Progettazione e simulazione con OPNet™ Modeler di una rete di trasmissione dati Wan IP per il telecontrollo ed i servizi

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introduzione                    
   
Obiettivo di questa tesi è la progettazione e la simulazione di una rete WAN IP, per l’ente 
ferroviario RFI, dedicata al trasporto di dati per il telecontrollo ed i servizi. Il contesto di 
riferimento è il sistema DOTE (Direzione Operativa Trazione Elettrica). Con questo termine 
si indica il complesso di persone e di impianti che servono a garantire la qualità e la 
continuità del servizio di alimentazione delle linee ferroviarie italiane a trazione elettrica. Le 
attività del DOTE consistono nella manutenzione sia preventiva che correttiva su tutti gli 
impianti di alimentazione. L’attività di controllo è svolta in apposite sale con sistemi SCADA 
tramite i quali è possibile verificare e manovrare l’assetto dell’intera rete. 
L’infrastruttura di telecomunicazione, sottosistema di DOTE, è realizzata attraverso una 
WAN (Wide Area Network) ed è finalizzata a garantire il trasporto di tutte le informazioni 
utili all’esercizio stesso.  
La progettazione di rete ha tenuto conto di vincoli e specifiche imposte dal committente 
RFI, e al contempo garantendo la qualità e la continuità di tutti i servizi. 
Il modello di simulazione è stato implementato con il software OPNet Modeler e con esso è 
stato possibile lo studio di alcuni servizi (VoIP e Telecontrollo) e la verifica delle scelte 
effettuate in fase di progettazione. 
Nel primo capitolo, è illustrata l’architettura di rete, in particolar modo: i protocolli, gli 
attributi, i vettori di trasmissione, le tipologie di servizi, le analisi sui requisiti e le scelte 
progettuali. 
Nel secondo capitolo è spiegata cosa vuol dire la simulazione e com’è suddivisa, 
illustrando successivamente le caratteristiche del software e gli aspetti avanzati. 
Nel terzo capitolo è illustrato nel dettaglio il modello costruito, la fase di definizione dei 
parametri nel contesto specifico della rete DOTE, e la raccolta di statistiche con relative 
analisi. 
Questo lavoro, svolto nell’ambito dell’attività di stage presso SELTA S.P.A, ha avuto un 
duplice obiettivo: accumulare praticità nell’ambito della simulazione in ambiente OPNet per 
la modellazione di sistemi reali e acquisire competenze specifiche nell’ambito del 
networking. 
Il simulatore inoltre ha rappresentato un valido strumento di aiuto nella fase di verifica delle 
scelte intraprese in fase progettuale.
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Capitolo 1 ANALISI E PROGETTAZIONE DI RETE                    
  
In questo capitolo è fornita una sintesi dell’architettura del sistema Dirigente Operativo 
Trazione Elettrica (DOTE), mettendo in risalto i protocolli e le tecnologie utilizzate in 
relazione all’infrastruttura di rete. L’insieme sarà utilizzato come base per realizzare il 
modello di simulazione in OPNet per comprenderne problematiche e tipologie di analisi.  
 
1.1 introduzione sistema dirigente operativo trazione elettrica (dote) 
 
Il progetto realizza una rete privata di trasmissione dati WAN con protocol suite TCP/IP 
dedicata al trasporto su banda larga di informazioni afferenti al telecontrollo e servizi 
dedicati per l’infrastruttura ferroviaria di RFI. Essa ricopre l’area geografica del Piemonte, 
con centro a Torino: in generale indipendentemente dalle soluzioni di connettività adottate 
in funzione delle caratteristiche di accesso (fibra o rame) rese disponibili localmente da 
RFI, la rete permette il raggiungimento, da parte del Posto Centrale, di tutti i nodi locali 
periferici lungo le diverse tratte ferroviarie.  
Gli elementi principali di questo sistema sono i seguenti (Figura 1.1): 
• Posto Centrale (ssPC); 
• Disaster Recovery (ssDR); 
• Infrastruttura di rete (ssTLC); 
• Posti Satellite (ssPS). 
La rete è una WAN fra il Posto Centrale,il Disaster Recovery e i Posti Satellite. Consente il 
trasporto di diversi servizi (a differente priorità) quali il telecontrollo, il management, la 
telefonia in modalità VoIP, la videosorveglianza e il traffico relativo ai terminali remoti di 
manutenzione. 
 
 
Figura 1.1 SCHEMA FUNZIONALE SISTEMA DOTE 
 
I requisiti funzionali del sistema DOTE sono:
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• Trasmissione dati per il processo di telecontrollo tra il Posto Centrale e i Posti Satellite; 
• Trasmissione dati per l’allineamento della base dati tra il Posto Centrale e il Disaster 
Recovery; 
• Trasmissione dati tra terminali mobili per Scambio Moduli Automatici (SMA) e Posto 
Centrale; 
• Trasmissione delle comunicazioni in modalità VoIP per: 

 Telefonia nativa in VoIP per l’eventuale utilizzo di telefoni IP collegati direttamente 
ai Posti Satellite; 

 Telefonia tradizionale (PSTN, GSM, GSMnullR) in arrivo al Posto Centrale per tutta 
l’area geografica gestita dallo stesso; 

 Conversione della telefonia selettiva lungo linea da trasferire al Posto Centrale. 
 
1.2 TOPOLOGIA DI RETE 
 
L’infrastruttura di rete WAN del sistema DOTE è costituita da: 
• Rete Primaria; 
• Rete Secondaria; 
• Reti di Campo. 
La Rete Primaria è dedicata al trasporto delle informazioni di telecontrollo. E stata 
realizzata tramite l’impiego di router Cisco 2811 interconnessi fra loro in modo da 
raggiungere tutte le località di inizio e fine tratta ferroviaria. I router sono equipaggiati in 
modo opportuno da supportare interfacce G.703 ed Ethernet. In base ai vettori resi 
disponibili da RFI, alcuni flussi dati sono convogliati in container SDH STM1null155 tramite 
Add Drop Multiplexer. 
La Rete Secondaria è realizzata anch’essa attraverso router Cisco 2811 interconnessi fra 
loro in modo da creare un’infrastruttura separata, rispetto alla primaria, su cui convogliare 
tutti i flussi dati relativi ai servizi utili all’esercizio del sistema DOTE, che per priorità e 
requisiti di riserva di banda, è necessario distinguerlo dal flusso dati dedicato al processo 
di telecontrollo. Le interfacce sono G.703 ed Ethernet (per il collegamento verso i router 
della rete primaria). 
Le Reti di Campo infine realizzano un’infrastruttura di collegamento lungo le singole tratte 
ferroviarie. Composte attraverso una catena di apparati di accesso proprietari Selta, 
operanti in questo caso a livello 2 (modello ISO/OSI), denominati SNN e interconnessi tra 
loro attraverso diversi mezzi trasmissivi (SHDSL su rame, Ethernet su fibra ottica), a 
seconda della disponibilità on-site, realizza segmenti di rete locale la cui lunghezza 
corrisponde a quella della tratta ferroviaria di appartenenza. 
La Figura 1.2 mostra lo scenario concettuale delle tre reti: in rosso la Rete Primaria, in blu 
la Rete Secondaria, in grigio le Reti di campo con gli apparati di accesso SNN; in evidenza 
anche i due sottosistemi Posto Centrale e Disaster Recovery
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Figura 1.2 INFRASTRUTTURA DI RETE 
    
1.3 Architettura reti di campo 
 
I nodi locali di telecomunicazioni, presenti in ogni stazione ferroviaria e sottostazione 
elettrica, sono costituiti dagli apparati di accesso Selta SNN. Le interfacce dedicate alle 
utenze, per un massimo di quattro, sono esclusivamente Ethernet. La Figura 1.3 mostra 
uno scenario dei possibili apparati collegabili e dei diversi vettori di connessione remota tra 
le diverse stazioni. 
 
 
Figura 1.3 UTENZE E APPARATI SNN LUNGO LINEA 
 
1.4 mezzi trasmissivi 
 
1.4.1 single pair high-speed dsl (shdsl) 
 
In questo progetto si è fatto uso di mezzi trasmissivi in rame lungo le tratte di campo, con 
tecnologia di trasmissione SHDSL, dove l’impiego di fibre ottiche non è stato possibile. 
Questa tecnica, è in grado di soddisfare richieste di soluzioni su trasporto simmetrico e
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requisiti specifici di velocità trasmissiva. Secondo lo standard TS 101 524 consente un bit 
rate adattivo tra 200kbps e 2.320mbps a passi di 64kbps su configurazione singola coppia 
e le portate raggiungibili, sono in funzione della velocità di linea. La massima distanza 
raggiungibile dipende dall’attenuazione specifica del doppino, dal bitrate impostato e dalle 
condizioni di rumorosità del cavo (più è rumoroso, minore è la distanza copribile). La 
trasmissione del payload avviene interamente in modalità numerica. 
I requisiti di RFI (rif. Norma TT 592) relativi a SHDSL sono: 
• Utilizzo di rigeneratori di linea da prevedere nel caso in cui la distanza da coprire risulti 
maggiore di quella raggiungibile tra due apparati; 
• Divieto di usare livelli di potenza maggiori rispetto a quelli previsti al fine di aumentare 
le distanze raggiungibili. 
 
1.4.2 itu-t g.703 
 
G.703 è uno standard specifico sulle caratteristiche fisiche ed elettriche di un’interfaccia di 
trasmissione seriale per la trasmissione di flussi E1 a 2048Mbps. Nel nostro caso i flussi 
E1 sono non strutturati. Nel collegamento non strutturato non si impone alcuna struttura di 
trama. L’unico vincolo è la necessità di sincronizzarsi al clock di trasmissione fornito 
dall’interfaccia.   
Si usano o micro coassiali non bilanciati a 75null con connettori terminali BNC o cavi TP 
bilanciati a 120null con connettori terminali RJnull45. 
 
1.4.3 100base-fx 
 
Standard che permette la trasmissione a 100Mbps su fibra ottica. Si utilizza un cavo in 
fibra ottica multimodale per trasmettere su distanze maggiori rispetto a quelle raggiungibili 
con il semplice doppino in rame.  Usa due cavi di fibra, uno per ricevere e uno per 
trasmettere. 
 
1.5 il telecontrollo 
 
1.5.1 introduzione ai sistemi SCADA 
 
Lo scopo di un sistema di telecontrollo è garantire, concentrandole in un'unica sede, tutte 
le attività di monitoraggio, comando e raccolta dati relativi a più impianti o processi 
operativi. I vantaggi offerti da questi tipi di sistema sono: 
• Tempi rapidi di segnalazione di anomalie e conseguenti interventi di ripristino; 
• Regolazione in real time dei sistemi controllati remotamente; 
• Controlli antintrusione;  
• Archiviazione e uso di dati storici provenienti “dal campo”; 
• Possibilità di monitorare e regolare in continuo sistemi estesi geograficamente.