Marek Gotfryd Bartosz Pawłowicz Mariusz Skoczylas Politechnika Rzeszowska
Wydział Elektrotechniki i Informatyki ul. W. Pola 2, 35-959 Rzeszów margot@prz.rzeszow.pl barpaw@prz.rzeszow.pl msko@prz.rzeszow.pl
KONCEPCJA ZINTEGROWANEGO LABORATORIUM SYSTEMÓW
TELEKOMUNIKACYJNYCH
Streszczenie: Przedstawiono założenia projektowe postawione przed laboratorium systemów telekomunikacyjnych w Politechnice Rzeszowskiej w świetle spełnianych przez nie zadań dydaktycznych. Zaprezentowano koncepcję sieci teleinformatycznej stanowiącej szkielet laboratorium oraz jej projekt. Przybliżono również podstawowe wyposażenie sprzętowe laboratorium, z uwzględnieniem wymagań stawianych przed każdym z elementów wyposażenia.
1. WSTĘP
Obecnie, w dobie szybkiego rozwoju różnorodnych technik telekomunikacyjnych, zarówno systemów komunikacyjnych opartych o klasyczne łącza przewodowe, jak również radiowe, a także szybkiego rozwoju usług realizowanych w oparciu o sieci światłowodowe, niezmiernie istotne jest zapewnienie dużej elastyczności w zakresie dydaktyki z zakresu szeroko rozumianej telekomunikacji. Dodatkowym czynnikiem usprawiedliwiającym takie podejście do tego zagadnienia jest proces szybkiej eliminacji starszych rozwiązań i zastępowania ich nowymi. Z tego też powodu proces dydaktyczny musi być na bieżąco modyfikowany wraz z pojawianiem się i wprowa-dzaniem na rynek nowych technologii. Fakt ten ma również wpływ na niezwykle istotny składnik procesu dydaktycznego, jakim są zajęcia praktyczne realizowane przez studentów w ramach laboratoriów z danej tematyki. Elastyczność w tym przypadku jest o tyle istotna, że nie sprowadza się do modyfikacji materiałów wykładowych i prezentacji poświęconych określonym zagadnieniom, lecz musi zostać zapewniona możliwość bieżącego modyfikowania i rozwoju bazy laboratoryjnej, a także struktury całości laboratorium, bądź zespołu laboratoriów. W przypadku tematyki telekomunikacyjnej i teleinformatycznej przemyślana struktura laboratorium ma duże znaczenie ze względu na obecność dedykowanych, laboratoryjnych sieci telekomunikacyj-nych, którym należy zapewnić wielofunkcyjność i możliwość dowolnej rekonfiguracji i rozbudowy w zależności od bieżąco realizowanej tematyki, z możliwością uwzględnienia rozwiązań przyszłościo-wych.
2. PROJEKT LABORATORIUM
Wstępnym założeniem podczas wykonywania projektu laboratorium było zapewnienie funkcjonowania
pięciu stanowisk laboratoryjnych, które mogą działać w sposób autonomiczny lub współpracować pomiędzy sobą, tworząc jednolite środowisko sieciowe. W tym celu każde ze stanowisk wyposażono w zestaw komputerowy ze zestawem dedykowanych kart rozszerzeń, takich jak ATM, ISDN, E1 i modemy analogowe. Standardowym wyposażeniem każdego stanowiska są również telefony: analogowy i cyfrowy ISDN, a także moduł NT. Każde ze stanowisk umożliwia również współpracę z szeregiem urządzeń dołączanych w zależności od aktualnie realizowanej tematyki zajęć, o czym będzie mowa dalej. Komputery będące wyposażeniem stanowisk działają w oparciu o systemy z rodzin Windows Server i Linux. Taka konfiguracja zapewnia możliwości pracy jednej grupy studenckiej na kilku maszynach jednocześnie bez potrzeby przerywania wykonywania innych zadań przez sąsiednie grupy studentów. Zaletą takiej konfiguracji jest również możliwość szybkiego uruchomiania na kolejnych maszynach niezbędnych podczas zajęć serwerów usług (jak np. serwer mediów strumieniowych). W celu zapewnienia nieskrępowanego i równoczesnego dostępu do różnych typów sieci dla każdego ze stanowisk stworzono odpowiednią strukturę sieci zainstalowanych w laboratorium (rys. 3). Celem nadrzędnym była możliwość łatwej rekonfiguracji łączy i możliwość wykorzystania zainstalowanych przewodów dla różnych typów sieci. Do każdego stanowiska doprowadzono dwie ośmioparowe skrętki kategorii 5e oraz 4 jednoparowe kable telefoniczne. Zestaw taki umożliwia jednoczesne doprowadzenie do stanowiska sieci Ethernet, ATM, ISDN, E1 i PSTN. Jednak w celu zapewnienia dodatkowych możliwości konfiguracyjnych wszystkie łącza z każdego stanowiska doprowadzone zostały do szafki laboratoryjnej (6U) z zainstalowanymi panelami krosowniczymi, pozwalającej na swobodną konfigurację linii doprowadzonych do danego stanowiska. Oznacza to, że w zależności od potrzeb możliwe jest doprowadzenie np. dwóch linii Ethernet lub ATM, bądź też czterech linii ISDN lub E1. Możliwości konfiguracji ograniczone są tutaj tylko łączną liczbą fizycznych łączy. Należy wspomnieć, że w razie konieczności również kolejne pary skrętki mogą zostać wykorzystane jako np. linie analogowe. Szafka połączeniowa zainstalowana została w pomieszczeniu laboratoryjnym dostępnym dla studentów. Taka lokalizacja umożliwia bieżącą zmianę funkcji poszczególnych łączy w trakcie zajęć laboratoryjnych
2006
Poznańskie Warsztaty Telekomunikacyjne Poznań 7 - 8 grudnia 2006
w zależności od potrzeb danego ćwiczenia. Z tego punktu wiodą także łącza (dwa dwudziestojednoparowe kable typu YTKSY oraz dziesięć sztuk skrętki UTP kategorii 5e) do głównej przełącznicy, której funkcję pełni zainstalowana w oddzielnym pomieszczeniu szafa 19” (32U). Taki rozmiar wybrany został ze względu na możliwość dalszego zwiększenia ilości dostępnych łączy w przyszłości. W pomieszczeniu tym została zainstalowana także centrala telefoniczna oraz szafy z serwerami i przełącznikami sieci. Pomieszczenie to jest dostępne jedynie dla pracowników i dyplomantów realizujących swe prace dyplomowe w zakresie telekomunikacji. Pozostałe wyposażenie głównego węzła laboratorium umieszczono w trzech szafach 32U, z których jedną zajmuje centrala DGT 3450 (rys. 1a), zaś pozostałe dwie zajęte są przez serwery (rys. 1b) i konfigurowalne przełączniki sieci (rys. 2b). Poglądowy schemat zabudowy głównej przełącznicy zaprezentowany został na rys. 2a.
Rys. 1. Poglądowe przedstawienie zabudowy szaf laboratoryjnych: a) centrali, b) szafy serwerowej.
Główna przełącznica została dodatkowo wyposażona w dwa niezarządzalne przełączniki sieci Ethernet 10/100 wyposażone w 24 porty RJ45 i 16 portów światłowodowych ST. Należy zaznaczyć, że doprowadzono tu także 5 światłowodowych linii wielomodowych i tyle samo jednomodowych, wykorzystywanych w Laboratorium Techniki Światłowodowej, oraz skrętkę kategorii 5e zapewniająca dostęp do sieci Internet w tymże laboratorium. Komunikację z zewnętrznym otoczeniem sieciowym zapewnia 5 sztuk skrętki doprowadzonych z Uczelnianego Centrum Informatyzacji. Wybrano podłączenie kilkoma liniami ze względu na możliwość
zwiększenia przepustowości sieci przez agregację portów i możliwość demonstrowania tej techniki studentom. Dodatkowym łączem jest stumetrowy odcinek dwudziestojednoparowego kabla zakończony panelem krosowniczym. Odcinek ten służy do pomiarów parametrów linii. W przypadku tego kabla istnieje możliwość dowolnego łączenia żył i obciążania ich na końcach.
Centrala cyfrowa DGT 3450 została skonfigurowana w sposób ułatwiający zastosowanie jej w laboratorium, jako dwie niezależne centrale połączone traktami PCM 30/32, zamontowane w jednej szafie i obsługiwane przez jedną jednostkę centralną pracującą z wykorzystaniem systemu Linux. System ten umożliwia pracę z centralą na wielu stanowiskach komputerowych jednocześnie. Centrala udostępnia 10 analogowych linii telefonicznych, 8 linii cyfrowych ISDN ze stykiem U i trzy trakty PCM 30/32 z niezależnie konfigurowalną sygnalizacją. Taka konfiguracja umożliwia doprowadzenie na każde stanowisko linii analogowych i cyfrowych oraz umożliwia wykorzystanie na każdym stanowisku testera protokołów przewidzianego do danej tematyki zajęć. Wyprowadzenie z centrali linii ISDN ze stykiem U powoduje konieczność zastosowania na każdym stanowisku modułu NT, co dodatkowo umożliwia zapoznanie się z jego budową i funkcjami. Pozostałe wyposażenie obejmuje konfigurowalne
Rys. 2. Poglądowe przedstawienie zabudowy szaf laboratoryjnych; a) głównej przełącznicy, b) szafy
przełączników.
przełączniki sieci 3Com CoreBuilder 6000 i CellPlex 7000. Przełączniki zostały wyposażone w karty rozszerzeń zapewniające możliwość dołączenia ich do sieci Ethernet 10/100 (za pomocą łączy
Rys. 3. Schematyczne przedstawienie sieci laboratoryjnej z wyróżnieniem poszczególnych stanowisk i okablowania każdego z nich, a także sieci szkieletowej laboratorium.
klasycznych i światłowodowych), sieci FDDI i sieci ATM poprzez łącza światłowodowe OC-3 i OC-12. Zastosowanie wyżej wymienionych przełączników pozwala na doprowadzenie odpowiednich typów sieci do każdego stanowiska i bieżącą analizę protokołów transmisyjnych w ramach danego ćwiczenia. Ponadto możliwe jest zapoznanie się z budową i konfiguracją tego typu urządzeń.
Laboratorium zostało wyposażone także w serwery odpowiadające za usługi takie jak VoIP, SMS, poczta i inne usługi sieciowe. Obecność serwerów umożliwia zapoznanie się z konfiguracją i administracją tego typu sprzętem. Dodatkowo są one źródłem protokołów sygnalizacyjnych i transportowych, mogących podlegać analizie w ramach danej tematyki zajęć.
W zależności od zakresu tematycznego każde stanowisko może zostać wyposażone dodatkowo w głośniki i mikrofony (konieczne np. dla VoIP), kamery internetowe, aparaty telefoniczne analogowe i cyfrowe, a także inne terminale abonenckie (np. fax), jak również rutery, punkty dostępowe i karty sieciowe Wi-Fi, bramy VoIP oraz testery protokołów (DSS1, SS7, VoIP, E1).
Elementem dodatkowym jest stanowisko zarządzania. Jest to wydzielone stanowisko komputerowe, niedostępne dla studentów, umożliwiające zarządzanie wszystkimi urządzeniami i komputerami w laboratorium z poziomu administratora. Na dysku w komputerze na tym stanowisku przechowywane są pliki z kopiami zapasowymi ustawień wszystkich urządzeń i komputerów w laboratorium a także obrazami systemów operacyjnych wszystkich komputerów i serwerów laboratoryjnych. Umożliwia to szybkie odzyskanie ustawień i przywrócenie do pracy sprzętu laboratoryjnego w przypadku niezamierzonego lub też
zamierzonego (w celu sprawdzenia zachowania systemu) wprowadzenia błędnych danych konfiguracyjnych.
W związku z zamierzeniem rozwoju tematyki telekomunikacji bezprzewodowej laboratorium wyposażono w niewielki zestaw do prezentacji podsta-wowych własności mikrofal (w pasmie X). Zestaw zawiera źródła mikrofal (generator z diodą Gunna i klistron refleksowy), detektory mikrofalowe oraz inne niezbędne podzespoły. Z punktu widzenia telekomu-nikacji ważny w tym zestawie jest zespół mikrofalowych anten nadawczych i odbiorczych. Pozwala to na przynajmniej przybliżone porównywanie ich pod względem zysku energetycznego czy właściwości kierunkowych. W przyszłości, po planowanym oddaniu do użytku w PRz odpowiedniej komory bezechowej (w tworzonym środowiskowym laboratorium EMC) dokładność powyższych pomiarów można będzie istotnie zwiększyć.
Istotne wyposażenie laboratorium tworzą obecnie (listopad 2006):
- centrala cyfrowa DGT 3450 Millenium, - testery protokołów komunikacyjnych:
Tektronix K1205, Tektronix K1103, Acterna ANT-5; - przełączniki sieci: 3Com CoreBuilder 6000, 3Com CellPlex 7000, 3Com Baseline 2024, Canary CFX-1432;
- symulator sieci telefonicznej PTT 5102, - oscyloskopy Tektronix TDS2012.
3. PODSUMOWANIE
Rys. 4. Fragment wnętrza laboratorium z wyszczególnieniem najważniejszego wyposażenia. Systemów Telekomunikacyjnych w Zakładzie
Systemów Elektronicznych i Telekomunikacyjnych Politechniki Rzeszowskiej. Obecnie tak zbudowane laboratorium umożliwia pełną rekonfigurację w zależności od aktualnej tematyki zajęć z określonego przedmiotu z kilku realizowanych w laboratorium. Aktualnie planowana jest dalsza rozbudowa laboratorium tak, aby stało się ono głównym węzłem telekomunikacyjnym ZSEiT, a sprzęt w nim zainstalowany pełnił nie tylko funkcje dydaktyczne, ale i usługowe. Kolejnym etapem rozwoju laboratorium będzie wprowadzenie do dydaktyki szeroko rozumianych technik bezprzewodowych jak np. Bluetooth, Wi-Fi, WiMax i GSM.
Po wdrożeniu i przetestowaniu wspomnianych rozwiązań w przyszłości mogą być zaprezentowane wnioski z eksploatacji tak rozbudowanego laboratorium, będącego wielofunkcyjnym węzłem komunikacyjnym.
