hledat:

Laserový spoj Laserbit LB-1500

Technická zpráva CESNETu číslo 19/2004
k dispozici též ve formátech PDF, PostScript a XML.

Miloš Wimmer, Jaroslav Čížek
10. 12. 2004

Tato technická zpráva popisuje zkušenosti s instalací a reálným provozem laserového spoje Laserbit LB-1500 na trase dlouhé 1.2 km.

1   Úvod

Jedním ze záměrů projektu Cesnetu "Optické sítě a jejich rozvoj" je i zkoumání použitelnosti nových technologií pro řešení první míle v rámci gigabitové sítě CESNET2 v podmínkách, kdy k připojovanému účastníkovi nelze dovést optické vlákno. Trasa mezi kampusem Západočeské univerzity a kolejí Borská takovým podmínkám velmi dobře odpovídá a proto ji používáme k testování různých bezdrátových spojů (WiFi i FSO).

V průběhu června a července 2004 jsme na této trase testovali laserový FSO (free space optics) systém Laserbit LB-1500 v provedení pro vzdálenost 1500 m, který komunikuje rychlostí 100 Mb/s full duplex.

2   Popis trasy

Západočeská univerzita v Plzni disponuje rozsáhlejší počítačovou sítí, která propojuje budovy školy v univerzitním kampusu na Zeleném trojúhelníku na Borských polích, budovy školy ve středu města i budovy kolejí v lokalitách Bory a Lochotín. Všude, kde je to možné a potřebné, jsou použita optická vlákna. Vyjímku tvoří kolej Borská. To je komplex budov vzdálený od kampusu ZČU vzdušnou čarou jen 1.2 km, ovšem mezi oběma lokalitami vede široká komunikace a položení optického vlákna pod ní by bylo velmi nákladné. V koleji je 500 aktivních počítačových zásuvek.

Spojení mezi kampusem a kolejí bylo v minulosti realizováno nejprve mikrovlnným pojítkem WiFi 802.11b, později 802.11g. Celé pásmo 2.4 GHz je však v této lokalitě hustě zaplněné, takže zde dochází k rušení. Reálná přenosová rychlost se pohybovala kolem 4 Mb/s (802.11b), resp. 10 Mb/s (802.11g) a pojítko bylo po většinu doby saturováno.

Nasazení laserového pojítka by přineslo významné zvýšení přenosové rychlosti, její stabilitu a odstranění potíží s rušením.

3   Popis laserového spoje

Využili jsme možnosti zapůjčit si laserový systém Laserbit a podrobili jsme ho testům. Toto zařízení je založené na technologii Free Space Optical (FSO) a vyrábí jej společnost LaserBit Communications Corp., Budapest [1]. Systém se chová jako tzv. media convertor. Je modulární, k instalaci se volí vždy odpovídající modul podle délky přenosové trasy a podle požadované rychlosti - tomu pak odpovídá také cena. Pojítko má atesty pro použití v České republice a jeho provozovatel nemusí žádat o udělení žádných licencí ani povolení k provozu. Laserový spoj nám k testům zapůjčil certifikovaný partner a prodejce těchto zařízení - společnost Disk obchod a technika.

Pro účel našich testů jsme zvolili model LaserBit LB-1500 E100, který je určen pro přenosovou trasu do délky 1500 m. Jeho laser má výkon 70mW v class 3B, pracuje na vlnové délce 785 nm a dosahuje rychlosti 100 Mb/s full duplex. Zařízení se připojuje přes rozhraní Ethernet UTP 100 Mb/s, alternativně lze zvolit i optické rozhraní. Cena tohoto zařízení (oba kusy pro postavení trasy) byla v době testů 280 000 Kč bez DPH.

Zařízení (na každé straně) se skládá z vlastní laserové hlavy umístěné do robustní ocelové schránky a menší propojovací jednotky. Obě komponenty jsou spojeny kabelem. Do propojovací jednotky se přivádí napájecí napětí 220V a je zde UTP konektor pro připojení kabelu počítačové sítě.

Výkon laserového paprsku je ještě uvnitř schránky tlumen optickou clonou, která se při horších světelných podmínkách odsouvá a tím se výkon laseru zvyšuje. Výrobce garantuje funkčnost zařízení bez ohledu na počasí (tedy i za mlhy, deště a sněžení).

Zařízení samo o sobě neumožňuje vzdáleně monitorovat jeho stav (např. sílu signálu, stav vysílačů apod.) po počítačové síti. Výrobce nabízí externí jednotku managementu, která tyto údaje zpřístupňuje přes standardní protokol SNMP a HTTP a také přes rozhraní proprietárního klienta.

Laserová hlava a propojovací jednotka jsou umístěny venku, volitelně připojitelná jednotka managementu se umísťuje do vnitřních prostor a s laserovou hlavou je propojena kabelem RS-485.

Výrobce dodává laserové moduly 100 Mb/s pro vzdálenosti 150, 200, 500, 1000, 1500, 2500 a 5000m a moduly 1 Gb/s pro vzdálenosti 200, 500 a 1000 m. Kompletní seznam produktů je uveden na WWW stránkách výrobce [1].

4   Instalace

Vzhledem k nutnosti velmi přesného zaměření laserového paprsku doporučuje výrobce co nejpevnější instalaci laserových hlav - nejlépe do pláště budov. Pro účely testu jsme zvolili provizorní způsob uchycení - na jedné budově na již existující stožár, na druhé budově na zatíženou trojnožku.

Instalaci prováděli technici prodejce zařízení. Laserové hlavy se zaměřují pomocí optického zaměřovače integrovaného do ocelové schránky, následné přesné doladění se provádí podle voltmetru připojeného na svorky elektroniky laserové hlavy. Intenzitu signálu vyjadřuje také řada diod LED.

Technické provedení zařízení na nás působilo dojmem profesionálně odvedené práce vysoké úrovně. Vlastní zaměření laserových hlav zvládnou dva lidé za dobu 2 hodin a kromě obvyklých montážních nástrojů byl třeba jen běžný voltmetr.

V průběhu testů se potvrdila opodstatněnost požadavku na co nejpevnější uchycení laserových hlav. Po dvou týdnech od instalace se totiž začaly zhoršovat přenosové parametry spojení a občas docházelo i k výpadkům v trvání několika minut. Kontrola zaměření laserových hlav potvrdila odchylky od původního stavu (především na straně trojnožky). K našemu překvapení nebyl světelný bod laseru protilehlé hlavy vůbec viditelný v ose hlavy, ale až jeden metr vedle ní - a přesto pojítko ještě fungovalo (i když s potížemi). Po novém doladění zaměření hlav bylo všechno v pořádku a přenosové parametry trasy se vrátily na předchozí úroveň.
Po dalších dvou týdnech se situace opakovala. Vzhledem k znamenitým výsledkům prováděných testů se ZČU rozhodla laserový systém zakoupit a na trase jej ponechat trvale (nyní zde běží v rutinním provozu), takže technici prodejce provedli novou instalaci hlav přímo do plášťů obou budov. Od té doby již k rozladění zaměření nedošlo.

5   Provedené testy a naměřené hodnoty

Všechny níže popsané testy byly prováděny za reálného provozu, kdy po měřené trase procházel běžný datový tok mezi kampusem ZČU a kolejí Borská. Jen v několika případech byl pro potřeby testu provoz krátkodobě přerušen.
Účelem testů nebylo změření technických parametrů laserového systému v laboratorních podmínkách, ale zjištění jeho chování a parametrů v podmínkách skutečného provozu. Výsledky testů je proto třeba posuzovat v tomto kontextu. Domníváme se však, že tento záměr dává výsledkům testů větší užitnou hodnotu, než izolovaná laboratorní měření.

Pro uskutečnění zamýšlených testů a dosažení co nejpřesnějších výsledků byla měření prováděna mezi dvěma počítači PC s operačním systémem Linux s jádrem 2.6.7.
První počítač byl server Dell PowerEdge 2650 (v konfiguraci 2x CPU Intel Xeon 2.6 GHz, 1 GB RAM, 2x síťová karta Broadcom 1 Gb/s), který plní pro ZČU funkci WebMailu a vyhledávací služby. Jednou vyhrazenou síťovou kartou s IP adresou 10.0.1.7 byl připojen do switche Cisco Catalyst 6500 a odtud přes Cisco Catalyst 4000 a switch 3Com CoreBuilder 3500 k laserovému systému na budově kampusu ZČU.
Druhý počítač byl stolní Compaq (v konfiguraci 1x CPU Intel Celeron 1.7 GHz, 256 MB RAM, 2x síťová karta Intel EtherExpress 100 Mb/s). Ten byl pro účel testů připojen s IP adresou 10.20.1.2 mezi laserový systém na koleji Borská a router koleje, takže jím procházel veškerý datový tok z/do koleje.
Toto řešení si vyžádaly objektivní podmínky v obou lokalitách a znázorňuje je obrázek 7.

Na úvod bychom rádi upozornili, že není snadné docílit v reálných podmínkách skutečně "plné" rychlosti 100 Mb/s - což je přenosová rychlost testovaného laserového systému. Při takto vysokých rychlostech se totiž začínají projevovat úzká místa v průchodnosti síťových karet a sběrnic počítačů i aktivních prvků zapojených do přenosové cesty.
V reálném provozu se tím málokdo zabývá, ale považovali jsme za korektní očistit naměřené hodnoty od těchto vlivů. Proto jsme následně provedli srovnávací měření mezi oběma počítači propojenými mezi sebou stejnou cestu v rámci sítě kampusu ZČU a poté i propojenými mezi sebou jen kříženým UTP kabelem.

Abychom se vyhnuli přepočítávání na násobky 1024 u Mega bitů, budeme naměřené hodnoty udávat v bitech a miliónech bitů za sekundu.

5.1   Spojení saturováno dlouhodobým obousměrným HTTP přenosem

V prvním testu byla trasa saturována nepřetržitým obousměrným HTTP přenosem souboru o velikosti 22 MB mezi oběma počítači. Stahovaný soubor byl vždy ukládán do /dev/null, abychom vyloučili vliv disků. Množství přenesených dat jsme měřili každou minutu na rozhraní síťové karty počítače na koleji Borská, která byla připojena do laserového systému. Tento test jsme nechali běžet 9 dní.

5.1.1   Počítače propojené sítí kampusu a laserovým spojem

Na obou počítačích běžel http server, z něhož protilehlý počítač nepřetržitě stahoval soubor z příkazem:

wget http://10.20.1.2:9999/z -O /dev/null 

Test probíhal po opakovaném zaměření laserových hlav při provizorní instalaci laserového systému. Během testu nedošlo k žádnému výpadku spojení, průměrná přenosová rychlost se pohybovala v rozmezí 90 - 93 miliónů bitů/sec. Příčinu zachycených poklesů přenosové rychlosti nelze určit - mohou být způsobeny větší špičkovou zátěží některého z počítačů podílejících se na testu nebo aktivního síťového prvku v cestě, stejně jako laserovým systémem. Z grafu je přitom patrné, že každý pokles byl současně kompenzován drobným zvýšením přenosové rychlosti ve druhém směru.

Výsledky testu hodnotíme jako vynikající, zjištěný občasný pokles přenosové rychlosti nemůžeme přisuzovat laserovému spoji, protože v podmínkách měření nemůžeme určit jeho příčinu - v běžném provozu však není podstatný.

5.2   Spojení saturováno HTTP přenosem

Následující tři testy jsme provedli po finální instalaci laserových hlav do plášťů budov. Uskutečnili jsme je pro zjištění, zda nějaká z komponent podílejících se na přenosu způsobuje snížení přenosové rychlosti. Tyto testy však měly spíše teoretický charakter, protože předchozí dlouhotrvající test prokázal přenosovou rychlost laserového spoje odpovídající reálným maximálním hodnotám 100 Mb/s linky.

Testy jsme prováděli obdobným způsobem jako v 5.1, množství přenesených dat jsme měřili každou minutu na rozhraní síťové karty počítače na koleji Borská. Na začátku testu byla data přenášena protokolem HTTP vždy v obou směrech, poté jen v jednom a poté jen v opačném směru.

5.2.1   Počítače propojené sítí kampusu a laserovým spojem

Při tomto zapojení byly oba počítače zapojeny do sítě ve "svých" lokalitách a laserový spoj se podílel na přenosu.

Přenosová charakteristika je v zásadě vyrovnaná, při současném obousměrném přenosu se přenosová rychlost pohybuje kolem 93 miliónů bitů/sec, při jednosměrném přenosu pak kolem 97 miliónů bitů/sec.

Pro zjištění doby zapoždění a ztrátovosti paketů jsme při obousměrném datovém toku uvedeného testu spustili ping na protější počítač příkazem:

ping -c 100 10.20.1.2

Výsledky odpovídaly těmto hodnotám:

-- 10.20.1.2 ping statistics --
100 packets transmitted, 100 packets received, 0% packet loss
round-trip min/avg/max = 4.8/5.3/5.7 ms

Tedy malá doba zpoždění a nulová ztrátovost.
Pro zjištění skutečné doby zpoždění laserového spoje bychom museli od naměřených hodnot ještě odečíst dobu zpoždění příslušné části propojovací sítě kampusu (viz 5.2.2). Po tomto očistění dostáváme průměrnou dobu zapoždění 2 ms, což považujeme za znamenitý výsledek.

5.2.2   Počítače propojené jen sítí kampusu

Při tomto zapojení byl počítač z koleje převezen a připojen do sítě kampusu na stejné místo, kam byla předtím připojena laserová hlava (takže byl zapojen jakoby těsně před laserovou hlavu). Laserový spoj se tedy na přenusu nepodílel, ostatní část propojovací sítě zůstala stejná.

Přenosová charakteristika je v zásadě vyrovnaná, při současném obousměrném přenosu se přenosová rychlost pohybuje kolem 93 miliónů bitů/sec, při jednosměrném přenosu pak kolem 97 miliónů bitů/sec.

Pro zjištění doby zapoždění použité transportní části propojovací sítě kampusu jsme při obousměrném datovém toku spustili ping na protější počítač příkazem:

ping -c 100 10.20.1.2

Výsledky odpovídaly těmto hodnotám:

-- 10.20.1.2 ping statistics --
100 packets transmitted, 100 packets received, 0% packet loss
round-trip min/avg/max = 3.0/3.5/5.5 ms

Propojovací síť tedy zatěžuje měření doby zpoždění laserového spoje průměrným zpožděním 3.5 ms.

5.2.3   Počítače propojené sítí jen kříženým kabelem

Při tomto zapojení byl počítač z koleje převezen a připojen k počítači na kampusu přímo jen kříženým kabelem. Laserový spoj ani propojovací síť se tedy na přenosu nepodílely.

Přenosová charakteristika je vyrovnaná, při současném obousměrném přenosu se přenosová rychlost pohybuje kolem 95 miliónů bitů/sec, při jednosměrném přenosu pak kolem 97 miliónů bitů/sec.

Pro zjištění doby zapoždění přímo propojených počítačů jsme při obousměrném datovém toku výše uvedeného testu spustili ping na protější počítač příkazem:

ping -c 100 10.20.1.2

Výsledky odpovídaly těmto hodnotám:

-- 10.20.1.2 ping statistics --
100 packets transmitted, 100 packets received, 0% packet loss
round-trip min/avg/max = 0.2/0.2/0.6 ms

Celkově hodnotíme výsledky těchto testů jako vynikající. Oproti referenční přenosové charakteristice získané měřením mezi počítači propojenými kříženým kabelem (5.2.3) se v charakteristice zahrnující laserový spoj (5.2.1) objevují nepatrné nerovnoměrnosti a nepatrné snížení přenosové rychlosti (obojí v reálném provozu neznatelné), které však vnáší infrastruktura propojovací sítě kampusu, jak je patrné z jejího grafu (5.2.2).

5.3   Spojení saturováno UDP přenosem

V následujících testech byla trasa saturována nepřetržitým UDP streamem. K tomu jsme použili client-server program iperf, který dokáže vygenerovat mezi dvěma počítači hustý UDP přenos, kterým zaplní určenou šířku pásma. Data nejsou zapisována na disk. Tento test je velmi agresivní a je náročný na výkonnost obou počítačů. Proto jsme jej nechali běžet vždy jen několik minut a na tu dobu jsme zastavili běžný provoz do sítě kolejí. Údaje o možství přenesených dat, přenosové rychlosti, jitteru a ztracených paketech jsme měřili každou sekundu a získali jsme je z logu programu iperf. Počítače byly ve všech případech propojené sítí kampusu a laserovým spojem.

5.3.1   Obousměrný datový tok

Na obou počítačích běžel iperf v režimu server spuštěný s parametry:

10.0.1.7#  iperf -s -u -i 1 -f b > iperf.log
10.20.1.2# iperf -s -u -i 1 -f b > iperf.log

a současně každý protilehlý počítač na něj posílal UDP stream o zadané šířce pásma 96 miliónů bitů/sec po dobu 1000 sekund programem iperf spuštěném v režimu client příkazem:

10.0.1.7# iperf -c 10.20.1.2 -u -f b -b 96000000 -t 1000
10.20.1.2# iperf -c 10.0.1.7 -u -f b -b 96000000 -t 1000

Výsledky na straně počítače v síti kampusu odpovídaly těmto celkovým hodnotám:

[ ID] Interval         Transfer           Bandwidth          Jitter   Lost/Total Datagrams
[  3]  0.0-1000.0 sec  11960425680 Bytes  95683076 bits/sec  0.297 ms    1/8136345 (1.2e-05%)

a výsledky na straně počítače na koleji odpovídaly celkovým hodnotám:

[ ID] Interval         Transfer           Bandwidth          Jitter   Lost/Total Datagrams
[  3]  0.0-1000.0 sec  11825409120 Bytes  94602916 bits/sec  0.010 ms 85587/8130083 (1.1%)

Výsledky korespondují s předchozími testy s HTTP přenosy. Charakteristika přenosu do sítě kampusu je zcela vyrovnaná, charakteristika přenosu do sítě kolejí je částečně zvlněná. Soudíme, že se do ní a stejně tak do vyšší ztrátovosti paketů (1.1%) promítnula o něco nižší výkonnost počítače na koleji (to následně potvrdily jednosměrné testy s šířkou pásma sníženou z 96 na 95 miliónů bitů/sec.).

5.3.2   Jednosměrný datový tok na počítač v kampusu

Na počítači v síti kampusu běžel iperf server spuštěný s parametry:

10.0.1.7#  iperf -s -u -i 1 -f b > iperf.log

a počítač na koleji na něj posílal UDP stream o šířce pásma 96 miliónů bitů/sec po dobu 1000 sekund příkazem:

10.20.1.2# iperf -c 10.0.1.7 -u -f b -b 96000000 -t 1000

Výsledky na straně počítače v síti kampusu odpovídaly těmto celkovým hodnotám:

[ ID] Interval         Transfer           Bandwidth          Jitter   Lost/Total Datagrams
[  3]  0.0-1001.5 sec  11960802000 Bytes  95540682 bits/sec  0.104 ms    0/8136600 (0%)

Charakteristika je naprosto vyrovnaná, během doby 16 minut bylo přeneseno 11.9 GB dat při průměrné přenosové rychlosti 95.54 miliónu bitů/sec a nedošlo ke ztrátě žádného datagramu.

5.3.3   Jednosměrný datový tok 96 miliónů bitů/sec na počítač na koleji

Na počítači na koleji běžel iperf server spuštěný s parametry:

10.20.1.2#  iperf -s -u -i 1 -f b > iperf.log

a počítač v síti kampusu na něj posílal UDP stream o šířce pásma 96 miliónů bitů/sec po dobu 1000 sekund příkazem:

10.0.1.7# iperf -c 10.20.1.2 -u -f b -b 96000000 -t 1000

Celkové výsledky na straně počítače na koleji byly tyto:

[ ID] Interval         Transfer           Bandwidth          Jitter   Lost/Total Datagrams
[  3]  0.0-1000.0 sec  11961026910 Bytes  95686775 bits/sec  0.009 ms 59971/8196724 (0.73%)

Charakteristika je vyrovnaná, během doby 16 minut bylo přeneseno 11.9 GB dat při průměrné přenosové rychlosti 95.68 miliónu bitů/sec a došlo ke ztrátě 0.73% datagramů. Vyšší ztrátovost přisuzujeme nižší výkonnosti počítače na koleji a proto tento test zopakujeme s požadovanou šířkou pásma sníženou na 95 miliónů bitů/sec.

5.3.4   Jednosměrný datový tok 95 miliónů bitů/sec na počítač na koleji

Na počítači na koleji běžel iperf server spuštěný s parametry:

10.20.1.2#  iperf -s -u -i 1 -f b > iperf.log

a počítač v síti kampusu na něj posílal UDP stream o šířce pásma 95 miliónů bitů/sec po dobu 1000 sekund příkazem:

10.0.1.7# iperf -c 10.20.1.2 -u -f b -b 95000000 -t 1000

Celkové výsledky na straně počítače na koleji byly tyto:

[ ID] Interval         Transfer           Bandwidth          Jitter   Lost/Total Datagrams
[  3]  0.0-1000.0 sec  11960158140 Bytes  95681040 bits/sec  0.038 ms    1/8136163 (1.2e-05%)

Charakteristika je naprosto vyrovnaná, během doby 16 minut bylo přeneseno 11.9 GB dat při průměrné přenosové rychlosti 95.68 miliónu bitů/sec a došlo ke ztrátě jediného datagramu. Ztrátovost při tomto měření již klesla k nulové hodnotě.

6   Závěr

Testovaný systém Laserbit LB-1500 je zařízení založené na technologii Free Space Optics (FSO). Je vybaven laserem o výkonu 70mW a je určen pro spojení dvou lokalit do vzdálenosti 1500 m rychlostí 100 Mb/s. Pojítko má atesty pro použití v České republice a jeho provozovatel nemusí žádat o udělení žádných licencí ani povolení k provozu. Výrobce garantuje funkčnost zařízení bez ohledu na počasí.

Laserbit LB-1500 splnil naše očekávání a v několika aspektech je překonal.

Jeho instalaci považujeme za relativně jednoduchou, po finální montáži laserových hlav do plášťů budov již nedošlo k rozladění zaměření. Výsledky testů hodnotíme jako vynikající. Zařízení přeneslo takový datový tok, který jsem na něj byli schopni přivést - tedy 95 miliónů bitů za sekundu při obousměrném přenosu a 97 miliónů bitů za sekundu při jednosměrném přenosu. Ztrátovost paketů byla prakticky nulová, čisté zpoždění se pohybovalo kolem 2 ms.

Funkčnost laserového spoje jsme měli možnost vyzkoušet i za velmi špatného počasí. Při hodinu trvající dešťové smršti doprovázené bouřkou poklesla přenosová rychlost z průměrné hodnoty 97 miliónů bitů/sec na 95 miliónů bitů/sec (při testu, kdy byl spoj saturován jednosměrným HTTP přenosem). Ani běžné mlhy přenosovou rychlost nikterak neovlivnily. Při velmi silné mlze však spoj přestal fungovat. Tento stav jsme zaznamenali 4x a nepomohlo ani následné doladění zaměření laserových hlav. Na hustotu mlhy mají značný vliv lokální podmínky každé trasy. Naše trasa vede nad polem ve výšce 40m, takže hustota mlhy je znatelně větší, než v městské zástavbě.

Za dobu pěti měsíců, kdy laserový spoj spojuje síť kolejí Borská se sítí kampusu v rutinním provozu, jsme zaznamenali čtyři výpadky při velmi silné mlze, při počasí bez mlhy žádný výpadek. Se započítáním doby výpadků spojení při velmi hustých mlhách zajišťoval systém dostupnost trasy větší než 99.5%. Na trase přitom přenášíme každou minutu testovací soubor o velikosti 20 MB a výsledky měření přenosové rychlosti odpovídají provedeným testům.

Celkově považujeme systém Laserbit LB-1500 za vyzrálé profesionálně provedené zařízení, které lze nasadit do rutinního provozu vyžadujícího vysokou rychlost a spolehlivost. V případě méně příznivých lokálních podmínek konkrétní trasy je pro zajištění nepřetržitého spojení i za velmi hustých mlh třeba trasu zálohovat ještě jiným typem pojítka, např. WiFi. Poměr cena/výkon hodnotíme jako příznivý.

Použitá literatura

[1]	Stránky výrobce Laserbit - http://www.laserbit.net/
[2]	Podrobnější popis systému Laserbit LB-1500 - http://www.laserbit.net/products.php?pname=LB-1500&sub=allmodels
[3]	Datasheet systému Laserbit LB-1500 - http://www.laserbit.net/download/products/LB-1500_Data_Sheet.pdf
[4]	Stránky certifikovaného partnera a prodejce - http://www.diskobol.cz/