Zastosowanie urządzeń HDSL do łączenia sieci LAN

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. Modem Lacze HDSL Regenerator Lacze HDSL Rys. 1. Przykładowe łącze HDSL Modem 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 0,4 mm (zasięg w km) 0,6 mm (zasięg w km) 0,8 mm (zasięg w km) Przepływność na linii HDSL [kbit/s] 0 db -15 db Bez szumów 0 db -15 db Bez szumów 0 db -15 db Bez szumów 2320 1,95 2,4 2,6 3,05 3,8 4,2 3,8 4,7 5,2 2064 2,05 2,5 2,7 3,2 3,95 4,3 4,0 4,9 5,4 1168 2,6 3,5 3,8 4,05 5,5 6,0 6,6 8,9 9,7 784 3,0 3,7 4,0 4,7 5,85 6,4 7,6 9,4 10,3 528 3,3 4,0 4,4 5,15 6,3 6,9 8,3 10,1 11,1 400 3,55 4,0 4,4 5,55 6,3 6,9 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 S 0 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 LINK DATA LAN S0 LINE L1 L2 LT LINE NT POWER + - RS232 - konfiguracja Diody sygnalizacyj 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 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 HDSL V.35/G.703 LAN 2 V.35 10Base-T X.21 HDSL V.35/G.703 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. BIBLIOGRAFIA [1] NetGate Technical Description V. 1.40, Alcatel 2001 [2] Loges 2M RUP2LAN instrukcja obsługi, Teletra Komtrans Poznań 2001 [3] Opis systemu nadzoru ASMOS, Teletra Komtrans Poznań 2001 [4] Alcatel 1512 PL, Technical Description D 97, Alcatel 1998 [5] IP Network Address Translator (NAT) Terminology and Considerations, RFC2663, www.ietf.org, August 1999