконференцию между преподавателем и студентами, которые также находятся в данной сети. Помимо этого, каждый студент имеет полный доступ к оборудованию, что позволяет им осуществлять управле- ние, настройку и конфигурацию данной системы под наблюдением преподавателя.

Модульный подход к построению аппаратуры на базе МСТО позволяет легко трансформировать схему лабораторной установки, например добавив мультиплексоры МДМ1×21Е1, позволяющие реализовать ввод-вывод до 21 потока Е1 (см. рис. 7).

Для проведения исследований на лабораторной установке используются анализатор «Беркут-ЕТ» для тестирования каналов Ethernet-10/100/1000 и прибор по паспортизации сетей синхронной циф- ровой иерархии «SA-4». Это позволяет не только изучать современные сетевые технологии, но и проводить научные исследования.