Глава 1. Состояние вопроса и актуальность данной проблемы.
Волоконно-оптическая связь становится сейчас неотъемлемой частью не только современной техники, но и всего современного мира, в котором идут процессы перехода к информационному обществу. Эти процессы повсеместно сопровождаются конвергенцией в сфере телекоммуникаций. Информация и связь начинает играть в жизни человека существенную как никогда роль. От простого общения по телефону люди все чаще и чаще начинают обращаться к передаче графической, видеоинформации, больших объемов данных. Многие документы переводятся в электронный вид представления, находят свое размещение в глобальной сети Internet, а ее пользовательская аудитория становится все больше. Сеть Internet превращается в универсальную систему, сочетающую в себе как глобальное средство массовой информации, так и средства для размещения и поиска различных данных, и многие другие сервисы: электронная почта, протоколы передачи файлов, телеконференции. Каналы связи сети Internet используются для организации частного доступа к каким-либо удаленным системам. Одной из новых технологий (и услуг), связанной с развитием интеллектуальных сетей, является компьютерная телефония - синтез компьютера, интеллектуальной сети и телефона. Компьютерная телефония, кроме основной функции, предоставляет и такие услуги, как телеголосование, телефонные кредитные карты и ряд других услуг. Кроме того, уже сегодня можно говорить о начавшейся интеграции компьютеров, компьютерных сетей, интеллектуальных сетей и телевидения. Чтобы обеспечить функционирование всех этих услуг, необходимо создать сети связи с высокой пропускной способностью и скоростью передачи. Причем требования к скорости передачи все время возрастают. С нехваткой ресурсов при передаче информации все чаще сталкиваются и Internet-провайдеры, и пользователи локальных корпоративных сетей, и даже телефонные компании - с внедрением систем сотовой подвижной связи пропускная способность существующих каналов оказывается недостаточной. К тому же близится уже и широкомасштабное внедрение перспективных систем подвижной связи третьего поколения на основе технологии UMTS. В них требования к каналам связи будут еще выше, ведь эти системы предусматривают обмен графической и видеоинформацией, а также высокоскоростную передачу данных.
Традиционным способом построения линий связи для большинства телефонных сетей в настоящее время является аппаратура временного мультиплексирования, действующая на основе импульсно-кодовой модуляции (ИКМ). Первоначально аппаратура была разработана для объединения стандартных абонентских каналов скорости 64 кбит/с в цифровые 30-канальные потоки скорости 2048 кбит/с. Распространившись в таком виде, эта аппаратура фактически стала базовой для построения цифровых сетей, и поток скорости 2048 кбит/с, сформированный ею, стали называть первым (основным) уровнем иерархии цифровых систем передачи, или потоком E1. Надо отметить, что за океаном, в США, в силу определенных обстоятельств сложился другой стандарт, и там потоком первого уровня иерархии ЦСП стал поток скорости 1544 кбит/с, сформированный из 64 каналов, который получил название T1.
В процессе развития телефонных сетей иногда возникали ситуации, когда для создания каких-либо крупных магистральных линий связи, например, международных, требовалась большая пропускная способность. Поначалу эти проблемы решались простой установкой нескольких систем передачи ИКМ первого уровня иерархии (ИКМ-30) на одной линии. Но когда их количество перевалило за разумные пределы, было ясно, что решать данную проблему нужно совсем по-другому.
Ученые-связисты задумались о создании такой аппаратуры уплотнения каналов, которая могла бы объединять потоки первого уровня и формировать из них новый, более скоростной поток, и передавать его по существующим линиям связи. Так появилась аппаратура передачи более высоких ступеней иерархии - Е2 (поток формируется из 4-х потоков E1, скорость передачи составляет 8448 кбит/с), Е3 (4 потока Е2, скорость составляет 34 Мбит/с, Е4 (4 потока Е3, скорость передачи 140 Мбит/с). Особенностью функционирования этой аппаратуры является тот факт, что при формировании цифровых потоков высших порядков (Е2, Е3, Е4) исходные потоки поступают на вход мультиплексора без согласования по времени. Поэтому, чтобы обеспечить правильное формирование выходного потока, на мультиплексор возлагается задача выравнивания входных потоков. Делается это с помощью использования специальных бит-вставок, задержек и буферной памяти. Из-за этой особенности данная технология получила название плезиохронной цифровой иерархии (PDH).
Рис.1. Классическая схема обработки и передачи цифровых сигналов. ОУ – оконечное устройство; ЦУК – цифровой уплотнитель каналов.
При использовании аппаратуры PDH в качестве среды передачи в основном применялись медные кабели на основе витой пары. Такой кабель обладает затуханием, резко зависящим от частоты передаваемого сигнала. Влияние этого затухания уже заметно сказывалось при построении систем уровня Е3. Поэтому для систем Е4 в качестве среды передачи был выбран коаксиальный кабель. Но и в этих системах для нормальной передачи сигнала требуется через каждые 3-5 км устанавливать регенерационные пункты, на которых сигнал усиливается, восстанавливается и передается дальше.
Случилось так, что развитие систем передачи не остановилось на коаксиальном кабеле и системе E4. Время потребовало от связистов создания еще более мощных линий передачи. Во время их разработок вскоре стало ясно, что создать саму аппаратуру передачи технически вполне возможно, но эта аппаратура не сможет эффективно работать по существующим средам передачи - медному кабелю на основе витой пары и коаксиальному кабелю. Следовательно, создание новых систем упиралось прежде всего в создание подходящих сред для распространения высокочастотного сигнала.
Оптическими методами связи человек начал пользоваться очень давно. Еще в глубокой древности он применял днем сигнальные дымы, а ночью - зажженные огни, чтобы сообщить другим людям о какой-либо опасности или событии. Наиболее часто это применялось при ведении войн. У римлян и у греков, у египтян и индейцев применялись похожие методы
Новая волна развития оптической связи относится к началу XIX века, периоду расцвета "промышленной революции" в Европе. Появляются полноправные "оптические линии связи", самой значительной из которых, пожалуй, является линия оптического телеграфа Шаппа, имевшая протяженность около 600 км и соединявшая Париж и Тулон. Она имела все признаки и элементы современных систем связи: передатчик, ретрансляторы, приемник. Эта линия обладала пропускной способностью 50 знаков в час. Действовали и другие оптические системы связи, но через некоторое время стало ясно, что они не выдерживают конкуренцию с только появляющимися электрическими системами.
После того, как русские ученые Н.Г. Басов и А.М. Прохоров создали в 1960 г. первый действующий рубиновый лазер, многие специалисты сразу же поняли, что это открытие повлечет за собой множество изменений и новшеств в технике. И связисты были одними из первых, кто обратил свое внимание на этот новый прибор. Было ясно, что луч лазера, частота излучения которого составляет величину порядка 1014 Гц, будучи промодулированным, позволяет получить полосу пропускания в 4700 ГГц (всего 1% от основной частоты), в которой можно разместить одновременно около миллиона телевизионных каналов! Эти цифры и сейчас кажутся фантастическими, а в то время они просто ошеломляли.
В 60-е годы было предложено множество технических решений по осуществлению модуляции лазерных излучателей, и для построения лазерной системы связи оставалось только найти подходящую среду для направленного распространения световых волн. Проводилось множество экспериментов с различными линзовыми, отражающими, стержневыми волноводами. Новый подход предложил английский ученый К.С. Као из Харлоу (Англия): он предложил для передачи светового сигнала использовать длинные оптические волокна из стекла. Волокна оказались очень подходящей для связных целей средой: они механически прочны, могут быть уложены по произвольной криволинейной траектории, из них можно составлять кабели.
Большим недостатком первых оптических волокон являлись их высокие потери. Однако благодаря стараниям исследователей и производителей стекла удалось найти способы снижения этих потерь, и в 1970 г. компанией Corning (США) было выпущено первое практически пригодное оптическое волокно, потери в котором составляли 20 дБ/км. К 1975 г. эти потери удалось уменьшить до 2 дБ/км. Используемые в настоящее время волокна имеют потери порядка 0,2-0,5 дБ/км.
Оптические линии связи начинают появляться всюду. Первые экспериментальные образцы были построены в Англии. Все специалисты единодушно признавали успех этих испытаний. Затухание сигнала в ОВ получалось даже намного меньшим, чем в медном кабеле! Оптические системы стали бурно развиваться, и в настоящее время общепризнанным стандартом для оптических систем передачи стали несколько базовых технологий.
Поначалу аппаратура передачи создавалась на основе технологии PDH, пришедшей из медных линий. Но вскоре стало ясно, что такая технология не позволит использовать все преимущества оптического волокна по возможной скорости передачи из-за несогласованности входных потоков по времени. Кроме того, для выделения всего одного любого потока в технологии PDH необходимо демультиплексировать весь передающийся поток. Поэтому при создании крупных транспортных сетей получила распространение технология SDH, или синхронная цифровая иерархия. Рекомендациями ITU-T определена базовая скорость передачи данных сети SDH, равная 155,52 Мбит/с, которая называется синхронным транспортным модулем №1. Кратные этому значению скорости передачи обозначаются STM-n, где n - множитель. Используются потоки STМ-4 (622,08 Мбит/с), STM-16 (2488,32 Мбит/с), STM-64 (9953,28 Мбит/с). Добавление и изъятие потоков в системе SDH производится с помощью мультиплексоров ввода-вывода (Add-Drop Multiplexer).
В то же время, какими бы огромными ни казались эти цифры, становится ясно, что они и отдаленно не приближают нас к тем физическим возможностям, которые заложены в самой природе света (напомним, при модуляции всего в 1% полоса пропускания составляет 4700 ГГц). И поэтому, несмотря на появление технологий волнового уплотнения WDM и DWDM , позволяющих передавать сигналы от нескольких SDH-систем по одному волокну, на практике мы имеем ситуацию, при которой прокладываемые оптоволоконные трассы по своим возможностям намного опережают аппаратуру передачи, а, значит, оказываются построенными с большим запасом на долгое будущее.
В настоящее время свои транспортные волоконно-оптические сети имеют, к примеру, Интернет-провайдеры и другие компании, специализирующиеся на предоставлении услуг связи. Они используют их для организации международных телефонных каналов, передачи Интернет-трафика, для соединения локальных корпоративных сетей, а также сдают в аренду. Собственные ВОЛС предпочитают также иметь некоторые операторы фиксированной и подвижной связи, где они применяются, например, для создания межстанционных связей, соединительных линий, идущих от базовых станций к контроллерам (BSC) и далее к коммутаторам (MSC). Также собственные волоконно-оптические сети имеют крупнейшие государственные и коммерческие организации, такие как Октябрьская железная дорога, РАО ЕЭС и другие.
Однако не следует думать, что волоконно-оптические каналы связи применяются исключительно для передачи информации на большие расстояния. Кроме магистральных сетей существуют также и локальные корпоративные, и домашние сети. Наиболее распространенной технологией для их создания является в настоящее время технология Ethernet, позволяющая получать скорости до 100 Мбит/с по витой паре. Поэтому оптическое волокно также находит применение в локальных сетях, расположенных, например, внутри здания. Развиваются такие концепции, как концепция проектов класса «fiber to the desk» (волокно до рабочего места) и «fiber to the room» (волокно до комнаты).
Итак, постараемся обобщить все сказанное выше и сделать вывод о том, почему передача информации по ВОЛС имеет целый ряд достоинств перед передачей по медному кабелю, и какие достоинства оптического волокна позволили ему стать основной средой передачи для создания линий связи.
Широкая полоса пропускания. Это достоинство обусловлено чрезвычайно высокой несущей частотой - 1014 Гц. Это дает потенциальную возможность передачи по одному оптическому волокну потока информации в несколько терабит в секунду. Большая полоса пропускания - это одно из наиболее важных преимуществ оптического волокна над медной или любой другой средой передачи информации.
Малое затухание светового сигнала в волокне. Выпускаемое в настоящее время отечественными и зарубежными производителями промышленное оптическое волокно имеет затухание 0,2-0,3 дБ на длине волны 1,55 мкм в расчете на один километр. Малое затухание и небольшая дисперсия позволяют строить участки линий без ретрансляции протяженностью до 100 км и более.
Низкий уровень шумов в волоконно-оптическом кабеле позволяет увеличить полосу пропускания, путем передачи различной модуляции сигналов с малой избыточностью кода.
Малый вес и объем. Волоконно-оптические кабели (ВОК) имеют меньший вес и объем по сравнению с медными кабелями в расчете на одну и ту же пропускную способность. Например, 900-парный телефонный кабель диаметром 7,5 см, может быть заменен одним волокном с диаметром 0,1 см. Если волокно "одеть" в множество защитных оболочек и покрыть стальной ленточной броней, диаметр такого ВОК будет 1,5 см, что в несколько раз меньше рассматриваемого телефонного кабеля.
Гальваническая развязка элементов сети. Данное преимущество оптического волокна заключается в его изолирующем свойстве. Волокно помогает избежать электрических "земельных" петель, которые могут возникать, когда два сетевых устройства неизолированной вычислительной сети, связанные медным кабелем, имеют заземления в разных точках здания, например на разных этажах. При этом может возникнуть большая разность потенциалов, что способно повредить сетевое оборудование. Для волокна этой проблемы просто нет.
Взрыво- и пожаробезопасность. Из-за отсутствия искрообразования оптическое волокно повышает безопасность сети на химических, нефтеперерабатывающих предприятиях, при обслуживании технологических процессов повышенного риска.
Экономичность. Волокно изготовлено из кварца, основу которого составляет двуокись кремния, широко распространенного, а потому недорогого материала, в отличие от меди. В настоящее время стоимость волокна по отношению к медной паре соотносится как 2:5. При этом кабель позволяет передавать сигналы на значительно большие расстояния без ретрансляции. Количество повторителей на протяженных линиях при использовании волоконной оптики сокращается. При использовании солитонных систем передачи достигнуты дальности в 4000 км без регенерации (то есть только с использованием оптических усилителей на промежуточных узлах) при скорости передачи выше 10 Гбит/с.
Длительный срок эксплуатации. Со временем волокно испытывает деградацию. Это означает, что затухание в проложенном кабеле постепенно возрастает. Однако, благодаря совершенству современных технологий производства оптических волокон, этот процесс значительно замедлен, и срок службы кабеля составляет примерно 25 лет. За это время может смениться несколько поколений/стандартов приемо-передающих систем
Высокая помехозащищенность. Поскольку волокно изготовлено из диэлектрического материала, оно невосприимчиво к электромагнитным помехам со стороны окружающих медных кабельных систем и электрического оборудования, способного индуцировать электромагнитное излучение (линии электропередачи, электродвигательные установки и т.д.). В многоволоконных кабелях также не возникает проблемы перекрестного влияния электромагнитного излучения, присущей многопарным медным кабелям.
Высокая защищенность от несанкционированного доступа. Поскольку электромагнитное излучение с поверхности волоконных световодов отсутствует, то ВОК практически не излучает в радиодиапазоне, и перехват излучения кабеля невозможен. Системы мониторинга (непрерывного контроля) целостности оптической линии связи, используя свойства высокой чувствительности волокна, могут мгновенно отключить "взламываемый" канал связи и подать сигнал тревоги. Сенсорные системы, использующие интерференционные эффекты распространяемых световых сигналов (как по разным волокнам, так и разной поляризации) имеют очень высокую чувствительность к колебаниям, к небольшим перепадам давления. Поэтому такие системы особенно необходимы при создании линий связи в правительственных, банковских и некоторых других специальных службах, предъявляющих повышенные требования к защите данных.
Однако в ходе дальнейших исследований все же выяснилось, что несанкционированный съем информации с волоконно-оптического кабеля все-таки возможен, правда, при условии физического доступа к кабелю. Поэтому проблема защиты информации от несанкционированного доступа является актуальной и для волоконно-оптических линий связи.
При защите информации в ВОСП можно выделить несколько «рубежей обороны»:
защита информации от расшифровки;
защита оптического сигнала от физического снятия.
В первом случае используются как криптографические методы, так и защита оптического сигнала от дешифровки на физическом уровне (когерентные, поляризационные или спектральные методы передачи информации в ВОСП). Достоинства криптографических методов известны, более того: такие методы широко применяются и в волоконно-оптических линиях связи. Однако их использование связано в первую очередь с распределением ключей и их периодическим обновлением. Думается, что такой подход может создать неоправданные трудности, особенно если отправитель и получатель расположены не слишком далеко территориально. К тому же нельзя гарантировать возможного перехвата ключей. Эти методы фактически не защищают информацию от снятия, а затрудняют ее расшифровку, снижая важность перехваченных данных из-за значительных временных или финансовых затрат на расшифровку. Эти методы не являются чем-то принципиально новым, более того, они известны и с успехом уже долгое время применяются на традиционных линиях связи.
Во втором случае происходит защита оптического сигнала от снятия либо путем затруднения его отвода с волоконных световодов оптического тракта, либо путем фиксации попыток отвода и пресечения этих попыток.
Так как излучение с оптического волокна в радиодиапазоне отсутствует, то осуществить съем информации можно только путем непосредственного физического доступа к кабелю с целью отвода от него части передаваемой оптической мощности. Поскольку отвод мощности с кабеля можно организовать разными методами, то и способов осуществления НСД существует несколько. В основном рассматриваются три способа осуществления НСД:
Разрывный способ. При этом способе аппаратура злоумышленника, отводящая мощность с волокна (приемник перехвата), внедряется в намеренно созданный разрыв оптического кабеля, с которого осуществляется съем информации.
Безразрывный без принудительного отвода мощности. В этом способе для съема сигнала используется излучение, возникающее естественным образом в результате рассеяния света на муфтах, соединителях, устройствах ввода и вывода оптической мощности, самом оптическом волокне.
Безразрывный с принудительным отводом мощности. Путем какого-либо воздействия на волоконный световод пытаются добиться изменения его оптических свойств, что и приводит к выводу части излучения из световода.
Рассмотрим эти варианты НСД и сравним их между собой.