Перспективы развития сетей.

 

Развитие телекоммуникационных сетей прежде всего связано с развитием услуг и качеством их предоставления. Сейчас на ряду с традиционными услугами (телефония, телевидение, радиовещание) появилось и появляется много новых: доступ к ресурсам Интернет, электронная почта, видео по запросу, электронная торговля, игры по компьютерным сетям и многое другое. Многообразие услуг породило много новых понятий и требований к сетям, существенно преобразует экономические отношения участников информационного и телекоммуникационного бизнеса.

Одним из новых понятий стало понятие “контента”, т.е. информационного содержания телекоммуникационных потоков. По одному из определений “Контент - это данные, преобразованные в любую форму, предназначенные для хранения или передачи с целью востребования во множестве случаев”. Основными видами контента являются:

- аудиосодержание (аудио) – звуковые композиции

- видеосодержание (видео) – визуальные композиции, которые могут объединяться со звуковыми

- синтеосодержание – ряд двух или трехмерных объектов, полученных химическим или механическим способом (книги, произведения искусства и т.д.)

- медиасодержание (медиа) – объединение текстовых, звуковых и визуальных композиций для совместного отображения.

Передача этих видов контента может осуществляться по разному, например почтой, но мы рассматриваем только телекоммуникационные способы, которые будут зависеть от типа контента (телефония, телевидение и т.д.), типа адресации (индивидуальная, групповая, широковещательная) и способа организации соединения ( по запросу получателя-диалог, по инициативе отправителя-вещание).

Учитывая все эти факторы, а так же территориальное состояние абонента (стационарность или мобильность) оператор может оценить число необходимых телекоммуникационных потоков, возможность своих технических ресурсов, провести маркетинговые исследования на предмет востребованности услуг и только потом строить план развития сети. Таким образом, в основу развития сети ставится объем передаваемого контента (трафик), а не привлекательные технические решения.

Стремительное развитие технологий на базе постоянного соединения(DSL, кабельное телевидение и др.) принципиально меняет модель бизнеса интернет - услуг. Все дело в том, что сейчас в качестве основной расчетной единицы начинает выступать не время(минуты, часы), а объемы принятого и переданного трафика(Мегабайты). Следовательно, провайдер Интернет - услуг заинтересован размещать источники информации у себя на сервере, покупая контент у ее разработчиков (базы аудио и видео, учебные сайты и т.п.). Затем за передачу информации провайдер берет плату с абонентов. Плата за внешний трафик из других удаленных источников при этом минимизируется. Таким образом, бизнес-модель становится следующей:

Производитель товара (контента)- оптовый продавец (провайдер)-конечный покупатель(пользователь интеренета).

Другой тенденцией, наряду с развитием услуг и контента, является общее существенное увеличение трафика. Этот рост обусловлен массовой телефонизацией, востребованностью услуг сотовой связи, скоростного интернета, кабельного телевидения и требует значительного (в 10, 100 раз) увеличения пропускной способности, как магистральных сетей, так и сетей доступа.

Качество оказания услуг ставится абонентами в числе главных приоритетов. При технической реализации оно определяется задержкой сигнала и нестабильностью (флуктуациями) этой задержки.

Наконец, интеграции услуг или мультисервисность предполагают доведение всех видов контента до потребителя с помощью одного коммуникационного потока и выделение из него отдельных составляющих на терминальных устройствах. Сейчас такие виды услуг как телефония, телевидение и передача данных подаются по отдельным сетям, и абонентов это устраивает. Однако в дальнейшем, с ростом числа услуг, с необходимостью увеличивать пропускную способность сетей доступа, внедрение мультисервисных сетей неизбежно.

Рассмотрим теперь проблемы системного характера, препятствующие или ограничивающие реализацию обозначенных выше тенденций:

1. Недостатки семиуровневой модели (ЭМВОС). Несмотря на то, что эта модель была принята в 1984г. и без обращения к ней сейчас невозможно построить любую открытую телекоммуникационную систему, она требует модернизации или замены по ряду причин:

- эталонный или рекомендательный характер модели, позволяет разработчикам технологий (оборудования и программного обеспечения), трактовать функции уровней с определенной свободой, что приводит к появлению множества близких технологий переноса и распределения потоков, которые в конечном итоге не всегда понимают друг друга. Оборудование разных производителей также не стыкуется между собой

- избыточность модели проявляется в дублировании функций транспортного и канального уровня по передаче пакетов в системе “отправитель” - ”получатель”. Если канальный уровень работает с любым цифровым потоком, то транспортный обязан делить его по виду услуг, да к тому же берет на себя функции повторной передачи искаженных пакетов

- сложная система адресации состоит в том, что независимо существуют телефонная адресация, многоуровневая адресация в сетях передачи данных (МАС – адреса, IP-адреса, DNS). Кроме этого в IP заголовке есть адрес получателя, адрес объекта (отправителя) и адрес услуги (прикладного процесса).

2. Противоречия между эффективностью и качеством передачи:

- с одной стороны информационные потоки должны быть не коррелированны (не влиять друг на друга). Для этого применяются ортогональные сигналы в системах с разделением каналов (ЧРК, ВРК, кодовое разделение). Но, как известно, эти методы не эффективно используют канал передачи, особенно в дуплексном режиме. Методы статистического уплотнения (коммутация пакетов) и множественного доступа (CSMA/CD, и др.) повышают эффективность передачи, но не обеспечивают некоррелированность информационных потоков(очереди и др.)

- при пакетном режиме передачи для обеспечения требуемого уровня QoS (уровень и флуктуации задержки) вводит режим меток (MPLS и др.), что приводит к потере свойства выбора маршрута и делает услугу привилегированной. Кроме того, при передаче длинных пакетов трудно обеспечить приоритет для коротких

- применение режима маршрутизации замедляет процесс передачи, поскольку требует времени для анализа таблиц, которые требуется оперативно обновлять. Особенно остро это ощущается при организации резервных путей, когда маршрутизаторы выходят из строя.

3. Затруднено взаимодействие операторов использующих различные сетевые технологии и, особенно, различные протоколы сигнализации.

К другим проблемам следует отнести необходимость защиты адресных кодов, затрудненность диалога в схеме “точка” - “многоточка”.

Многие из этих проблем и противоречий на современном уровне развития телекоммуникаций не разрешены. Поэтому перспектива их развития выглядит следующим образом:

1. Необходимо применять наиболее злободневные “частные” решения.

2. Одновременно готовить новые революционные технологии.

Ниже рассмотрим некоторые “частные” решения.

 

Развитие волоконно-оптических технологий

Ряд проблем и противоречий в развитии телекоммуникационных систем можно решить методом избыточности – путем существенного увеличения пропускной способности. К счастью, современные цифровые системы передачи данных позволяют это сделать. Рассмотрим стандартную схему магистральной ЦСП на основе ВОЛС и технологии SDH(рисунок 8.3).

Здесь компонентные потоки E1, E3, STM-1 и другие объединяются мультиплексором ввода-вывода (МВВ) и передаются по волоконно-оптической линии связи. Если магистраль протяженная, то для усиления и восстановления цифрового сигнала применяются оптические усилители (ОУ) и регенераторы (Р). Далее по трассе на узлах стоят либо следующие МВВ, либо кросс-коннекторы (КК).

Пропускная способность этой трассы зависит от технических характеристик всех ее элементов.

Так ВОЛС, работающая на одномодовом волокне с длинной волны света 1.55 мкм имеет полосу пропускания 0.2 мкм или 25Тгц. Это потенциальные ресурсы волокна (скорость передачи ~ 25 Тбит/с) не могут быть реализованы из-за затухания света и различных видов дисперсии. При этом может быть получена пропускная способность до 2-10 Гбит/c при расстояниях 50-100 км.

Мультиплексоры ввода-вывода стандартизированы и выпускаются со следующими скоростями линейных интерфейсов: STM-1 (155 Мбит/c), STM-4 (622 Мбит/c), STM-16 (2.5 Гбит/c), STM-64 (10 Гбит/c). Оптические усилители и регенераторы имеют полосы пропускания, достаточные для работы с такими потоками.

Дальнейшее наращивание пропускной способности систем передачи будет ограничиваться быстродействием мультиплексоров и кросс-коннекторов, несмотря на высокую потенциальную возможность оптического волокна. Поэтому для существенного повышения скорости передачи было предложено использовать частотное уплотнение (ЧРК в оптическом диапазоне (рисунок 8.4)).

 

 

Здесь как и ранее МВВ собирает цифровые потоки, а затем оптические лазерные передатчики преобразуют их в оптические сигналы с разными длинами волн так, чтобы их полосы не пересекались. Далее световые потоки объединяются в оптическом мультиплексоре WDM (Wavelength Division Multiplexing), передаются с усилением или без него по волокну а далее демультиплексируются и разбиваются на отдельные STM структуры.

Число N, объединяемых световых потоков STM-64, может достигать 80. При этом результирующая пропускная способность составляет фантастическую цифру (800 Гбит/с).

Далее следует учесть, что в оптическом кабеле расположено несколько волокон (от 2 до 24 и более).

Развитие сетей передачи данных.

В области передачи данных продолжается острейшая конкуренция технологий. Если ранее соперничали x.25, Frame Relay, IP, то в настоящее время параллельно с ними предложены и развиваются ATM, MPLS,DPT 10Гбит Ethernet и другие. Суть технологии АТМ рассмотрена в разделе 6, здесь уделим некоторое внимание MPLS.

Технология MPLS (Multi Protocol Label Switching)- это технология быстрой коммутации пакетов в многопротокольных сетях основанная на использовании меток. Повышенная скорость коммутации определяется тем, что вместо анализа достаточно длинного сетевого (IP) или MAC адреса в MPLS направление пакета по маршруту осуществляется после считывания более короткой метки. Эта метка не заменяет IP и MAC адрес, а добавляется к ним (рисунок 8.5).

 

Заголовок Ethernet

Метка MPLS

Заголовок IP

Данные

Рисунок 8.5 Расположение метки

 

Многопротокольный характер метки означает, что MPLS работает по принципу инкапсуляции и может транспортировать множество других протоколов (рисунок 8.6).

 

Еще одним важным достоинством MPLS является возможность обеспечения QoS. Для этого метки наделяются признаком класса обслуживания. FEC (Forwarding Equivalence Class). Более того, вводится целый стек (совокупность) меток, чтобы можно было отделить функции передачи и функции сервиса.

Фрагмент сети IP-MPLS представлен на рисунке 8.7.

 

 

Рисунок 8.7 Сеть MPLS – IP

 

Сеть состоит из маршрутизаторов Mi с коммутацией меток LSR- Label Switching Router, которые направляют трафик по предварительно проложенным путям с коммутацией меток. Метка присваивается каждому пакету и содержит информацию о пути следования и о классе обслуживания. Содержание метки действует только на участке между двумя соседними LSR. LSR - это сочетание обычного маршрутизатора и высокоскоростного коммутатора. Маршрутизатор определяет топологию сети по принятым алгоритмам (OSPF, BGP и др.), выбирает рациональные маршруты, а коммутатор обеспечивает передачу пакетов с использованием меток и упрощенных локальных таблиц коммутации.

Сеть MPLS делится на две функционально различные области - ядро и граничную область. Маршрутизаторы ядра занимаются только передачей пакетов. Все функции классификации пакетов по различным FEC, фильтрации, выравнивания нагрузки , управления трафиком берут на себя пограничные LSR. Поэтому объемные и интенсивные вычисления приходятся на граничную область, а высокоскоростная коммутация на ядро.

Обеспечение QoS с помощью классов сервиса FEC позволяет передавать пакеты разных классов по разным путям и с разными приоритетами. Кроме этого механизм MPLS позволяет обеспечить дополнительные функции QoS путем сочетания с другими механизмами обеспечения качества. Например, это механизм RSVP- Resource Reservation Protocol. RSVP – это протокол сигнализации, который обеспечивает резервирование ресурсов, таких как гарантированная пропускная способность канала, предсказуемая задержка, предельный уровень ошибок и потерь. Протокол запрашивает для своего абонента у маршрутизаторов сети необходимый уровень QoS и при наличии требуемого ресурса гарантирует данную услугу. В случае MPLS метка будет учитывать результаты RSVP переговоров и обеспечит данный качественный маршрут. Таким образом, MPLS управляет качеством услуги в транспортной сети, а RSVP в сети доступа.

Нетрудно увидеть, что MPLS-IP и ATM – две остро конкурирующие технологии. Пока соревнование выигрывает MPLS по следующим причинам:

1. Сеть IP - уже является глобальной и надстройка в виде MPLS легко внедряется и хорошо масштабируется в магистральных сетях.

2. Оборудование ATM значительно дороже, особенно для крупных узлов.

3. Несмотря на то, что в ATM изначально решены многие противоречия телекоммуникационных систем по скорости, задержкам, QoS, технология IP-MPLS успешно их решает с применением механизмов MPLS, RSVP и других.

NGN – Next Generation Networks – сети следующего поколения. К настоящему времени сложилось следующее определение NGN:

Гетерогенная мультисервисная сеть, обеспечивающая передачу всех видов медиатрафика и распределенное предоставление неограниченного спектра телекоммуникационных услуг, с возможностью их добавления, редактирования, распределенной тарификации. Сеть поддерживает передачу разнородного трафика с различными требованиями к качеству обслуживания с минимальными затратами.

Как видим, преодоление многих противоречий, описанных выше, может быть реализовано в сетях NGN. В основе концепции NGN лежат следующие положения:

− мультисервисное обслуживание абонентов (интеграция услуг телефонии, видео и передачи данных);

− поставщики услуг должны быть независимы от операторов связи, любая новая услуга должна быть доступна любому абоненту;

− транспортная сеть должна быть построена по технологии коммутации пакетов, система коммутации является распределенной;

− сеть доступа должна быть широкополосной и включать в себя все перспективные технологии (Ethernet, V.35+PPP, PDH, ATM и др.);

− управление качеством предоставления услуг.

В связи с этим можно сеть NGN представить в виде следующей структуры (рисунок 8.8). Здесь ядро транспортной сети образует сеть передачи данных, которая через медиа – шлюзы соединена с телефонной сетью общего пользования и мобильными сетями. Назначение медиа–шлюзов - преобразование информационных потоков к виду удобному для передачи по сети передачи данных.

Рисунок 8.8 Структура сети NGN

Наряду с этими шлюзами существуют шлюзы сигнализации, которые согласуют процедуры установления соединения абонентов между собой и процедуры получения абонентами других различных услуг. Всем этим управляет специальный программный коммутатор (softswitch), который регулирует и установление соединения и обеспечивает подключение абонента к необходимой ему услуге.

В качестве прообраза NGN сетей чаще всего используют IP – сети. Для того чтобы это увидеть, изобразим процессы в NGN с помощью системы уровней (рисунок 8.9). Здесь же приведем структуру уровней стека протоколов TCP/IP.

Рисунок 8.9 Структура уровней NGN и TCP/IP

Здесь, как и в NGN, так и в TCP/IP на физическом и канальном уровнях допускаются любые интерфейсы и протоколы. Сетевой уровень обеспечивает передачу пакетов с помощью маршрутных таблиц. На четвертом (транспортном) уровне к известным протоколам гарантированной доставки пакетов (TCP) и негарантированной доставки (UDP) добавляется протокол RTP (Realtime Transport Protocol), обеспечивающий доставку пакетов в реальном масштабе времени. Это необходимо при передаче голосового трафика (IP - телефония) и изменяющегося во времени изображения (телевидение). Основная функция RTP – сглаживание джиттера (изменения задержки сигнала). Как правило, RTP работает совместно с протоколами UDP и RTCP.

Протокол RTCP – предназначен для контроля качества прохождения пакетов (сбор статистики о задержке пакета, джиттере, количестве и доле потерянных пакетов).

На уровне управления NGN помимо RTP введены и другие протоколы. Например, MGCP (Media Gateway Control Protocol) – назначение которого - управление шлюзами со стороны программных коммутаторов.

Для коммутации мультимедийных приложений через IP сети разработаны специальные протоколы Н.323, SIP, MGCP, MEGACO и др. Протокол Н.323 реализуется в IP – телефонии и кратко рассмотрен в разделе 7.5.2. Напомним, что он осуществляет связь по цепочке:

абонент →медиа – шлюз → IP сеть → программный коммутатор (привратник)→ IPсеть → медиа – шлюз → абонент. Назначение программного коммутатора – трансляция адресов, идентификация и авторизация абонентских терминалов, сбор статистики и тарификация.

В последнее время протокол Н.323, который является достаточно сложным, заменяется протоколом SIP (Session Initiation Protocol). Он базируется на протоколе HTTP, работает поверх протокола UDP. Элемент сети на базе протокола SIP изображен на рисунке 8.10. Передача информации (телефония, данные, видео) осуществляется после установления соединения. Для этого абонент А (клиент) обращается с запросом к своему серверу, назначение которого принимать и транслировать запросы и возвращать ответы. Запрос транслируется на прокси – сервер, который устанавливает местоположение абонента В с помощью сервера местоопределения и транслирует запрос абоненту В через его серверы.

Рисунок 8.10 Элемент SIP – сети

В другом варианте связи местоположение абонента В с помощью сервера переадресации сообщается непосредственно абоненту А и передача информации ведется непосредственно между абонентами, минуя прокси – серверы.

Внедрение NGN предполагается эволюционным путем, так как на сетях электросвязи используется много коммутационных станций, работающих по технологии коммутации каналов. В сетях доступа также много терминального оборудования и оборудования узлов, не исчерпавших свой ресурс. Поэтому один из возможных сценариев перехода к NGN в городских телефонных сетях следующий:

1. Вначале создается междугородний узел NGN (IP – телефония). Одновременно функционирует «классическая» АМТС, работающая по технологии коммутации каналов. Распределение нагрузки между ними осуществляет специальный сервер.

2. На ряде АТС создаются узлы NGN, которые реализуют режим коммутации пакетов. Линии, соединяющие эти узлы, работают по протоколам IP или родственным им протоколам.

3. Технология NGN внедряется на всей сети.

Помимо IP – телефонии перспективными направления NGN являются конвергенция проводной и беспроводной связи, конвергенция телекоммуникаций и информационных технологий.