V007342 Курсовая работа Анализ защищенности систем передачи на основе технологии CWDM

Оглавление

Содержание 2

ВВЕДЕНИЕ 5

1. Принципы построения ВОСП 7

1.1. Общие принципы построения ВОСП 7

1.2. Классификация волоконно-оптических систем передачь 7

2. Достоинства и недостатки ВОСП: 8

3. Способы уплотнения каналов используемые в ВОСП 9

3.1. Способы уплотнения каналов в ВОСП: 9

4. Системы WDM 10

4.1. Виды волнового уплотнения: 10

4.2. Обобщённая структура построения системы WDM 11

5. CWDM решения по спектральному уплотнению каналов 11

5.1. История и причины появления CWDM решений 11

5.2. Область применения CWDM 12

5.3. Условия, в которых целесообразно применение CWDM систем: 12

5.4. Технология CWDM 13

6. Оборудование CWDM 14

7. Разработка структурной схемы системы передачи 20

7.1. Исходные данные: 20

8. Расчет  хроматической  дисперсии. 21

9. Расчет  длины  элементарного  кабельного  участка ВОЛП 22

10. Расчет дисперсионных характеристик ОВ на ЭКУ 24

11. Расчет бюджета мощности 27

12. Расчет глаз-диаграммы 29

13. Физические принципы формирования каналов утечки информации в ВОСП. 33

14. Методы защиты информации передаваемой по волокну 39

ЗАКЛЮЧЕНИЕ 56

Список использованных источников 57

Обозначения и сокращения

ВЛ – воздушная линия связи

ВТ – волоконный тракт

ВОЛС – волоконно-оптическая линия связи

ВОСП – волоконно-оптическая система передачи

ЖК – жидкокристаллический (индикатор, дисплей)

ИК – инфракрасный

КОО - каналообразующее оборудование;

КЛ – кабельная линия связи

ЛС – линия связи

МОВ – многомодовое оптическое волокно

ОФМС – оборудование формирования многоканального сигнала

ОПер – оптический передатчик;

ОС – оборудование сопряжения;

Опр – оптический приемник;

ОРУ – оптическое развязывающее устройство (направленный ответвитель)

ОВ – оптическое волокно

ОК – оптический кабель

ООВ – одномодовое оптическое волокно

НСД – несанкционированный доступ

ПМД- Поляризационная модовая дисперсия

ПЗС – прибор с зарядовой связью

СОР – сигнал обратного рассеяния

УСО (или MUX - мультиплексор) – устройство спектрального объединения

УСР (или DMUX - демультиплексор) – устройство спектрального разделения

ФПрУ – фотоприёмное устройство

АРС – angled physical contact, угловой физический контакт

CWDM (Coarse WDM) – грубое уплотнение каналов

DWDM (Dense WDM) – плотное уплотнение каналов

DFB – Distributed Feedback

DC – Dispersion Compensating)

EDFA – Erbium Doped Fiber Amplifier

FC – flat connectors

ММ – multimode, многомодовое

MDM – mode division multiplexing

NZDSF-волокна со смещенной ненулевой дисперсией

OTDR – Optical Time Domain Reflectometer – оптический рефлектометр во временной области

PDM – polarization division multiplexing,

РМ – Polarization Maintaining

PC – physical contact, физический контакт

WDM – wavelength division multiplexing,

HDWDM (High Dense WDM) – сверхплотное уплотнение каналов

SWDM – Coarse Wavelength Division Multiplexing

SC – subscriber connector, подключаемый коннектор

SPC – super physical contact, суперфизический контакт

ST – straight tip

SF – standart fiber, стандартное волокно

SFP - Small Form Factor Pluggable

SМ – single mode, одномодовое

UPC – ultra physical contact, ультрафизический контакт

ВВЕДЕНИЕ

На современном этапе развития общества в условиях научно технического прогресса непрерывно возрастает объем информации. Как показывают теоретические и экспериментальные (статистические) исследования, продукция отрасли связи, выражающаяся в объеме передаваемой информации, возрастает пропорционально квадрату прироста валового продукта народного хозяйства. Это определяется необходимостью расширения взаимосвязи между различными звеньями народного хозяйства, а также увеличением объема информации в технической, научной, политической и культурной жизни общества. Повышаются требования к скорости и качеству передачи разнообразной информации, увеличиваются расстояния между абонентами. Связь необходима для оперативного управления экономикой и работы государственных органов, для повышения обороноспособности страны и удовлетворения культурно-бытовых потребностей населения.

В эпоху научно-технической революции связь стала составным звеном производственного процесса. Она используется для управления технологическими процессами, электронно-вычислительными машинами, роботами, промышленными предприятиями т.д. Непременным и одним из наиболее сложных и дорогостоящих элементов связи являются линии связи (ЛС), по которым передаются информационные электромагнитные сигналы от одного абонента (станции, передатчика, регенератора и т.д.) к другому (станции, регенератору, приемнику и т.д.) и обратно. Очевидно, что эффективность работы систем связи во многом предопределяется качеством ЛС, их свойствами и параметрами, а также зависимостью этих величин от частоты и воздействия различных факторов, включая мешающие влияния сторонних электромагнитных полей.  

1. Принципы построения ВОСП

1.1. Общие принципы построения ВОСП

  Волоконно-оптические системы передачи (ВОСП) – это совокупность активных и пассивных оптических устройств и оптических линий передачи, обеспечивающая формирование, обработку и передачу оптических сигналов.

  Физической средой распространения оптических сигналов являются волоконно-оптические или, просто, оптические кабели и создаваемые на их основе волоконно-оптические линии связи (ВОЛС).  

В состав волоконно-оптической системы передачи (ВОСП) входят следующие технические средства:    

• Каналообразующее оборудование (КОО) тракта передачи;

• Оборудование сопряжения (ОС) тракта;

• Оптический передатчик (ОПер);  

• Оптический кабель;

• Оптический ретранслятор (ОР);

• Оптический приемник (ОПр);

• Оборудование сопряжения (ОС) тракта приема;

• Каналообразующее оборудование (КОО) тракта приема.

1.2. Классификация волоконно-оптических систем передачь

По типу применяемого каналообразующего оборудования:  

• Аналоговые волоконно-оптические системы передачи, если канало-образующее оборудование строится на основе аналоговых методов модуляции параметров гармонической несущей частоты;

• Цифровые волоконно-оптические системы передачи, если канало-образующее оборудование строится на основе импульсно-кодовой модуляции, дельта-модуляции и их разновидностей.

По назначению и дальности передачи:  

• Магистральные ВОСП, предназначенных для передачи сообщений на тысячи километров и соединяющих между собой центры республик, краев, областей, крупные промышленные и научные центры и др;

• Зоновые ВОСП, предназначенные для организации связи в административных пределах республик, краев, областей и протяженностью до 600 км;

• ВОСП для местных сетей, предназначенные для организации межстанционных соединительных линий на городских и сельских телефонных сетях;

• ВОСП для распределения информации, обеспечивающие связь между вычислительными машинами, организацию локальных компьютерных сетей и сетей кабельного телевидения.

2. Достоинства и недостатки ВОСП:

• Низкое затухание и возможность обеспечения расстояние между ретрансляторами не менее 100... 150 км;

• Высокая информационная пропускная способность  (терабиты в секунду);

• Производство оптических кабелей с малыми габаритными размерами и массой;

• Постоянное и непрерывное снижение стоимости производства оптических кабелей и совершенствование технологии их производства;

• Высокая защищенность от внешних электромагнитных воздействий и переходных помех;

• Высокая скрытность связи (утечка информации): ответвление сигнала возможно только при непосредственном подсоединении к отдельному волокну;

• Гибкость в реализации требуемой полосы пропускания: ОВ различных типов позволяют заменить электрические кабели в цифровых системах передачи всех уровней иерархии;

• Возможность постоянного совершенствования ВОСП по мере появления новых оптических волокон и элементной базы (без необходимости прокладки новых линий связи);

• ВОЛС относительно невосприимчивы к неблагоприятным температурным условиям и влажности и могут быть использованы для подводных кабелей;

• Безвредность во взрывоопасных средах, отсутствие искрения и короткого замыкания, возможность обеспечения полной электрической изоляции.

3. Способы уплотнения каналов используемые в ВОСП

3.1. Способы уплотнения каналов в ВОСП:

• ВОСП со спектральным уплотнением или мультиплексированием с разделением длин волн (wavelength division multiplexing, WDM:

• ВОПС с частотным или гетеродинным уплотнением (f re quency division multiplexing, FDM).;

• ВОСП с временным уплотнением (time division multiplexing TDM);

• ВОСП с поляризационным уплотнением (polarization division multiplexing, PDM);

• ВОСП с модовым уплотнением (mode division multiplexing, MDM).

4. Системы WDM

 В классических волоконно-оптических системах передачи формируется только один оптический канал (работа ведётся на одной длине волны).

При этом максимальная скорость передачи информации ограничивается «электрической» частью системы (как правило, передающими модулями).

 Системы с волновым мультиплексированием (или, другими словами, с разделением каналов по длине волны) позволяют объединять сигналы оптических передатчиков, работающих на разныхдлинах волн, и передавать суммарный информационный поток по одному волокну, тем самым во много раз увеличивая общую пропускную способность системы передачи.

4.1. Виды волнового уплотнения:

• CWDM (Coarse WDM) – грубое уплотнение каналов – разнос длин волн между различными каналами составляет 20 нм; используются длины волн от 1270 до 1610 нм;

• DWDM (Dense WDM) – плотное уплотнение каналов – разнос между различными каналами значительно меньше, но составляет не менее 50 ГГц (0.05 нм); используются длины волн, как правило, диапазона 1525…1625 нм;

• HDWDM (High Dense WDM) – сверхплотное уплотнение каналов – разнос между различными каналами составляет 25, 12.5 ГГц и менее (0.025, 0.0125 нм и менее); используется диапазон DWDM.

4.2. Обобщённая структура построения системы WDM

 Сигналы от передатчиков, работающих на разных длинах волн, на передающей стороне с помощью волнового мультиплексора объединяются в один суммарный информационный поток, а не приёмной стороне – разделяются с помощью демультиплексора.  

Одним из основных узлов систем WDM являются волновые мультиплексоры и демультиплексоры. Существуют различные типы мультиплексоров и демультиплексоров, использующие различные физические явления (на основе селективно-отражательных фильтров, на основе волоконных брэгговских решёток, на основе объёмных дифракционных решёток и др.)  

5. CWDM решения по спектральному уплотнению каналов

5.1. История и причины появления CWDM решений

Технология спектрального уплотнения каналов с разделением по длинам волн появилась в начале 80-х годов и поначалу предназначалась для магистральных линий связи, но с 90-х годов WDM стала широко применяться в городских и региональных сетях MAN (Metropolitan Access Network). По мнению специалистов, развитие волоконной оптики и волоконно-оптических систем передачи, включая технологию WDM, несмотря на достигнутые успехи все еще находится в середине своего пути. Городские сети очень чувствительны к стоимости оборудования и для них наиболее интересной и перспективной технологией стало «неплотное» мультиплексирование с разделением по длине волны («разреженное» спектральное уплотнение) - CWDM

(Coarse Wavelength Division Multiplexing). Развитие систем WDM стало возможно благодаря улучшению технологии оптического волокна, позволившей на порядок расширить рабочую полосу пропускания оптического волокна: с 30 до 340 нм. Затухание в полосе пропускания плавно менялось в относительно небольших пределах: ±3 дБ, что в свою очередь позволило значительно (в 10-50 раз) увеличить шаг несущих и тем самым существенно упростить фильтрацию несущих на приемной стороне, исключив дорогостоящие элементы. Появился новый класс решений – CWDM. CWDM является технологией передачи данных, которая позволяет дуплексную передачу различных протоколов по оптическому волокну. Технология спектрального уплотнения применяется для более эффективного использования существующей волоконно-оптической инфраструктуры и повышения пропускной способности оптических волокон. Применение CWDM позволяет снизить затраты на прокладку нового оптического кабеля.

5.2. Область применения CWDM

Многие сети крупных городов не модернизировались уже десять лет. Постоянное увеличение трафика привело некоторые зоны к тому, что у них уже почти не осталось ресурсов для роста. Недостаточная пропускная способность сети, известная также под названием «истощение волокон», является той проблемой, которую операторы связи хотели бы разрешить незамедлительно. Добавление CWDM в оптическую транспортную систему является простым и экономически выгодным решением проблемы истощения (нехватки) волокон. По уже существующему оптическому волокну может производиться дополнительное обслуживание без прерывания обслуживания уже имеющихся абонентов.

5.3. Условия, в которых целесообразно применение CWDM систем:

• Городские и региональные оптические сети;

• Строительство сети в условиях дефицита ОВ (или высокой стоимости аренды ОВ);

• Необходимость увеличения пропускной способности существующих сетей на базе ВОЛС;

• Предоставление множества услуг по оптоволоконной паре;

• Построение оптических сетей для предоставления в аренду «виртуального» волокна.

CWDM решения независимы к различным протоколам передачи информации. Это позволяет создавать различные телекоммуникационные услуги в одной транспортной среде.

5.4. Технология CWDM

CWDM основывается на методе уплотнения оптических каналов, отстоящих друг от друга на расстоянии 20 нм. Принцип данного метода заключается в том, что каждый информационный поток передается по одному оптическому волокну на разной длине волны (на разной несущей частоте). С помощью специальных устройств – оптических мультиплексоров – потоки объединяются в один оптический сигнал, который вводится в оптическое волокно. На приемной стороне производится обратная операция – демультиплексирование, осуществляемая с применением оптических демультиплексоров. Это открывает поистине неисчерпаемые возможности как для увеличения пропускной способности линии, так и построению сложных топологических решений с использованием одного волокна.

Оптические каналы лежат в диапазоне от 1270 до 1610 нм, число возможных каналов передачи – до 18;

При выборе количества каналов следует обратить внимание на тип используемого одномодового волокна;

Например, в волокнах типа G.652B (волокно с водяным пиком на длине волны 1383 нм) на коротких длинах волн большие потери на излучение, в связи с этим допустимое расстояние передачи сокращается и количество CWDM каналов будет меньше требуемого.

Технология CWDM лучше всего подходит для построения каналов протяженностью до 80 км. Как правило, к этой категории относятся линии связи между узлами доступа и коммутационными центрами сети провайдера. Системы CWDM позволяют сэкономить немало средств на затратах построения и модификации волоконныхлиний, узлов, аренды волокна, обеспечивая высокую степень эффективности, безопасности, устойчивости и качества обслуживания соединений.

В системах CWDM, в соответствии с рекомендацией МСЭ G.694.2 следует использовать не более 18 несущих с шагом 20 нм: 1270, 1290, 1310 ... 1570, 1590, 1610, т.е. если общая требуемая ширина диапазона длин волн не превышает 340 нм. Следует учесть, что на краях такого широкого диапазона затухание достаточно велико, особенно в области коротких волн. Увеличить число каналов до 18 позволили так называемые волокна с нулевым водяным пиком (ZWPF, Zero Water Peak Fiber; LWPF, Low Water Peak Fiber), параметры которых определяет рекомендация ITU-T G.652.C/D. В волокнах данного типа устранен пик поглощения на длине волны 1383 нм и величина затухания на этой длине волны составляет порядка 0,31 дБ/км, что вполне приемлемо для систем CWDM.

Волокно G.653 оказалось непригодным для новой стремительно развивающейся технологии спектрального мультиплексирования WDM из-за нулевой дисперсии на 1550 нм, приводившей к резкому возрастанию искажений сигнала от четырехволнового смешения в этих системах. Наиболее приспособленным для плотного и высокоплотного WDM (DWDM и HDWDM) оказалось оптическое волокно G.655, а для разреженного WDM (CWDM) – недавно стандартизованное оптическое волокно G.656

6. Оборудование CWDM

CWDM системы являются частью сети оператора связи и устанавливаются между двумя или более узлами связи. Для того, что бы обеспечить работу CWDM системы на узле связи необходимо наличие активных сетевых устройств с достаточным суммарным количеством портов для установки CWDM SFP трансиверов. Такими сетевыми устройствами обычно являются коммутаторы и маршрутизаторы. В случае недостаточного количества активных сетевых устройств с необходимым суммарным количеством SFP портов возможно использование медиаконверторов со слотами под CWDM SFP трансиверы. Такое решение в ряде случаев так же является более экономически выгодным.

6.1.  Основные элементы CWDM систем:

• CWDM мультиплексоры/демультиплексоры (MUX/DEMUX); позволяют суммировать и разделять оптические сигналы.

• OADM модули - CWDM мультиплексоры ввода/вывода; позволяют выделить и добавить в волокно сигнал по определенным несущим.

• SFP CWDM модули (SFP трансиверы), формируют и принимают оптические сигналы (длины волн) вCWDM системе; переводят сигнал из электрического (активное оборудование) в птический и обратно.

Стоит обратить внимание на то, что мультиплексоры/демультиплексоры и CWDM SFP трансиверы работают в парах. Соответственно это оборудование Type I и Type II. Такая необходимость обусловлена тем, что каждый канал на разных концах имеет зеркальные значения по приему (RX) и передаче (Tx) т.к. сформирован из двух несущих (длин волн).

6.2. CWDM SFP трансиверы

SFP - Small Form Factor Pluggable является общепризнанным индустриальным форматом производства сменных трансиверов. Трансиверы SFP широко используются в активном сетевом оборудовании: маршрутизаторах, коммутаторах, медиаконверторах. Лазеры с распределенной обратной связью (DFB, Distributed Feedback), в случае использования в CWDM-системах, не требуют термической стабилизации, громоздких и сложных схем управления, являются малогабаритными, экономичными и имеют малую стоимость. Типичный DFB-лазер имеет температурную стабильность, что дает изменение генерируемой длины волны в пределах 6–8 нм в диапазоне температур 0–70°С.

CWDM SFP трансиверы предназначены для формирования оптических CWDM сигналов «основной несущей» с 1270 по 1610нм (шаг 20нм). Каждый SFP CWDM трансивер работает по двум волокнам и, в отличие от стандартных двухволоконных трансиверов 1000Base LX на двух разных длинах волн – приемник по одной длине волны и передатчик по другой. Для образования канала данных в системе CWDM SFP трансиверы комплектуются «попарно» - Type I и Type II.

В силу того, что CWDM системы являются пассивными, осуществление мониторинга состояния CWDM оборудования и всей трассы в целом в режиме реального времени представляется затруднительным. Для мониторинга в режиме реального времени (on-line мониторинга) используются CWDM SFP трансиверы с функцией DDM (Digital Diagnostic Monitoring). Функция DDM позволяет в режиме реального времени контролировать параметры, которые имеет SFP трансивер: мощность входящего сигнала (RX), мощность исходящего сигнала (TX), температурные параметры работы трансивера. Изменения данных параметров позволяют судить об износе CWDM системы и состоянии трассы в целом. Функция DDM также используется при оценке оптического бюджета CWDM решения. Сравнение данных SFP трансиверов позволяет определить реальные потери по несущим в волокне.

SFP трансивер так же отличаeтся по дальности своей работы (мощности сигнала). CWDM SFP трансивер имеет стандартный километраж 10 км, 20 км, 40 км или 80 км. Стандартный тип разъема для коннектора на SFP трансивере – LC.

6.3.  Оптические мультиплексоры

Оптический мультиплексор/демультиплексор предназначен для суммирования и разделения оптических сигналов, передаваемых на CWDM длинах волн по одномодовому (Single Mode) оптическому кабелю. Прибор предназначен для совместной работы с трансиверами SFP CWDM сигналов, образуя 4 или 8 каналов на 8-и или 16-ти длинах волн в одном волокне или до 32 каналов на двух волокнах. Устройства отличаются низким отражением сигнала, высокой изоляцией каналов и малыми потерями. WDM мультиплексоры являются устройствами двунаправленного действия, т.е. могут, как разделять, так и смешивать оптические сигналы.

В зависимости от поставленной задачи конфигурация CWDM мультиплексора/демультиплексора  (Mux/Demux) определяется по следующим характеристикам:

•  Двухволоконный мультиплексор (2 fiber);

• Одноволоконный мультиплексор (1 fiber (single fiber) или bidirectional);

• 4-х или 8-ми канальный мультиплексор (8 или16 длин волн), работающий на одном волокне;

• 8-ми или 16-ти канальный, работающий на двух волокнах;

• мультиплексор с двумя «общими» (COMMON) выводами для реализации «кольцевой» топологии;

• Для топологий «Точка-Точка» или «Кольцо» необходима «попарная» (порты Tx–Rx) комплектация мультиплексоров – Mux/Demux Type I , Mux/Demux Type II;

• Коннекторы – FC,SC,LC,ST,FA,SA;

6.4. Типы решений

Точка – Точка

Многие сети крупных городов долгое время не модернизировались. Постоянное увеличение трафика приводит к тому, что почти не остается ресурсов для роста. Недостаточная пропускная способность сети («истощение волокон»), является той проблемой, которую операторы связи хотели бы разрешитьнезамедлительно. Добавление CWDM системы с топологией «точка-точка» в оптическую транспортную систему является простым и экономически выгодным решением проблемы нехватки волокон.

CWDM cистемы с подобной топологией наиболее характерны в решении задач одновременной передачи большого числа потоков данных для увеличения количества предоставляемых сервисов (видео, голос и т.д.).При этом используются волокна уже существующей оптической транспортной сети. При этом режиме работы информация передается по каналам между двумя точками. Для успешной передачи данных на расстояние до 50-80 км необходимы мультиплексоры/демультиплексоры в тех узлах, где будет происходить объединение информационных потоков и последующее их разъединение.

При построении CWDM системы с топологией «Точка-Точка» необходимо использовать мультиплексоры/демультиплексоры Type I и Type II и к ним соответственно CWDM SFP трансиверы Type I и Type II.

Соединение с ответвлениями

Такая архитектура реализует передачу информации от одного узла к другому с промежуточными узлами на этом пути, где возможен ввод и отвод отдельных каналов с применением модулей OADM. Максимальное количество ответвлений определяется количеством дуплексных каналов передачи (например, 4 или 8) и оптическим бюджетом линии. При расчетах нужно помнить о том, что каждый OADM модуль вносит затухание, в результате чего общая протяженность тракта соответственно снижается. Оптический канал можно извлечь любой точке тракта.

6.5. Достоинства CWDM системы

• Экономия оптического волокна — CWDM система позволяет передавать по одному волокну до 8 каналов с пропускной способностью до 2,5 Gb/s на канал;

• Независимость от электропитания — питание необходимо только для активного оборудования;

• Отсутствие проблем «падения», перезагрузок и пр. - CWDM система является пассивной;

• Отсутствие необходимости организации постоянного доступа к местам размещения элементов CWDM системы — существуют OADM модули в исполнении для размещения в оптических муфтах;

• Снижение уровня влияния «человеческого фактора» - отсутствие активных компонентов, требующих настройки, управления и пр;

• Значительное снижение стоимости владения — снижение уровня эксплуатационных расходов;

• Относительно невысокая стоимость — удельная цена одного канала в CWDM системе ниже, чем в решении на активном оборудовании;

• Максимальная дальность работы CWDM системы составляет 80 и более километров;

• Независимость от клиентских протоколов - передача до 16-ти независимых сервисов по двум парам оптических волокон; прозрачность для всех протоколов передачи данных;

• Наличие различных видов оборудования для монтажа в различных условиях;