4675

Сети следующего поколения. Конспект лекций

Конспект

Коммуникация, связь, радиоэлектроника и цифровые приборы

Сети следующего поколения Введение Переход к пакетным технологиям при модернизации и построении новых сетей связи общего пользования (ССОП) стал настоятельно необходим. Традиционные операторы связи приступили к перестройке своих сетей с ориентацией...

Русский

2014-12-21

8.99 MB

473 чел.

Сети следующего поколения

Введение

Переход к пакетным технологиям при модернизации и построении новых сетей связи общего пользования (ССОП) стал настоятельно необходим. Традиционные операторы связи приступили к перестройке своих сетей с ориентацией на пакетную коммутацию и придание им свойств мультисервисности.

Операторы заинтересованы в построении такой сети связи, которая бы поддерживала непрерывный контроль процессов обработки вызовов клиента и предоставления услуг по одним и тем же правилам, гарантирующим запрошенный уровень качества обслуживания, независимо от способов транспортировки данных и видов используемого оборудования.

Несмотря на то, что опубликовано большое количество рекомендаций ITU-T (серия Y.xxxx), посвященных глобальной информационной инфраструктуре (GII) и NGN, согласованная концепция сети следующего поколения пока не разработана. Ряд авторов рассматривает NGN как инструмент для модернизации сетей связи.

Структура учебного пособия

Содержание пособия моет быть разделено на три части:

  •  первая часть, в которую входят главы 1-3;
  •  вторая часть, в которую входят главы 4-8;
  •  третья часть, состоящая из глав 9, 10 и 11.

Первая часть учебного пособия посвящена тенденциям в развитии современных сетей и трафику мультисервисных сетей.

В первой главе пособия рассматриваются направления развития сетей (конвергенция телекоммуникационных  технологий), глобальная информационная инфраструктура и инфокоммуникационные услуги.

Вторая глава посвящена рассмотрению атрибутов трафика, самоподобного трафика мультисервисных сетей.

В третьей главе рассматривается история развития сетей связи, структура Единой сети электросвязи (ЕСЭ) Российской Федерации, концептуальные положения по построению мультисервисных сетей на ЕСЭ России, методам коммутации и их сравнительному анализу.

Во второй части пособия содержатся учебные материалы, посвященные принципам построения NGN.

Четвертая глава посвящена проблемам перехода к сети следующего поколения и модели NGN.

В пятой главе рассматриваются: функциональная структура NGN, принципы построения транспортных пакетных сетей, сетей доступа и протоколы NGN.

Шестая глава посвящена методам и средствам обеспечения качества обслуживания в NGN, общим требованиям к качеству доставки информации в сетях с разными технологиями, механизмам обеспечения качества обслуживания пользователей, соглашению об уровне качества услуги, защите от перегрузок.

В седьмой главе рассматриваются подходы к выбору технологии транспортной сети нового поколения, технология асинхронного метода переноса, технология многопротокольной коммутации с помощью меток (MPLS), технологии физического уровня, поддержка качества услуг в сетях с пакетной коммутацией.

Восьмая глава посвящена основным сценариям перехода к NGN, принципам модернизации ГТС и СТС.

Третья часть пособия посвящена вопросам проектирования мультисервисных сетей, управления сетью, трафиком.

В девятой главе рассматриваются принципы управления сетями следующего поколения.

Десятая глава посвящена методологии проектирования телекоммуникационных сетей: организации сетей доступа, расчету нагрузки сетей доступа и транспортной.

В одиннадцатой главе рассматриваются примеры построения мультисервисных сетей.

В каждой главе учебного пособия имеются контрольные вопросы, предназначенные для самоконтроля усвоения учебного материала студентами, и библиография.

Глава 1. Пути перехода к сетям следующего поколения

1.1 Основные тенденции в развитии современных сетей

В стратегии развития информационного общества в Российской Федерации, принятой Министерством информатизации и связи в 2005 г. [1], приведены контрольные значения показателей развития на период до 2015 года (таблица 1.1).

Таблица 1.1. Контрольные значения показателей развития информационного общества в Российской Федерации на период до 2015 года

Наименование показателя

Значение показателя

Место Российской Федерации в международных рейтингах в области развития информационного общества 

в числе двадцати ведущих стран мира

Рост объема инвестиций в использование информационных и телекоммуникационных технологий в национальной экономике по сравнению с 2007 годом

не менее чем в 2,5 раза

Уровень использования линий широкополосного доступа на 100 человек населения за счет всех технологий

к 2010 году -15 линий;

2015 году - 35 линий

Наличие персональных компьютеров, в том числе подключенных к Internet 

не менее чем в 75% домашних хозяйств

Важно отметить, что среди других показателей развития информационного общества используется показатель (международный рейтинг), значение которого определяется не министерством, а международным сообществом.

В [1] приведены также основные индикаторы связи и информатизации за 2005-2006 гг. (таблица 1.2).

В таблице 1.3 приведены показатели развития рынка информационно-коммуникационных технологий (ИКТ) в 2005-2006 гг.

Анализируя данные таблицы 1.2, можно отметить, что еще низки такие показатели как телефонная плотность (особенно на сельских телефонных сетях), уровень цифровизации местных сетей связи общего пользования (ССОП), количество постоянных пользователей Internet, доля оптического кабеля на первичной сети.

Таблица 1.2. Основные индикаторы связи и информатизации за 2005-2006 гг.

Наименование

показателей

Ед. изм.

2005 г.

2006 г.

Темпы роста

Телефонная плотность (всего)

ТА на 100 чел.

30,0

31,1

3,7 %

по городской сети

ТА на 100 чел.

36,3

37,5

3,3 %

по сельской сети

ТА на 100 чел.

13,3

13,8

3,7 %

Проникновение подвижной электросвязи (всего) 

АТ на100 чел.

87,0

108,7

25 %

в т.ч. сотовых сетей

АТ на100 чел.

86,5

108,6

25,5 %

Пользователи Интернет (всего)

млн. единиц

21,80

25,10

15,1 %

Постоянные пользователи Интернет

Ед. на 100 чел.

15,1

17,6

16,5 %

Количество компьютеров (всего)

млн. штук

17,4

23,0

32,2 %

Количество компьютеров – на 100 человек населения

ед/на 100 чел.

12,1

16,1

33 %

Уровень цифровизации на местной телефонной сети (всего)

%

60,9

65,7

7,8 %

на городской сети

%

64,2

69,0

7,4 %

на сельской сети

%

35,8

40,9

14,2 %

Уровень применения цифровых систем передачи на первичной сети

%

98,9

99,3

0,4 %

Доля оптического кабеля на первичной сети

%

49,1

55,4

12,8 %

Уровень применения систем передачи с оптическим кабелем на первичной сети

%

91,0

98,6

+ 8,35 %

Таблица 1.3. Показатели развития рынка информационно-коммуникационных технологий (ИКТ) в 2005-2006 гг.

Наименование показателя

млрд. руб. в текущих ценах

темп роста, %

2005

2006

Общий объем сектора ИКТ

968,2

1196,6

123,6

Доходы от основной деятельности операторов связи (всего)

659,9

835,1

126,5

в т. ч. электросвязь

617,2

781,4

126,6

почтовая связь (с учетом специальной связи)

42,7

53,7

125,8

Объем рынка информационных технологий,  в том числе:

308,3

361,5

117,3

рынок аппаратных средств

187,0

212,7

113,7

рынок программных средств

42,1

57,0

135,4

рынок услуг

79,2

91,8

115,9

Платежи отрасли связи в  консолидированный  бюджет  

110,0

145,0

131,8

На сегодняшний день только 26% оборудования, используемого на сетях местной телефонной связи в Российской Федерации, соответствует мировому уровню. За период до 2010 года предусматривается модернизировать около трех четвертей номерной емкости существующих сетей связи общего пользования, что составляет свыше 20 млн. номеров. Кроме модернизации морально и физически устаревшей техники, планируется увеличение общего количества телефонов в стране на 16,5 млн. номеров. Таким образом, за период до 2010 года с целью модернизации и расширения местных телефонных сетей необходима закупка примерно 36 млн. номерной емкости, что в ценовом выражении может составить до 7,9 млрд. долларов США. Годовая потребность в стоимостном выражении составит свыше 1 млрд. долларов США в 2010 году.

Крайне острыми продолжают оставаться проблемы сельской связи и проблемы связи на труднодоступных территориях. Причины существующих проблем в нашей стране объясняются, прежде всего, высокой себестоимостью этих услуг связи и крайне низкой покупательной способностью населения.

В настоящее время около 50 тысяч населенных пунктов не имеют телефонной связи. Телефонная плотность на селе составляет примерно 14 телефонов на 100 жителей. В рассматриваемый период необходимо ввести номерную емкость телефонной сети 2700 - 2800 тысяч номеров, из которых 600 тысяч номеров идут на замену выводимого из эксплуатации оборудования.

Существующая система правового регулирования рынка телекоммуникационных услуг имеет ряд серьезных недостатков. К их числу следует отнести:

  •  ограничение рыночного потенциала традиционных операторов связи и создание неравных условий на рынке для традиционных и новых операторов;
  •  отсутствие эффективных механизмов, регулирующих деятельность по оказанию услуг присоединения;
  •  отсутствие последовательности в реализации принципов тарифного регулирования, установленных государством;
  •  отсутствие гарантий и механизма реализации права граждан Российской Федерации на доступ к сети связи общего пользования (ССОП) независимо от их местонахождения и уровня доходов;
  •  недостаточная защита национальных интересов при решении вопросов участия иностранных инвесторов в развитии национальной телекоммуникационной инфраструктуры.

Мобильная связь

Сегмент рынка услуг мобильной связи полностью либерализован и переживает период динамичного роста. Количество абонентов увеличивается не менее чем на 25% ежегодно. Потенциал роста рынка мобильной связи оценивается как высокий. В этом сегменте рынка развернулась наиболее острая конкурентная борьба компаний-операторов, при этом первая пятерка компаний обслуживает 3/4 всех абонентов.

Ежегодный прирост пользователей Интернет составляет 15-16 процентов. Сегмент рынка оборудования для развития сети передачи данных, телематических услуг и Интернет является потенциально наиболее динамично растущим.

1.2 Направление развития сетей (конвергенция телекоммуникационных  технологий)

В настоящее время при построении мультисервисных сетей используются технологии IP/ATM, IP/MPLS, IP/GigabitEthernet. Основное преимущество технологии IP/MPLS перед IP/ATM в долгосрочной перспективе состоит в более высокой степени масштабирования (scalability, extensibility) – расширяемости, возможности функционального наращивания системы путем добавления новых элементов или замены устаревших на более совершенные, без изменения архитектуры. Таким свойством должна обладать, прежде всего, транспортная сеть. Предпочтительная область применения технологии IP/MPLS ядро транспортной сети.

Масштабируемость означает также экономичную поддержку большого количества пользовательских потоков. Экономичность подразумевает возможность передачи через магистраль многочисленных потоков без слежения за каждым из них, а совокупно за множеством (путем агрегирования). Агрегирование потоков реализуется как в технологии ATM, так и MPLS: в ATM это агрегирование отдельных виртуальных соединений (VCC) в общий виртуальный путь VPC, а в MPLS агрегирование разных пользовательских потоков в общий класс доставки (Forwarding Equivalence Class, FEC) и передача их по общему пути (Label Switching Path, LSP).

При этом механизмы агрегирования в технологии MPLS более гибки и поддаются автоматизации. Если коммутатор ATM пользуется только таблицей коммутации второго уровня с идентификаторами виртуального канала (VCI) и тракта (VPI), то маршрутизатор MPLS, коммутирующий с помощью меток (Label Switched Router, LSR), имеет доступ к информации того же второго уровня, третьего (IP-адрес), четвертого (порты TCP/UDP), а часто и прикладного.

Поэтому администратор может не конфигурировать отображение соединений виртуальных каналов (VCC) на соединения виртуальных трактов (VPC) вручную, а написать несколько правил агрегирования с учетом разных признаков трафика, в том числе и высокоуровневого, и предоставить дальнейшую работу LSR. Еще одним отличительным свойством MPLS, повышающим её масштабируемость, является неограниченное число уровней иерархии меток и, соответственно, агрегирования путей вместо двух уровней (VPC/VCC) в технологии ATM [2].

Технологии ATM и MPLS выполняют в современных транспортных сетях одни и те же функции: создание виртуальных соединений на звеньевом уровне. Создание виртуальных соединений обеспечивает:

  •  дифференцированное обслуживание различных типов пользовательских потоков данных (поддержка соглашения об уровне качества услуг доставки информации – Service Level Agreement, SLA);
  •  оптимальное использование ресурсов на основе рационального выбора маршрутов следования потоков данных через сеть (с помощью методов управления трафиком – Traffic Engineering, TE).

В технологии ATM имеется несколько ограничителей, из-за которых ее масштабируемость не может выходить за определенные рамки. Самым принципиальным ограничителем является фиксированный и очень небольшой размер ячейки – 53 байта, 48 из которых переносят пользовательские данные. Малый размер ячейки был выбран с целью создания предсказуемых условий переноса через магистральную сеть чувствительной к задержкам голосовой информации со скоростью 155 Мбит/с (скорость 155 Мбит/с была наиболее распространенной в сетях ATM в начале 90-х годов 20-го века). За прошедшие 15 лет масштабы скоростей транспортных сетей изменились, в настоящее время технологии доставки информации работают уже со скоростью 10 Гбит/с (10GigabitEthernet, 10GE) и более.

Затраты вычислительной мощности любого пакетного коммуникационного устройства, независимо от поддерживаемой им технологии, пропорциональны количеству обрабатываемых пакетов (кадров, ячеек), а не их размеру. Поэтому производительность коммутатора ATM должна быть примерно в 100 раз больше, чем производительность маршрутизатора IP, работающего с пакетами размером 4500—5500 октетов. При этом разница задержки при доставке на физическом уровне вследствие различий размера ячеек и пакетов не превышает наносекундных величин и не ощущается пользователями сети.

Преимущество ATM  тонкая и разнообразная поддержка дифференцированного обслуживания потоков разных типов, которая всегда рассматривалась как наиболее сильная сторона ATM. Действительно, разработчики технологии всесторонне проанализировали все типы существующих потоков данных, разделили их на классы, для каждого создали отдельную службу (CBR, rtVBR, nrtVBR, ABR и UBR), призванную наилучшим образом поддерживать доставку соответствующего вида информации.

При этом узлы сети ATM обеспечивают контроль параметров качества доставки информации по способу «из конца в конец» для каждого отдельного виртуального соединения, обеспечивая высокую степень гранулированности соглашений пользователя с администрацией сети (Service Level Agreement, SLA).

Неспособность сети с технологией MPLS поддерживать качество доставки информации подобным образом очень многие считают ее слабостью и главной причиной сохранения технологии ATM в магистральных сетях. Безусловно, проблемы с поддержкой качества доставки информации в сетях с технологией IP/MPLS существуют, но дело не в том, что MPLS не может поддерживать качество доставки информации пользователя на таком же уровне, что и ATM. Сегодня еще отсутствует стандарт ITU-T и других международных органов, устанавливающий для MPLS способы поддержки качества доставки информации в соответствии с особой ролью этой технологии, предназначенной для ядра сети, а не для ее периферии.

Нужно отметить, что поддержка качества доставки информации вообще не встроена жестко в MPLS (если не считать зарезервированных 3 бит поля Exp в заголовке, которые используются для переноса признака приоритетности кадра). Подобное упрощение сделано сознательно, чтобы предоставить изготовителям и сетевым интеграторам свободу действий и возможность применять те из имеющихся механизмов поддержки качества доставки информации, которые наилучшим образом отвечают потребностям операторов сетей связи. Сегодня таким рекомендуемым механизмом является дифференцированное обслуживание (DiffServ), он разработан для сетей IP и ориентирован на работу с несколькими агрегированными классами сетевого трафика, а не с отдельными пользовательскими соединениями, как в ATM. Именно такая технология подходит для работы в ядре (core) транспортной сети.

В начале 21-го века наметилась тенденция применения связки технологий IP/MPLS в магистральной сети. При этом за технологией ATM остаются сети доступа, где применение ее вполне уместно. Большинство операторов связи экономически развитых стран мира поддерживают такое решение, считая сочетание «ATM в сети доступа» и «IP/MPLS в ядре транспортной сети» рациональным и стратегически верным. Технология ATM обладает преимуществами в случае использования приложений, которым нужна гарантированная полоса пропускания, например, для приложений реального времени.

В России технология ATM не применяется в сети доступа из-за высокой стоимости программно-аппаратных средств.

При взаимодействии сети доступа с магистральной сетью на втором протокольном уровне цифровые потоки, генерируемые объектами первого или второго уровней, инкапсулируются непосредственно в кадры или ячейки второго уровня, что, соответственно, уменьшает накладные расходы. В таблице 1.4 приведены примеры вынужденной протокольной избыточности (накладных расходов) при применении различных технологий доставки информации. Протокольная избыточность определяется отношением объема протокольного заголовка и, возможно, хвостовика (Lprot) к общему объему протокольного блока данных (Ltotal).

Для доставки потока кадров второго уровня через магистраль используются таблицы отображения адресов второго уровня на пути, коммутируемые с помощью меток (LSP).

Таблица 1.4. Протокольная избыточность разных телекоммуникационных технологий

Протокольная избыточность

ATM

IP

Ethernet

Lprot/Ltotal, %

10

0,1

1,0

При этом адрес кадра второго уровня не отбрасывается, а запоминается и помещается в поле внутренней метки заголовка MPLS, то есть используется свойство MPLS, состоящее в поддержке иерархических путей за счет иерархии меток в заголовке кадра. При выходе кадра или ячейки из магистрали IP/MPLS эта адресная информация восстанавливается, и данные доставляются к узлу назначения в соответствии с технологией, используемой в сети доступа.

Таким образом, реализуется туннелирование потока кадров второго уровня, при котором в качестве туннелей используются пути (LSP), созданные в магистральной сети. Если в сети доступа применяется технология ATM, то виртуальное соединение не заканчивается на входном устройстве магистрали, а прозрачным образом проходит через туннель MPLS и продолжается при выходе из магистрали в сети доступа к узлу назначения.

Описанные схемы взаимодействия ATM и MPLS дополняют друг друга. Применяя их вместе, оператор получает возможность доставлять через магистраль IP/MPLS как потоки IP-пакетов, так и потоки данных с другими форматами.

Одним из достоинств технологии MPLS, по сравнению с ATM, является ее способность использовать практически любой формат кадров существующих технологий второго уровня — ATM, Frame Relay, PPP, Ethernet или любой иной. Поэтому технология MPLS имеет несколько разновидностей (A-MPLS, F-MPLS, P-MPLS и E-MPLS), использующих ячейки ATM, кадры Frame Relay, PPP или Ethernet соответственно.

Такая протокольная независимость MPLS обеспечивает высокую степень гибкости и масштабируемости (возможности модификации характеристик без замены оборудования), необходимые в транспортной сети.

После изучения характера трафика мультимедиа и накопления опыта использования технологии MPLS, Оператор может начать перевод потоков, отнесенных к другим классам, на пути, коммутируемые с помощью меток (LSP), в том числе и потоков данных, чувствительных к задержке, доставка которых обеспечивается сегодня с помощью служб CBR и rt-VBR ATM.

На рисунке 1.1 приведены стеки протоколов профиля взаимосвязи IP/MPLS и ATM. Для обеспечения доступа к ресурсам Internet (Intranet) пользователь может применять одну из разновидностей протокола второго уровня LLC и MAC подключенной ЛВС.

Пограничный маршрутизатор LER1 (Label Edge Router) домена MPLS присваивает кадрам протокола LLC метку и направляет поток помеченных кадров по пути LSP (Label Switched Path), выбранному с помощью протоколов маршрутизации (например, OSPF) и распределения меток LDP (Label Distribution Protocol). Путь LSP проходит через сетевые объекты: LER1, LSR1, коммутатор сети с технологией ATM, LSR2, LER2.

Коммутатор ATM использует собственные метки (VPI, VCI) для присвоения их пакетам IP в интерфейсах LSR1 – коммутатор ATM и LSR2 – коммутатор ATM. Пакеты потока от терминала TE A к терминалу TE B проходят в пределах домена MPLS по пути LSP. В объектах домена MPLS (в коммутирующих маршрутизаторах LER, LSR и коммутаторах ATM) пакеты коммутируются с помощью меток L1, L2, L3, L4, L5. В качестве меток L2, L3, L4 используются идентификаторы виртуальных трактов VPI, применяемые в технологии ATM.

Схема сети с технологиями IP/MPLS и ATM приведена на рисунке 1.2.

Вопрос о том, должен ли в ядре сеть следующего поколения использовать режим с коммутацией каналов или с коммутацией пакетов, в наше время решен почти однозначно. В ядре сети будет использоваться режим с коммутацией пакетов. Причинами такого выбора являются:

  •  во-первых, интенсивность трафика данных, который по своей природе является пакетным, будет большей, чем трафика телефонии;
  •  во-вторых, сети с коммутацией каналов неэффективно используют имеющиеся ресурсы, занимая канал связи на все время с момента установления соединения и до его полного разъединения (даже в том случае, когда пользователь не передает информацию).

Более того, это будет сеть с коммутацией пакетов,  основанная на стеке протоколов TCP/IP. Успех стека TCP/IP объясняется его способностью согласования почти с любой из базовых коммуникационных технологий  (PPP, Ethernet, Token Ring, Frame Relay, ATM, IP/MPLS, SDH).

Наличие на рынке огромного количества программ и приложений, использующих протоколы TCP/IP, также способствует предпочтению TCP/IP другим сетевым протоколам. Наконец, использование TCP/IP в Internet, самой быстро развивающейся компьютерной сети нашего времени, позволяет предположить с большой степенью уверенности, что сеть следующего поколения будет использовать стек TCP/IP.

                     

Технология GigabitEthernet 

За долгие годы использования в корпоративных и частных сетях технология Ethernet по экономическим показателям превзошла практически все остальные технологии широкополосного доступа.

Стандарт 10 GigabitEthernet (10GE), ориентированный для использования в сетях общего пользования, позволяет повысить экономичность сетей.

Сегодня стоимость оборудования, использующего связку IP/Ethernet, составляет примерно десятую часть стоимости оборудования IP/ATM или IP/SDH.

В 10GE применяется та же технология, что и в GE, Fast Ethernet, сохранены протокол многостанционного доступа с контролем несущей и обнаружением конфликтов (CSMA/CD) и формат кадра, но в качестве среды передачи используется ВОЛС. Эта технология доставки информации используется при построении магистралей корпоративных мультисервисных сетей и транспортных сетей NGN. Преимущество 10GE по сравнению с ATM состоит в том, что объемы IP-пакетов и кадров Ethernet соизмеримы, поэтому не требуется преобразование пакетов в кадры (ячейки ATM) и обратное преобразование при доставке информации в транспортной сети.

Важнейшая проблема состоит в том, как обеспечить требуемое качество доставки информации всех известных служб, базирующихся как на способе КК, так и на способе КП.

Чтобы предоставлять пользователям любые виды услуг набора, имеющегося у оператора, необходимо создать распределенную систему, в которой функции организации и предоставления интеллектуальных услуг были бы отделены от функций управления транспортом и коммутацией. Этот принцип использован при построении интеллектуальных сетей, вернее – интеллектуальных надстроек над телекоммуникационными сетями.

В сети следующего поколения делается попытка полностью отделить функции создания и управления предоставлением услуг и приложений от функций управления вызовом и ресурсами коммутации, а также попытка создания стандартизированных интерфейсов между уровнями, выполняющими эти функции [4, 5, 6, 8].

Таким образом, у сетевых операторов должна появиться возможность развития этих уровней независимо друг от друга, а у фирм, разрабатывающих программное обеспечение и имеющих высокопрофессиональный штат программистов значительно пополнить рынок услугами и приложениями, которые могут быть востребованы пользователями сети следующего поколения (рисунок 1.3).

В свою очередь, конкуренция, которая возникнет на рынке предоставления услуг, призвана способствовать снижению цен, уменьшению срока ввода новых и повышению разнообразия предлагаемых услуг.

Средства обработки вызова и контроля будут сконцентрированы в одном месте, а средства коммутации и транспорта могут быть распределены по всей территории сети. Более того, увеличение объема ресурсов тех объектов, которые реализуют эти две функции, будет обеспечиваться независимо друг от друга.

Глобальная информационная инфраструктура

Современный этап развития мировой цивилизации характеризуется переходом от индустриального к информационному обществу. Такой переход предполагает наличие новых форм социальной и экономической деятельности, базирующихся на массовом использовании информационных и телекоммуникационных технологий.

Технологической основой информационного общества является Глобальная Информационная Инфраструктура (Global Information Infrastructure, GII) [2, 3], которая должна обеспечить возможность доступа к информационным ресурсам каждого жителя планеты без дискриминации. Информационную инфраструктуру составляет совокупность баз данных, средств обработки информации, взаимодействующих сетей связи и терминалов пользователя.

Доступ к информационным ресурсам GII реализуется посредством услуг связи нового типа, получивших название услуг Информационного общества или инфокоммуникационных услуг. Инфокоммуникационной услугой называется услуга электросвязи, предполагающая автоматизированную обработку, хранение или предоставление информации по запросу с использованием средств вычислительной техники, как на входящем, так и на исходящем конце соединения [3].

Наблюдаемые в настоящее время высокие темпы роста объемов предоставления инфокоммуникационных услуг позволяют прогнозировать их преобладание на сетях связи в ближайшем будущем.

На сегодняшний день развитие инфокоммуникационных услуг осуществляется, в основном, в рамках Internet, доступ к услугам которой обеспечивается через традиционные сети связи. В то же время, в ряде случаев услуги Internet, ввиду ограниченных возможностей её транспортной инфраструктуры, не отвечают современным требованиям, предъявляемым к услугам информационного общества. В связи с этим, развитие инфокоммуникационных услуг требует решения задач эффективного управлении информационными ресурсами с одновременным расширением функциональности сетей связи. В свою очередь, это стимулирует процесс интеграции Internet и традиционных сетей связи.

Бизнес-модель, определяющая участников процесса предоставления инфокоммуникационных услуг и их взаимоотношение, также отличается от модели традиционных услуг электросвязи, в которой было представлено всего лишь три основных участника: оператор, абонент и пользователь. Новая деловая модель предполагает наличие поставщика услуг, который предоставляет инфокоммуникационные услуги абонентам и пользователям. При этом сам поставщик является потребителем услуг переноса, предоставляемых оператором сети связи. На рынке могут также присутствовать дополнительные виды поставщиков услуг: поставщики информации, брокеры, ретейлеры и так далее.

Поставщик информации предоставляет информацию поставщику услуг для распространения.

Брокер предоставляет информацию о поставщиках услуг и их потенциальных абонентах, содействует пользователям при поиске поставщиков услуг, оказывающих требуемые им услуги.

Ретейлер (retailer - розничный торговец) выступает как посредник между абонентом и поставщиком услуг с целью адаптации услуги к индивидуальным требованиям пользователя.

К инфокоммуникационным услугам предъявляются требования [4]:

  •  мобильности;
  •  возможности гибкого и быстрого создания новых услуг;
  •  гарантии качества.

Большое влияние на требования, предъявляемые к инфокоммуникационным услугам, оказывает процесс конвергенции, приводящий к тому, что эти услуги становятся доступными пользователям вне зависимости от способов доступа.

Принимая во внимание особенности инфокоммуникационных услуг, могут быть определены следующие требования к перспективным сетям связи:

  •  мультисервисность”, термин выражает свойство независимости технологий предоставления услуг от транспортных технологий;
  •  широкополосность”, термин выражает возможность гибкого и динамического изменения скорости передачи информации в широком диапазоне в зависимости от текущих потребностей пользователя;
  •  мультимедийность”, термин выражает способность сети передавать многокомпонентную информацию (речь, данные, видео, аудио) с необходимой синхронизацией этих компонент в реальном времени и использованием сложных конфигураций соединений;
  •  интеллектуальность”, термин выражает возможность управления услугой, вызовом и соединением со стороны пользователя или поставщика услуг;
  •  инвариантность доступа”, термин выражает возможность организации доступа к услугам независимо от используемой технологии;
  •  многооператорность”, термин выражает возможность участия нескольких операторов в процессе предоставления услуги и разделение их ответственности в соответствии с их областью деятельности.

Существующие сети связи общего пользования с коммутацией каналов и коммутацией пакетов (СПД) в настоящее время не отвечают перечисленным выше требованиям. Ограниченные возможности традиционных сетей являются сдерживающим фактором на пути внедрения новых инфокоммуникационных услуг. С другой стороны, наращивание объёмов предоставляемых инфокоммуникационных услуг может негативно сказаться на качестве обслуживания базовых служб существующих сетей связи.

Все это вынуждает учитывать наличие инфокоммуникационных услуг при планировании способов развития традиционных сетей связи в направлении создания мультисервисных сетей.

В рекомендации ITU-T Y.100 приводятся данные о взаимовлиянии телекоммуникационных  технологий, наблюдаемом в наше время. В процессе анализа свойств, которыми должна характеризоваться глобальная информационная инфраструктура, были учтены характеристики всех существующих телекоммуникационных технологий и видов служб и услуг.  

Стандарты глобальной информационной инфраструктуры должны обеспечить возможность взаимодействия и взаимосвязи (как с ориентацией на соединение (Connection-oriented, CO), так и без ориентации на соединение – Connectionless Oriented, CL) между большим разнообразием приложений и различных платформ (как на основе программных средств, так и аппаратных).

Телекоммуникационные сети (PSTN, DSN, ISDN, MN, IN, CN, OSN), использующие разные технологии (SC, PS, ATM, MPLS, SDH, WDM и др.), в настоящее время обеспечивают передачу данных и речи с высоким качеством и взаимодействуют друг с другом.

Сети с протоколами TCP/IP создают платформу, которая позволяет пользователям, связанным с различными сетевыми инфраструктурами, иметь общий набор приложений и обмениваться потоками данных, качество доставки которых не гарантируется. Стек протоколов TCP/IP совершенствуется (например, IPv6) с целью поддержки приложений голоса, видео, мультимедиа повышенного качества. Эти тенденции конвергенции сетевых технологий иллюстрируются рисунком 1.4 [2].

Наметившиеся тенденции конвергенции таковы:

  •  технологии с коммутацией пакетов (ранее не ориентированные на установление соединений - Connectionless operation), например, использующие протокол IP, совершенствуются с целью повышения качества доставки информации (Guaranteed bearer services), благодаря предварительному установлению виртуальных соединений (Connection-oriented);
  •  узлы сетей с коммутацией каналов (PSTN и ISDN) будут обмениваться информацией через транспортные сети нового поколения с КП (IP/MPLS), что приведет к понижению качества доставки информации (Unguaranteed bearer service), чувствительной к задержке, джиттеру (jitter) и потерям пакетов;
  •  сети с технологией ATM, обеспечивающие доставку информации любых приложений с высоким качеством (Guaranteed bearer service), предоставляют услуги доставки как с ориентацией на соединение, так и без ориентации на соединение (например, LANE ATM).

На рисунке 1.5 [3] приведен пример конфигурации инфраструктурных ролей в GII. Под инфраструктурной ролью понимают поддержку услуги с помощью набора ресурсов многократного использования.

Глобальная информационная инфраструктура претендует на создание такой телекоммуникационной инфраструктуры, которая смогла бы объединить в себе все возможные виды информации (речь, данные, мультимедиа) и удовлетворяла бы требованиям каждого из них к качеству обслуживания (Quality of Service, QoS).

Так как структурная роль определена деловой деятельностью, которая является частью процесса производства, это имеет отношение к приложениям GII. Приложения также имеют подобное определение деловой деятельности или «виртуального взаимодействия» между конечными пользователями. Поэтому приложение составлено из действий и отношений между действиями. Примеры типичных приложений: «новости по требованию», «кинофильм по требованию», «библиотека по требованию» и т.д. В приложении «новости по требованию» пользователи способны отыскать электронные газеты, которые они могут просмотреть и читать. Этот пример показывает, что имеются конечные пользователи, чья деятельность состоит в просмотре и чтении новостей. Конечные пользователи отыскивают средства доступа к информационной службе новостей, чья деятельность обеспечивает конечных пользователей доступом к различным электронным газетам.

Все эти структурные роли используют различные инфраструктурные услуги. Таким образом, структурные роли это пользователи GII.

Шлюзы второго уровня (L2 GW) выполняют функции поддержки приложений, а шлюзы первого уровня (L1 GW) – функции выбора маршрута. Передачу новостей и голосовые сообщения поддерживают базы данных (DB), аккумулирующие разнообразное содержание (контент).  

Структурная модель идентифицирует услуги и определяет приложения. Структурная модель (рисунок 1.6) определяет путь, по которому роли могут быть организованы, чтобы предоставить приложения и услуги. Чтобы предлагать услуги или предоставлять приложения, роль должна объединить множество ресурсов и интегрировать их в службу, необходимую для его клиентов. Каждый ресурс в составе роли может требовать ресурса в составе другой роли. Поскольку роль добавляет набор ресурсов, то в службу могут быть упакованы новые услуги и приложения. Например, служба электронных платежей будет использовать множество услуг доставки и обработки информации, хранения. Роль клиента запрашивает службу, каждый из ресурсов которой имеет определенное значение.

Термины:

  •  услуга – характеризуется отношениями, которые существуют между ролями, а роль клиента состоит в запросе службы с указанием всех атрибутов требуемой услуги. Передача данных является примером услуги, а не приложения;
  •  приложение – с приложением клиент покупает полные права на его использование и так, что его свойства могут многократно использоваться клиентом. Покупка видео фильма – пример покупки приложения. В соответствии с этим определением, поставка и поддержка приложения определяется инфраструктурной ролью, в то время как операция приложения определяется структурной ролью;
  •  прикладной компонент – часть приложения. Когда функции приложения рассредоточены по нескольким географически разделенным информационным объектам, то говорят о множестве прикладных компонентов, входящих в его состав (они взаимодействуют друг с другом, используя услуги GII);
  •  домен – совокупность долей, которые принадлежат собственнику и могут включать больше чем одну роль;
  •  платформа предоставления услуг – является базой для предоставления услуг, она сформирована из множества долей, которые могут принадлежать разным собственникам (доли могут объединять множество ролей и поэтому они могут быть составлены из нескольких сотрудничающих доменов);
  •  сервисный интерфейс – средства, с помощью которых служба используется владельцем. Сервисный интерфейс может иметь несколько аспектов, включая отношения между ролями, информационные и вычислительные аспекты, аспекты реализации и контракта между собственниками;
  •  сервисные компоненты – сервисные интерфейсы могут быть сложными и составленными из множества сервисных компонентов.

Структура услуг и приложений

Если услуга предоставляется между ролями, взятыми на себя различными участниками рынка услуг (рисунок 1.6), обслуживание будет предлагаться в контексте контракта и должно содержать достаточный набор параметров, чтобы гарантировать, что контракт может быть выполнен и проверен.

Пользователи могут использовать услуги GII непосредственно или использовать собственные приложения и затем использовать услуги GII для поддержки этих приложений. Кроме того, компоненты приложений пользователя могут быть предоставлены и поддержаны GII. Услуги и приложения, предоставляемые GII, создаются в форме сервисных и прикладных компонентов.

Глобальная информационная архитектура объединяет ресурсы (рисунок 1.7):

  •  инфраструктурные;
  •  сетевые (network resources);
  •  обработки и хранения информации (processing and storage resources);
  •  телекоммуникационного ПО (middleware resources).

В конвергентной GII различие между услугами и приложениями важно потому, что оно соответствует двум различным коммерческим схемам (бизнес схемам). Это отличие отражает также тот факт, что операторы телекоммуникационных сетей традиционно предлагали услуги, в то время как информационные технологии (ИТ) традиционно предлагали приложения. Под термином «конвергентная GII» понимают информационную инфраструктуру, в которой интегрируются различные типы трафика на единой технологической платформе и предоставляются разнообразные услуги и приложения.  

Типичными приложениями, используемыми GII, являются:

  •  дистанционное обучение/электронные библиотеки;
  •  телемедицина;
  •  распределенная обработка информации;
  •  электронная торговля;
  •  электронная публикация;
  •  игры.

На рисунке 1.7 термин  «Middleware» обозначает программное обеспечение, обеспечивающее прозрачную работу программ в неоднородной сетевой среде.

В GII заложено три основных принципа, следование которым позволит строить сети следующего поколения:

  •  сеть с пакетной коммутацией для всех видов трафика;
  •  единая коммуникационная и транспортная сеть для различных сетей доступа;
  •  сеть с распределенной архитектурой, где каждый уровень независим от других.  

Службы и услуги NGN

Общие принципы формирования услуг мультисервисной сети следующего поколения (NGN):

  1.  AnyPoP – услуга не зависит от точки доступа пользователя к ней;
  2.  AnyISP – услуга не зависит от конкретного сервис-провайдера;
  3.  AnySwitch – услуга не зависит от конкретной АТС;
  4.  AnyVendor – услуга не зависит от конкретного изготовителя оборудования;
  5.  AnyBilling – услуга должна интегрироваться в существующие биллинговые и административные концепции Оператора;
  6.  Standards – услуга должна использовать стандартизированные интерфейсы;
  7.  Safety – защита услуг от попыток вторжения через Интернет и/или ССОП;
  8.  Openness – услуга должна быть открытой для новых провайдеров.

Перечисленные восемь обобщенных принципов определяют проектирование новых услуг в условиях совместной работы ССОП, сетей подвижной связи и IP-сетей на сервисном уровне, возможность заказывать, поддерживать, тарифицировать и эксплуатировать новые услуги мультисервисных сетей.

Услуги, предоставляемые мультисервисными сетями, разделяются на услуги переноса (bearer services) и инфокоммуникационные услуги.

Инфокоммуникационной услугой называется услуга электросвязи, предполагающая автоматизированную обработку, хранение или предоставление информации по запросу с использованием средств вычислительной техники, как на входящем, так и на исходящем конце соединения.

Услуги переноса (доставки) информации характеризуются:

  •  типами соединений (Connection Type, CT);
  •  классом качества услуги (Class of Service, CoS);
  •  параметрами трафика (Traffic Parameters, TP).

Услуги переноса предоставляются многопротокольной транспортной сетью и заключаются в прозрачной передаче информации пользователя между сетевыми окончаниями (Network Terminator, NT) без какого-либо анализа или обработки её содержания.

Услуга переноса, ориентированная на соединение, предназначена для передачи информации с помощью протоколов, требующих предварительного установления соединения (ATM, Frame Relay, X.25 и т.д.), или для передачи информации в режиме эмуляции синхронных цифровых каналов.

Услуга переноса, не ориентированная на соединение, предназначена для передачи информации с применением технологий, не требующих установления соединения, например, IP, Ethernet, Token Ring. Данная услуга предполагает реализацию в транспортной сети функций сервера CLS (Connectionless Server), основная задача которого заключается в обработке адресов получателей (включая групповые адреса) и управлении доставкой информации пользователя через многопротокольную транспортную сеть.

Применение услуг переноса для сетей с технологией ATM определено в РД 45.123-99 «Порядок применения технологии асинхронного режима переноса на Взаимоувязанной сети связи России».

К основным особенностям, отличающим инфокоммуникационные услуги от услуг электросвязи, относятся:

  •  в комплекс входят услуги всех уровней модели взаимосвязи открытых систем (ВОС), в то время как услуги электросвязи предоставляются на третьем, сетевом, уровне;
  •  большинство инфокоммуникационных услуг функционирует по принципу «клиент-сервер», клиентская часть реализуется в оборудовании пользователя, а серверная – в специальном сетевом узле, называемым узлом служб (Service Node, SN);
  •  инфокоммуникационные услуги предполагают передачу мультимедиа информации, при этом приложения, создающие нагрузку,  предъявляют высокие требования к скорости передачи и характеризуются несимметричностью объемов входящего и исходящего информационных потоков;
  •  инфокоммуникационные услуги предполагают преобразование информации из одного вида в другой, например, факстекст, голостекст и т.п.;
  •  для эффективного предоставления инфокоммуникационных услуг могут требоваться сложные многоточечные конфигурации соединений;
  •  для инфокоммуникационных услуг характерно широкое разнообразие прикладных протоколов и возможности по управлению услугами со стороны пользователя;
  •  при предоставлении инфокоммуникационных услуг требуется преобразование логического номера, присваиваемого абоненту мультисервисной сети, в физический номер для маршрутизации вызова по многопротокольной транспортной сети;
  •  при предоставлении доступа к инфокоммуникационным услугам должна осуществляться аутентификация пользователя.

Важным для инфокоммуникационных услуг является понятие «приложение». Приложение определяется как услуга, функциональность которой распределена между оборудованием поставщика услуги и оконечным оборудованием пользователя. Как следствие оконечное оборудование участвует в предоставлении инфокоммуникационных услуг.

Инфокоммуникационные услуги, функционирующие по принципу «клиент-сервер», относятся к категории приложений. К инфокоммуникационным услугам, прежде всего, следует отнести услуги мультимедиа.

В соответствии с Рекомендациями ITU-T, услуги мультимедиа делятся на:

  •  мультимедиа конференции (Multimedia Conference services);
  •  сбора и накопления информации мультимедиа (Multimedia collection services);
  •  диалоговые (Conversational services);
  •  передачи сообщений (Message services);
  •  выборки информации (Retrieval services);
  •  распределения (Distribution services) с индивидуальным управлением процессом предоставления информации со стороны пользователя и без такого управления.

На начальном этапе создания и эксплуатации мультисервисной сети основной услугой, предоставляемой пользователям, будет широкополосный доступ к Internet и связанные с ним услуги Web и FTP хостинга. Вместе с тем, по мере развития мультисервисной сети, получат распространение и другие услуги, такие как организация виртуальных частных сетей (VPN), IP-телефония, электронная коммерция, услуги службы универсальных сообщений (Unified messaging), дополнительные телефонные линии поверх ADSL, видео/аудио по запросу, интерактивные игры, видеоконференцсвязь, телемедицина, телеобучение.

Например, на начальном этапе оператор сети может предоставлять следующий набор мультимедийных услуг:

  •  трансляция программ ТВ и радио;
  •  услуги по запросу;
  •  услуги доступа к Internet;
  •  информационные услуги.

Абонентским устройством для доступа к мультимедийным услугам является Set-top Box (STB) – шлюз между IP сетью и телевизором абонента. Шлюз обеспечивает отображение на экране видео с разрешением (Video resolution): 720x576 (576 SD); 1280x720 (720 HD), 1920x1088 (1080 HD), соотношением размера кадра (Aspect Ratio): 4х3, 16х9.

Платформа предоставления мультимедийных услуг обеспечивает:

  •  защиту содержания информации пользователя (content) от несанкционированного доступа/копирования, соблюдения авторских прав;
  •  интерфейс пользователя для осуществления доступа к мультимедиа услугам;
  •  поддержку абонентских декодеров, персональных компьютеров (ПК) и других абонентских устройств;
  •  подготовку, хранение и распределение контента, управление потоками мультимедийных данных;
  •  сбор и анализ статистики потребления мультимедиа услуг:

- передача информации об объемах потребления услуг пользователем;

- передача информации о количестве операций, совершенных пользователем;

- передача информации об операциях с контентом во внешнюю автоматизированную систему расчетов;

- обеспечение возможности тарификации мультимедиа услуг;

  •  обслуживание пользователей мультимедиа услуг;
  •  контроль качества предоставляемых услуг на всех этапах формирования услуг, а также транспортной инфраструктуры.

Трансляция программ ТВ и радио

Услуга представляет собой трансляцию набора телевизионных и радиопрограмм в цифровой форме. В качестве транслируемых телеканалов могут выступать эфирные ТВ и радио каналы, коммерческие каналы российского производства, а также общенациональные и коммерческие каналы иностранного производства, имеющие лицензию на вещание на территории РФ. В качестве транслируемых радио каналов могут выступать радио каналы московского FM диапазона, коммерческие радио пакеты, коммерческие и общенациональные радио каналы иностранного производства, имеющие лицензию на вещание на территории РФ.

Услуга трансляции программ ТВ и радио должна обладать следующими характеристиками:

  •  высокое и стабильное качество изображения, не зависящее от условий приема;
  •  многоканальное (моно, стерео, цифровая техника) звуковое сопровождение (зависит от вещателя канала). Пользователь должен иметь возможность выбирать конфигурацию звуковых каналов (моно, стерео) по собственному усмотрению;
  •  многоязыковое звуковое сопровождение (зависит от вещателя канала). Пользователь должен иметь возможность выбирать интересующий его язык по собственному усмотрению.

Для предоставления услуги потребителю необходимы телепорт и головная станция приема и подготовки теле- и радиопрограмм, обеспечивающих: прием, дешифрацию (дескремблирование), кодирование, разделение каналов и адаптацию к сетям доступа эфирных, спутниковых и т.п. телевизионных и радио каналов с требуемыми параметрами качества.

Для разграничения доступа абонентов к услугам трансляции ТВ и радиоканалов необходимо наличие системы условного доступа, обеспечивающей:

  •  кодирование потоков видео и аудио с головной станции по способу «на лету»;
  •  аутентификация абонентских устройств;
  •  интеграция с другими компонентами платформы предоставления мультимедийных услуг (ПП-МУ), а также обмен данными с информационными системами (OSS/BSS).

Услуга по запросу

Услуга предоставляет пользователю возможность осуществлять выбор из заданного количества видеопрограмм с последующим их просмотром. В качестве видеопрограмм могут выступать фильмы, телевизионные программы, спортивные трансляции, телешоу и т.п. Главным отличием от других услуг является возможность индивидуального выбора видеопрограммы для просмотра и индивидуального управления просмотром. Оплата услуги может производиться как на основе факта просмотра, так и на основе времени просмотра. Возможна оплата услуги по подписке с ограничением количества возможных просмотров.

Услуга должна предоставляться на базе технологии «Видео  по запросу» и обеспечивать следующую функциональность:

  •  «Видеотека»/«Аудиотека» доступ к видеоконтенту/аудиоконтенту, выбранная видео/аудио программа транслируется персонально для пользователя, и он может управлять трансляцией в режиме, аналогичном стандартному управлению видеомагнитофоном/музыкальным центром (Play, Stop, Rev, Frw, Pause). Выбор программы может осуществляться по различным параметрам (по жанру, по артисту, по режиссеру, по названию и т.п.). Доступ к услуге может быть как постоянным (оплата за факт просмотра), так и ограниченным по времени («Видео по запросу» по подписке);
  •  «Сетевой видеомагнитофон» (nPVR) пользователь получает возможность заранее указать, просмотр какой телевизионной передачи он хочет перенести, и система автоматически запишет эту программу. В дальнейшем абонент может просмотреть эту телевизионную передачу в любое удобное для себя время. В процессе просмотра пользователь может управлять просмотром в режиме, аналогичном стандартному управлению видеомагнитофоном (Play, Stop, Rev, Frw, Pause).

Система предоставления услуг «по запросу» должна поддерживать работу с контентом в следующих форматах:

  •  Видео:
    •  MPEG-2 (ISO-13818) с разрешением кадра SD и HD (1280х720 (720HD),  1920x1088 1080HD);
      •  MPEG-4.10 (H.264, ISO-14496-10) SD и HD (1280х720 (720HD), 1920x1088 1080HD);
  •  Аудио:
    •  MPEG-1 Layer 2 и AC-3;
      •  AAC (ISO-14496-3).

Доступ к Internet и информационные услуги

Данный тип услуг позволяет пользователю получить доступ к Internet, электронной почте, телеконференциям (чат, форум), локальным информационно-справочным ресурсам (Walled garden), используя в качестве терминала домашний телевизор.

Информационные услуги и услуги Internet должны обеспечивать:

  •  возможность доступа к ресурсам Internet без использования персонального компьютера. В качестве терминала используется телевизионная приставка (Set-top Box, STB). При использовании данной услуги на экране STB отображает выбранный пользователем ресурс Internet. Пользователь имеет возможность перемещаться по Internet от одного ресурса к другому и осуществлять его просмотр;
  •  прием, редактирование и передачу обычных электронных сообщений (e-mail). Подписавшись на данную услугу, пользователь активизирует индивидуальный электронный почтовый ящик. Используя STB вместо компьютера и инфракрасную (беспроводную) клавиатуру, пользователь осуществляет все операции со своим электронным ящиком. Существует единственное ограничение - на использование вложений в электронные письма;
  •  возможность обмениваться в реальном режиме времени текстовыми сообщениями в рамках тематических объединений пользователей. Такие тематические объединения пользователей могут создаваться, как для обсуждения конкретных телевизионных передач во время их трансляции, так и для обсуждения постоянных тем (автомобили, увлечения, воспитание детей, взаимоотношения с административными органами и т.п.);
  •  доступ к набору локальных информационных ресурсов. Данные ресурсы адаптированы для просмотра на телевизионном экране и позволяют абоненту получать необходимую ему информацию без поиска ее в Internet;
  •  доступ к электронной программе передач (EPG), позволяя получать информацию о расписании вещания телепрограмм;
  •  получение справочной информации (адресно-телефонный справочник, расписание работы организаций, расписание автобусов, поездов, аэропортов, афиши театров, кинотеатров и других развлекательных мероприятий, курсы валют, погода и т.д.);
  •  доступ абоненту к системе управления услугами пользователя.

Игры

Данный тип услуг предоставляет пользователю доступ к набору игр, используя только STB и телевизор. Управление может осуществляться, как при помощи пульта ДУ, так и при помощи инфракрасной клавиатуры или джойстика, подключаемого по интерфейсу USB.

Служба игр должна предоставлять пользователю возможность доступа к играм не интерактивным и интерактивным (многопользовательским), реализованным с помощью технологий Macromedia Flash и Java.

Доступ к играм обеспечивается путем выхода на адаптированный для просмотра на STB игровой портал через интерфейс middleware.

Телематические услуги

Телематические услуги (услуги службы дистанционной обработки данных) предоставляются с помощью интегрированных средств передачи и обработки информации (таблица 1.5).

Таблица 1.5. Телематические услуги NGN

Предоставление доступа к Internet

Доступ к Internet со скоростью передачи данных, зависящей от выбранного клиентом тарифного плана, варьируется до 10 Мбит/с. Основной показатель услуги - непрерывность доступа.

Доступ к локальной сети

Услуга подразумевает предоставление доступа к группе пользователей на скорости до 100 Мбит/с в рамках протокола IP. Входящий и исходящий потоки могут быть ограничены с шагом 1 Мбит/с. Клиент получает доступ к персональным ресурсам (серверам) локальной сети компании, содержащим разнообразный сетевой контент, создаваемый и поддерживаемый силами абонентов компании.

Почтовый ящик

Услуга подразумевает предоставление Абоненту электронного почтового ящика в легко запоминаемых доменах второго уровня. Основным требованием является сохранность данных персональных почтовых ящиков, что обеспечивается зеркалированием носителей, содержащих указанные данные. Объем почтового ящика согласовывается при заключении договора. В качестве дополнительных услуг выделяется:

  •  защита почтового ящика от вирусов;
  •  защита почтового ящика от спама (spam);
  •  удачный домен для регистрации почтового ящика;
  •  дополнительный объем почтового ящика;
  •  возможность переадресации;
  •  возможность регистрации доп. адресов электронной почты.

Индивидуальное дисковое пространство

Основным требованием к услуге является высокая степень защиты информации и ее сохранность.

Регулируемая публичная зона

Регулируемая публичная зона представляет собой файловые серверы, расположенные на различных сегментах сети, на которых пользователи могут размещать для других пользователей общедоступную информацию по определенным правилам. Ответственность за содержание возлагается на Абонента.

Файлообмен в локальной сети

Услуга предоставляется в одном пакете с доступом к центральной зоне VIP-контента и представляет собой поисковую систему внутренних ресурсов сети (ftp-серверы и открытые ресурсы пользователей) с удобным web-интерфейсом; дает возможность легко найти интересующую пользователя информацию.

Таблица 1.5. Телематические услуги NGN (продолжение)

Виртуальный хостинг

Услуга обеспечивает доступ любого компьютера, подключенного к Интернет, к следующим функциям отдельно для каждого пользователя:

  •  Веб-функции (Apache, ASP, Perl, Python, SSI, SSL, CGI, MS Frontpage, suexec );
  •  Почтовые функции (SpamAssassin, Drweb, списки рассылки (Mailman), альтернативное имя (alias), автоответчик, группы, система разграничения доступа)
  •  Функции СУБД (MySQL, PostgreSQL, phpMyAdmin, phpPgAdmin, режим нескольких пользователей/БД)
  •  FTP доступ (анонимный FTP, upload-каталог)
  •  DNS сервис (ведение первичной/вторичной зоны, организация и поддержка зоны на других серверах, поддержка load balancing).

   Различные виды статистики: webalizer, статистика о трафике и ограничения трафика, ограничение полосы пропускания в реальном времени. Услуга обеспечивает многоязыковую поддержку, firewall, java, шаблоны для сайтов, резервное копирование.

Домашняя страничка абонента (персональный сайт абонента)

Услуга, являющаяся частью услуги виртуального хостинга, обеспечивает:

  •  доступ любому компьютеру, подключенному к Интернет;
  •  минимальный набор функциональных возможностей, поддержку php, MySql;
  •  предоставление доступа к персональной странице по ftp.

Услуги безопасности предоставления доступа к Internet

Подписчику предоставляется:

  •  защита «Почтового ящика» от  вирусов и спама;
  •  страница информационной безопасности;
  •  удаленная диагностика компьютера на наличие вирусов и уязвимостей;
  •  доступ к внутрисетевым серверам обновлений безопасности (MS Windows);
  •  размещение серверов обновления безопасности в центральной зоне VIP-контента;
  •  доступ к серверу контентной фильтрации для установления ограничений посещаемости ресурсов сети компании и Интернет.

Таблица 1.5. Телематические услуги NGN (продолжение)

Услуги персональных коммуникаций

Услуга обеспечивает многоязыковой интерфейс и характеризуется следующим набором функций:

  •  обмен короткими (мгновенными) сообщениями между пользователями сети, обмен текстовыми, голосовыми сообщениями, обмен видеосообщениями, обмен ссылками на телевизионный контент (канал, видео-файл), доступный на платформе предоставления мультимедийных услуг, на Интернет контент (URL), обмен файлами;
  •  конференцсвязь между более чем 2-мя собеседниками. Управляется владельцем конференции (лицом, инициировавшим конференцию).
  •  хранение контактной информации;
  •  возможность устанавливать собственные статусы, обуславливающие доступность пользователя для приема входящих сообщений и вызовов от других пользователей (аналог ICQ [I see you] – «я вижу Вас») – «доступен», «отошел», «недоступен, с возможностью оставить сообщение»;
  •  возможность проведения видео-чата между двумя абонентами в режиме On-line. Необходима веб-камера;
  •  видеочат более чем двух собеседников;
  •  встроенный оперативный (on-line) автоответчик.

Медиапортал

(каталог ресурсов)

Данная услуга предполагает наличие каталога ссылок для пользователей, позволяющих им легче ориентироваться в ресурсах Интернет. Характеризуется  наличием тематического рубрикатора с возможностью поиска ресурсов.

IP VPN

Услуга позволяет объединить несколько офисов, подключенных к сети Компании, в единую защищенную корпоративную сеть с собственной внутренней IP-адресацией. Обеспечивает минимум три класса услуг (стандартный, дополнительный (premium), реального времени).

L2 VPN

Услуга предоставляет возможность объединения нескольких офисов, подключенных к сети Компании, в единую защищенную корпоративную сеть по технологии Ethernet.

Многообразие услуг NGN, полученных благодаря сочетанию свойств основной тройки (голос, данные, видео), показано на рисунке 1.8.

Под iTV (Interactive Television) понимают интерактивное телевидение, обеспечивающее интерактивны режим выбора канала или программы. Для ее реализации между абонентом и телевизионной станцией организуется двусторонний канал.

VideoComm (Video Communication) – это видеотелефонная связь во время прямой трансляции телевизионной программы, совместное видео и фото, видеоконференция во время прямой трансляции программы.

VoIP – это компьютерная телефония (PC telephony), видеотелефония (TV telephony), дополнительные линии (Additional lines (teen line)).

Triple Experience – тройной опыт, обмен информацией поверх TV-программ, многотерминальные игры, внесение в список пропущенного вызова во время телевизионного сеанса.

Контрольные вопросы

  1.  Что означает термин «масштабирование телекоммуникационной технологии»?
  2.  Что означает термин «агрегирование», применяемый по отношению к информационным потокам в сети?
  3.  Укажите возможности, которые реализуются благодаря установлению виртуальных соединений в сетях с технологиями ATM и MPLS.
  4.  Что является наиболее сильной стороной технологии ATM, по сравнению с другими технологиями доставки информации в мультисервисной сети.
  5.  Является ли механизм дифференцированного обслуживания (DiffServ) ориентированным на работу с несколькими агрегированными классами сетевого трафика или с отдельными пользовательскими соединениями?
  6.  Является ли достоинством технологии MPLS способность использовать практически любой формат кадров существующих технологий второго уровня ATM, Frame Relay, PPP, Ethernet?
  7.  Укажите тип сети, в которой функции создания и управления предоставлением услуг и приложений отделены от функций управления вызовом и ресурсами коммутации и транспортировки данных.
  8.  Что понимают под термином Глобальная Информационная Инфраструктура (Global Information Infrastructure, GII)?
  9.  Дайте определение инфокоммуникационных услуг.
  10.   Какие требования предъявляются к инфокоммуникационным услугам?
  11.   Какие требования предъявляются к перспективным сетям связи?
  12.   Сформулируйте определение термина услуга в терминологии Глобальной Информационной Инфраструктуры.
  13.   Приведите примеры типичных приложений, используемых в Глобальной Информационной Инфраструктуре.
  14.   Сформулируйте три основных принципа, следование которым позволит строить сети следующего поколения (NGN).
  15.   Какими атрибутами характеризуются услуги переноса (доставки) информации?
  16.   Каковы особенности, отличающие инфокоммуникационные услуги от услуг электросвязи?

Библиография

  1.  www.minsvjaz.ru
  2.  ITU-T Recommendation Y.100 (06/98) General overview of the Global Information Infrastructure standards development
  3.  ITU-T Recommendation Y.110 (06/98) Global Information Infrastructure principles and framework architecture
  4.  Концептуальные положения по построению мультисервисных сетей на ВСС России. – Документ Министерства РФ по связи и информатизации. 2001 г.
  5.  Васильев А.Б., Соловьев С.П., Кучерявый А.Е. Системно-сетевые решения по внедрению технологии NGN на российских сетях связи/ Электросвязь. 2005. - № 3
  6.  Мардер Н.С. Некоторые «подводные камни» регулирования сетей NGN/ Электросвязь. 2005. - № 10
  7.  Мардер Н.С. Вопросы терминологии/ Электросвязь. 2006. - № 3
  8.  Пинчук А.В., Соколов Н.А. Прагматическая концепция перехода к NGN/ Электросвязь. 2006. - № 6
  9.  Кучерявый А.Е., Цуприков А.Л. Сети связи следующего поколения. – М.: ФГУП ЦНИИС. 2006. 278 с.
  10.  Филимонов А.Ю. Построение мультисервисніх сетей Ethernet. – С.-Петербург, БХВ-Петербург. 2007. 277 с.
  11.  РТМ «Системно-сетевые решения развития инфокоммуникационных сетей межрегиональных компаний связи и ОАО “Ростелеком” как составных частей ВСС России, на перспективу до 2007 г.»

Глава 2 Трафик мультисервисных сетей

2.1 Атрибуты трафика 

Одно из основных понятий в описании широкополосных сетей  скорость передачи службы. В рекомендациях ITU-T она определяется как скорость переда информации, доступная пользователю данной службы. Все службы делятся на две группы:

  •   с постоянной скоростью передачи (ПСП);
  •   с изменяющейся скоростью передачи (ИСП).

Если источник генерирует информацию с ИСП, то скорость передачи может характеризоваться пиковой (Vп) и средней (Vс) величинами.

Источники, генерирующие информацию с изменяющейся скоростью, характеризуют коэффициентом пачечности Кп = Vп/Vс и средней длительностью пика Tп. Пиковая, средняя скорость и коэффициент пачечности источников характеризуют конкретную службу, хотя стохастические процессы от сеанса к сеансу могут отличаться.

Если канал использует источник некоторой службы, генерирующий информацию с изменяющейся скоростью, то в моменты, когда скорость источника V(t) превышает скорость канала Vmax, качество обслуживания снижается.

Источник информации мультисервисной сети характеризуется двумя группами параметров трафика. К первой группе относятся:

- интенсивность поступающего от пользователя потока требований l, выз/час;

- средняя длительность сеанса Тс, с;

- удельная нагрузка источника ауд, Эрл .

Вторая группа параметров характеризует собственно терминал пользователя (Рекомендация I.311 Белой книги ITU-T):

- средняя (битовая) скорость передачи Vс;

- пиковая скорость передачи Vп;

- коэффициент пачечности Кп = Vп / Vс .

Конкретная система передачи (СП) всегда характеризуется максимально допустимой скоростью передачи информации Vmax. Если эту СП использует источник некоторой службы, генерирующий информацию с изменяющейся скоростью, то в моменты превышения V(t) значения Vmax качество обслуживания снижается. Если источник генерирует информацию с изменяющейся скоростью, как это показано на рисунке 2.1, то скорость передачи может характеризоваться пиковой (Vп) и средней (Vс) величинами.

Ряд известных служб относят к службам с ПСП (не используется статистическое мультиплексирование, паузы при передаче не обнаруживаются):

  •  обычная телефония,
  •  цветной факс,
  •  передача файлов.

Службы с ИСП делят на две группы:

  •  стартстопного типа;
  •  непрерывного типа.

Во время сеанса стартстопной службы наблюдаются периоды активности и паузы, что характерно для информационно-поисковых систем, например, поиск документов, поиск видео. Скорость передачи источников таких служб меняется скачком от нуля до Vп.

Во время сеанса службы с ИСП скорость передачи может меняться плавно (рисунок 2.2), что характерно, например, для цифровой телефонии с использованием статистического кодирования (АДИКМ).

2.2 Фрактальный (самоподобный) трафик мультисервисных сетей

Понятие фрактал было впервые введено Бенуа Мандельбротом в 1975 году. Слово образовано от латинского слова fractus – состоящий из фрагментов. С математической точки зрения фрактальный объект, прежде всего, обладает дробной (нецелой) размерностью.

Известно, что точка имеет размерность, равную нулю. Отрезок прямой и окружность, характеризующиеся протяженностью (длиной), имеют размерность, равную единице. Круг и сфера, характеризующиеся площадью, имеют размерность два. Для описания множества с размерностью 1.5 требуется нечто среднее между длиной и площадью.

Другое важное свойство, которым обладают почти все фракталы – свойство самоподобия (масштабная инвариантность). Фрактал можно разбить на сколь угодно малые части так, что каждая часть окажется просто уменьшенной частью целого. Другими словами, если посмотреть на фрактал в микроскоп, то мы увидим ту же самую картинку, что и без микроскопа. Природа создавала фракталы на протяжении миллионов лет. Фактически большинство объектов в природе – не круги, квадраты или линии. Природные объекты суть фракталы, и создание этих фракталов обычно определяется уравнениями хаоса. Хаос и фрактальная красота представляют природу реальности.

Поэтому применение аппарата теории нелинейной динамики (теории хаоса) для исследования самоподобного телетрафика представляется также достаточно перспективным направлением и разумным развитием идей фрактальности трафика. Термин хаос подразумевает под собой словосочетание детерминированный хаос, однако в разговорной речи слово “детерминированный” часто опускается. В последнее время работ в данной области появляется все больше [1, 2].

В отличие от детерминированных фракталов, стохастические фрактальные процессы, как правило, описываются масштабной инвариантностью (самоподобием) статистических характеристик второго порядка (корреляционной функции, спектральной плотности, дисперсии) - свойство неизменности коэффициента корреляции при масштабировании. Как раз с такими стохастическими фракталами имеют дело при изучении характеристик сетевого трафика. В этой связи в литературе понятия фрактального и самоподобного телетрафика часто используются как синонимы.

Впервые о самоподобном телетрафике заговорили с момента его открытия в 1993 году группой ученых W. Leland, M. Taqqu, W. Willinger и D. Wilson [3], которые исследовали Ethernet-трафик в сети корпорации Bellcore и обнаружили, что на больших масштабах он обладает свойством самоподобия, то есть выглядит качественно одинаково при любых (достаточно больших) масштабах временной оси. При этом оказалось, что в условиях самоподобного трафика методы расчета компьютерной сети (пропускной способности каналов, емкости буферов и пр.), основанные на Марковских моделях и формулах Эрланга, которые с успехом используются при проектировании телефонных сетей, дают неоправданно оптимистические решения и приводят к недооценке нагрузки [4].

Самоподобный процесс выглядит менее сглаженным, более неравномерным (то есть обладает большей дисперсией), чем чисто случайный процесс. Неравномерность самоподобного процесса видна на рисунок 2.3.

Различие между компьютерной и телефонной сетями следует понимать в следующем смысле: исторически сложилось так, что телефонные сети изначально строились с использованием принципа коммутации каналов. Характеристики трафика в этих сетях были хорошо изучены, а также разработаны методики расчетов, позволявшие получать результаты, хорошо совпадавшие с реальными значениями пропускной способности пучков каналов.

В основу компьютерных сетей, как правило, был положен принцип коммутации пакетов, а методики расчетов остались практически теми же, что и привело к возникновению проблемы, связанной с неадекватностью результатов расчета нагрузки и реальной нагрузки. В настоящее время все большее распространение получают способы передачи речевой, мультимедийной и сигнальной информации по сетям с коммутацией пакетов [1], трафик которых характеризуется свойством самоподобия.

Свойство самоподобия сетевого трафика

Для того чтобы представить себе особенности, возникающие в реальной сети вследствие эффекта самоподобия, рассмотрим механизм статического мультиплексирования информационных потоков. Алгоритм статического мультиплексирования потоков широко используется в компьютерных сетях, поскольку позволяет относительно экономно использовать пропускную способность магистральных каналов. Рассмотрим простейший пример передачи информации многих источников по одному магистральному каналу. В принципе, можно закрепить за каждым из источников определенную часть ресурса магистрального канала (например, свою полосу частот). В этом случае каждый источник может использовать только ту часть ресурса, которая ему отведена (рисунок 2.4, слева).

Другой способ передачи, называемый статистическим мультиплексированием, состоит в том, что потоки отдельных источников складываются (агрегируются) в магистральном канале с экономией пропускной способности (рисунок 2.4, справа).

Слева на рисунке 2.4 показаны потоки трех отдельных источников при жестком разделении полосы магистрали (статическое мультиплексирование) между ними. Справа – потоки тех же источников в магистральном канале при работе алгоритма статистического мультиплексирования. При этом достигается выигрыш в полосе dC.

Рассмотрим вариант статистического мультиплексирования более подробно. Допустим, имеются n отдельных (парциальных) источников.

Пусть процессы (рисунок 2.5) имеют одинаковые средние и дисперсии Тогда, при условии независимости и одинаковом распределении ξ1, ξ2,..., ξn,  коэффициент вариации результирующего процесса ξΣ в магистральном канале:

 

Как видно из (2.1), коэффициент вариации представляет собой отношение среднеквадратического отклонения процесса () к его среднему (M). В данном случае коэффициент вариации отражает степень сглаживания результирующего процесса ξΣ при увеличении количества мультиплексируемых парциальных процессов.

Эффект сглаживания процесса ξΣ при росте n достигается благодаря более быстрому росту среднего (M) процесса ξΣ, по сравнению с его среднеквадратическим отклонением (). Принципиальным является то, что среднее (M) сравнивается с , а не с дисперсией. Это делается для получения безразмерной оценки степени сглаженности (коэффициента вариации в данном случае).

Более того, в соответствии с центральной предельной теоремой (ЦПТ) теории вероятностей при увеличении n должна также происходить нормализация процесса ξΣ.

Нужно отметить, что сглаживание происходит независимо от степени самоподобия парциальных потоков. Другими словами, процесс в магистральном канале настолько является самоподобным, насколько парциальные потоки обладают свойством самоподобия, но при этом он является более сглаженным.

Однако на практике чаще всего ресурсы магистрального канала (полоса, буферы коммутаторов, маршрутизаторов) много меньше, чем суммарная потенциальная интенсивность мультиплексируемых процессов, что определяет эффективность системы [7]. Как результат – парциальные потоки при сложении, например, в буфере ограниченного объема, теряют независимость.

Эксперименты показали, что при n=60 (и при работе широко распространенной реализации протокола TCP) реально измеренное значение covΣ) больше рассчитанного по формуле (2.1) на 300%.

Типичный вид агрегированного сетевого трафика показан на рисунке 2.6.

Каждая точка на данном графике представляет собой количество октетов, переданных в магистральном канале за интервал времени в 1 секунду. Длительность реализации составляет 3000 точек или 50 минут. Коэффициент Хёрста соответствует примерно 0.8. Как видно из рисунка, процесс имеет высокую изменчивость (поскольку подчиняется распределению с тяжелым хвостом) и его вряд ли можно назвать сглаженным. Для того чтобы передать такой поток пакетов без потерь, пропускная способность канала должна соответствовать уровню пиковых выбросов, то есть в данном случае должна быть не менее 1,4105 бит/c. Пропускная способность будет расходоваться неэффективно, поскольку средняя скорость потока весьма невелика. Для управления интенсивностью передаваемых по сети потоков данных компания Cisco Systems в настоящее время рекомендует использовать механизмы формирования трафика (Traffic Shaping, TS) и защиты трафика (Traffic Policing, TP) [8].

Суть этих алгоритмов, заключается в следующем:

  •  с помощью алгоритма TS обеспечивается сглаживание трафика и пересылка пакетов потока с постоянной интенсивностью (согласованной скоростью передачи) путем постановки в очередь (буферизации) пакетов, интенсивность приема которых превысила среднее значение;
  •  механизм TP, в свою очередь, просто отбрасывает пакеты, интенсивность которых выше согласованной скорости передачи.

С одной стороны, так как TS не допускает отбрасывания пакетов, это делает его привлекательным для управления передачей информации реального времени (голос, реальное видео). С другой стороны, TS вносит задержки, связанные с буферизацией, что отрицательно сказывается на характеристиках трафика реального времени.

С момента открытия свойства самоподобия сетевого трафика появилось много работ, посвященных предсказанию интенсивности трафика. Возможность прогнозов трафика обязана свойству длительной памяти процессов и теоретически должна обеспечить повышение коэффициента использования канала и общей эффективности телекоммуникационных систем (рисунок 2.7).

Прогнозирование телетрафика играет значительную роль при разработке алгоритмов работы сети, повышающих качество доставки информации. Операторы и провайдеры телекоммуникационных услуг, например, заинтересованы в возможностях долгосрочного прогнозирования загрузки собственной сети для планирования ее своевременного развития.

Дадим определения строго и асимптотически самоподобных в широком смысле случайных процессов дискретного аргумента и укажем их связь с самоподобными процессами в узком смысле и с процессами с медленно убывающей зависимостью. Следует заметить, что теория самоподобного телетрафика проходит относительно раннюю стадию своего развития, по этой причине существуют некоторые различия в терминологии и даже в определениях.

Допустим, что процесс Х имеет автокорреляционную функцию следующего вида:

        (2.2)

где 0<β<1 и L1 – медленно меняющаяся на бесконечности функция, то есть

 для всех x > 0 (примерами медленно меняющейся функции могут служить L1(t) = const, L1(t) = log(t)).

Обозначим через   - усредненный по блокам длины m процесс Х, компоненты которого определяются равенством

Будем называть такой ряд агрегированным.

Обозначим через и коэффициент корреляции, автоковариацию и дисперсию процесса Х(m) соответственно.

Приведем определение строго самоподобного в широком смысле процесса.

Определение: Процесс Х называется строго самоподобным в широком смысле [ССШС] (exactly second-order self-similar) с параметром Хёрста H=1- ( β/2), 0< β<1, если

rm(k)=r(k), k  Z, m {2, 3…},                                 (2.4)

то есть процесс ССШС не меняет свой коэффициент корреляции после усреднения по блокам длины m.

Другими словами, процесс X является ССШС, если агрегированный процесс Х(m) неотличим от исходного процесса X, как минимум в отношении статистических характеристик второго порядка.

Вместе с понятием ССШС существует понятие просто самоподобного процесса, которое для большего терминологического различия мы будем называть самоподобным в узком смысле процессом (СУС).

Определение: Процесс X называется самоподобным в узком смысле (СУС) [strictly self-similarity] с параметром H=1- (β/2), 0< β <1, если справедливо выражение

m1-H Xm =X, mN,                                                (2.5)

которое понимается в смысле равенства распределений.

Связь между процессами ССШС и СУС аналогична связи между процессами, стационарными в широком и узком смыслах.

Исследователи, изучая трафик сетей с КП (компьютерных, сигнальных), измерили параметр Хёрста (Hurst parameter, H), названный так в честь британского климатолога Хёрста, и обнаружили, что последний для сетевого трафика находится в интервале (0,5 – 1,0). На качественном уровне такой самоподобный трафик имеет взрывной (пульсирующий) характер (burstiness) на многих масштабах временной оси. В отличие от этого, при 0<H0.5 отклонения процесса от среднего являются чисто случайными и не зависят от предыдущих значений, что соответствует случаю броуновского движения (БД).

Свойство длительной памяти (при 0.5<H<1.0) характерно для половодий Нила, сетевого трафика, процессов, происходящих на финансовых рынках и пр.

Наиболее интересная черта самоподобных процессов – медленное убывание автокорреляционной функции агрегированного процесса Х(m) при m, в отличие от распространенных стохастических моделей, для которых выполняется условие (2.6):

rm (k) → 0, m, k Î  N,    ………………….(2.6)

На качественном уровне, в соответствии со свойствами (2.3) и (2.4), можно предположить, что самоподобный процесс при достаточно больших значениях m выглядит менее сглаженным, более неравномерным (то есть обладает большей дисперсией), чем процесс, удовлетворяющий выражению (2.6). Неравномерность процесса показана на рисунке 2.3.

Поведение процесса X при агрегировании (2.3) имеет принципиальное значение, поскольку некоторые процессы в теории сетей, например, буферизация, выделение полосы, можно рассматривать как оперирование именно с агрегированным процессом.

Контрольные вопросы

  1.  На какие группы делятся службы широкополосных сетей?
  2.  Укажите две группы параметров трафика, характеризующие источник информации мультисервисной сети.
  3.  Приведите примеры служб, передающих данные  с постоянной скоростью (не используется статистическое мультиплексирование, паузы при передаче не обнаруживаются).
  4.  Что понимают под самоподобием телетрафика?
  5.  Поясните с помощью диаграмм механизмы статического и статистического мультиплексирования информационных потоков.
  6.  Поясните сущность механизмов формирования трафика (Traffic Shaping, TS) и защиты трафика (Traffic Policing, TP).

Библиография

  1.  Криштофович А.Ю. Самоподобие трафика сети ОКС №7. – МКИССиТ, Санкт-Петербург, 2002 г.
  2.  Петров В.В., Богатырев Е.А. Самоподобие трафика в компьютерных сетях. 58-я Научная сессия, посвященная Дню радио, Москва 2003.
  3.  W.E. Leland, M.S. Taqqu, W. Willinger, and D.V. Wilson. On the self-similar nature of ethernet traffic (extended version).IEEE/ACM Transactions of Networking, 2(1):1-15, 1994.
  4.  Петров В.В. То, что вы хотели знать о самоподобном телетрафике, но стеснялись спросить, 2003 (v_petrov@skc.ru)
  5.  Цыбаков Б.С. Модель телетрафика на основе самоподобного случайного процесса.// Радиотехника-№5, c. 24-31, 1999г.
  6.  Уайндер С. Справочник по технологиям и средствам связи. – М.: “Мир”, 2000.
  7.  Internet traffic archive http://ita.ee.lbl.gov/

Глава 3 Классическая концепция построения телекоммуникационных сетей

3.1 История развития сетей связи 

История развития сетей связи до 60-х годов 20-го века

Эволюция систем  коммутации

 

Эволюция сред и систем передачи

 

Этапы эволюции телекоммуникационных систем

  1.  Этап построения отдельных сетей для различных служб (до 1980г): ТфОП, Телекс, X.25, ARPANET (предтеча Internet), …
  2.  Разработка и внедрение N-ISDN, интеграция сетей и услуг (80-88гг):
    •  концептуальное описание услуг и ресурсов,
    •  разработка открытых информационных протоколов и интерфейсов,
    •  разработка протоколов общеканальной сигнализации (DSS1, CCS7);

3. Разработка концепции интеллектуальной сети (IN) на базе SS [Supplementary Service] (88-96г.г.);

4. Успехи в разработке пакетных технологий для трафика реального времени (88-96гг):

  •  классификация трафика,
    •  концепция Quality of Service - QoS

5. Успехи в увеличении пропускной способности СП (SDH, DWDM – 90-е годы);

6. Широкое внедрение протоколов IP, Internet и современных услуг (90-е годы);

7. Успехи в развитии мобильных сетей и услуг (90-е годы);

8. Конвергенция сетей и услуг (КК-КП – 1996-2003 г.г.).

 

Этапы эволюции телекоммуникационных сетей (рисунок 3.1)

 

Преимущества существующей технологии КК, используемой традиционными операторами:

  •  относительно высокое качество предоставления услуг телефонии:

- разборчивость речи: 4,2 - 4,5 (по пятибалльной шкале MOS);

- качество доступа к услуге и обслуживания вызова определяются показателями первичной сети и коэффициентом эффективных вызовов (КЭВ), малым временем установления соединения, низким процентом потерянных вызовов;

- надежность определяется готовностью объектов первичной и вторичной сетей;

  •  соответствие возможностей ССОП по пропускной способности большинству (85-90%) терминалов пользователей;
  •  большой опыт эксплуатации и предоставления услуг ССОП;
  •  сложившаяся десятилетиями и хорошо отработанная схема взаиморасчетов между операторами.

Современный этап эволюции телекоммуникаций характеризуется:

  1.  Лавинообразным ростом трафика данных, по сравнению с трафиком телефонии;
  2.  Насыщением рынка речевых услуг;
  3.  Неудовлетворенным спросом на интеллектуальные и широкополосные услуги;
  4.  Высокими темпами роста многофункциональных терминалов (ПК);
  5.  Возрастающей конкуренцией со стороны альтернативных операторов (как по новым услугам, так и по речевым);
  6.  Значительной реструктуризацией рынка телекоммуникационных услуг. Возникновением инфокоммуникационных услуг. Появлением новых участников рынка (поставщиков услуг, поставщиков информации, посредников).

На фоне этого очевидны недостатки существующих технологий обеспечения и предоставления услуг традиционными операторами:

  1.  Крайне низкая эффективность использования пропускной способности СП;
  2.  Крайне низкая масштабируемость существующей технологии КК и услуг:
    •  введение услуг IN связано с большими затратами на модернизацию программных средств (Software, SW);
    •  введение широкополосных услуг практически невозможно;
    •  закрытость внутрисистемных интерфейсов не позволяет оператору свободно выбирать поставщиков и модернизировать аппаратные средства (Hardware, HW);

3. На фоне быстрого увеличения пропускной способности магистрали особенно остро встала проблема доступа к ней пользователей АТС с КК (только со скоростью 64 Кбит/с);

4. Крайне высокие эксплуатационные издержки вследствие отсутствия современных автоматизированных систем управления;

5. Отсутствие у традиционных операторов опыта в продаже широкополосных и интеллектуальных услуг.

Из этого можно сделать выводы:

  •  существующее положение традиционных операторов – предвестник системного кризиса;
  •  отсталой является не только материально-техническая база (даже при наличии высоких показателей цифровизации телефонных сетей, когда пользователь получает по умолчанию канал со скоростью передачи V= 64 кбит/с);
  •  более серьезным является отставание от новых конкурентов в методах управления (трафиком, услугами, элементами сети), мáркетинге.

В этих условиях выживание возможно только при комплексной и последовательной модернизации всех систем оператора:

  •   переход на современные транспортные сети (IP/MPLS, IP/GE,  ATM, DWDM);
  •   модернизация доступа;
  •   модернизация технической системы поддержки, обеспечения и развития интеллектуальных услуг;
  •   модернизация системы мáркетинга;
  •  создание системы управления качеством услуг на основе ISO 9000:2001.

 3.2 Концептуальные положения по построению мультисервисных сетей на ВСС России

Термины и определения

В Концептуальных положениях [1] используются следующие термины и определения:

Сеть связи следующего поколения (Next Generation Network, NGN)  концепция построения  сетей связи, обеспечивающих предоставление неограниченного набора услуг с гибкими возможностями по их управлению, персонализации и созданию новых услуг за счет унификации сетевых решений. Предполагает реализацию универсальной транспортной сети с распределенной коммутацией, вынесение функций предоставления услуг в оконечные сетевые узлы и интеграцию с традиционными сетями связи.

Мультисервисная сеть (МС)  это сеть связи, построенная в соответствии с концепцией NGN и обеспечивающая предоставление неограниченного набора услуг.

Мультипротокольная сеть – транспортная сеть связи, входящая в состав мультисервисной сети, обеспечивающая перенос разных видов информации с использованием различных протоколов передачи.

Инфокоммуникационная сеть (ранее применялись также термины «информационная сеть», «компьютерная сеть» и др.) – это технологическая система, которая включает в себя кроме средств доставки также средства хранения, обработки и поиска информации и предназначена для обеспечения пользователей услугами  связи и доступом к необходимой информации.

Конвергенция процесс постепенного сближения различных по своему назначению технологий и служб связи с целью унификации оборудования и расширения его функциональных возможностей.

Процессы интеграции и конвергенции телекоммуникационной отрасли и средств информатизации будут способствовать в период до 2015 г. превращению телекоммуникационных сетей в инфокоммуникационные сети.

Мультисервисность  поддержка множества услуг одной сетью.

Мультипротокольность  возможность доставки информации независимо от того, какими протоколами созданы протокольные блоки данных.

Инфокоммуникационная услуга (услуга информационного общества) услуга связи, предполагающая автоматизированную обработку, хранение или предоставление по запросу информации с использованием средств вычислительной техники, как на входящем, так и на исходящем конце соединения.

По функциональному признаку сети ВСС разделяются на сети доступа и транспортные сети.

Транспортной является та часть сети связи, которая выполняет функции переноса (транспортировки) потоков сообщений от их источников из одной сети доступа к получателям сообщений другой сети доступа путем распределения этих потоков между сетями доступа.

Сетью доступа сети связи является та ее часть, которая связывает источник (приемник) сообщений с узлом доступа, являющимся граничным между сетью доступа и транспортной сетью.

По типу присоединяемых абонентских терминалов сети ВСС разделяются на:

  •  сети фиксированной связи, обеспечивающие присоединение стационарных абонентских терминалов;
  •  сети подвижной связи, обеспечивающие присоединение подвижных (перевозимых или переносимых) абонентских терминалов.

Сети традиционно разделяются на первичные и вторичные по способу организации каналов.

Первичная сеть представляет собой совокупность каналов и трактов передачи, образованных оборудованием узлов и линий передачи (или физических цепей), соединяющих эти узлы. Первичная сеть предоставляет каналы передачи (физические цепи) для вторичных сетей для образования каналов связи.

Вторичная сеть представляет собой совокупность каналов связи, образуемых на базе первичной сети путем их маршрутизации и коммутации в узлах коммутации и организации связи между абонентскими устройствами пользователей.

Классификация сетей по территориальному делению:

  •  магистральная – это сеть, связывающая между собой узлы центров субъектов Российской Федерации и узлы центра Российской Федерации. Магистральная сеть обеспечивает транзит потоков сообщений между зоновыми сетями и связанность ВСС, является стратегически важным компонентом ВСС;
  •  зоновые (или региональные) – это сети связи, образуемые в пределах территории одного или нескольких субъектов Российской Федерации (регионов);
  •  местные – это сети связи, образуемые в пределах административной или определенной по иному принципу территории и не относящиеся к региональным сетям связи. Местные сети подразделяются на городские и сельские;
  •  международная – это сеть общего пользования, присоединенная к сетям связи иностранных государств.

По кодам нумерации сети разделяются на два класса:

  •  сети кода ABC – это сети стационарной связи, охватывающие территорию 8-миллионной зоны нумерации ABC;
  •  сети кода DEF – это сети мобильной связи, которым выделен код DEF.

По числу служб электросвязи сети бывают:

  •  моносервисные, предназначенные для организации одной службы электросвязи (например, радиовещания);
  •  мультисервисные, предназначенные для организации двух и более служб электросвязи (например, телефонной, факсимильной и нескольких мультимедийных служб).

Классификация вторичных сетей по видам коммутации:

  •  некоммутируемые сети;
  •  коммутируемые сети (с коммутацией каналов, сообщений, пакетов).

По характеру среды распространения сети разделяются на проводные, радио и смешанные. В свою очередь, радиосети делятся на спутниковые и наземные.

Услуга переноса (bearer service)  услуга связи, заключающаяся в прозрачной доставке информации пользователя между сетевыми окончаниями без какого-либо анализа или обработки ее содержания.

Поставщик услуги (Service Provider, SP) – индивидуальный предприниматель или юридическое лицо, предоставляющее инфокоммуникационную услугу связи и не обладающее собственной инфраструктурой связи.

Поставщик информации (Content Provider, CP)  индивидуальный предприниматель или юридическое лицо, предоставляющее информацию поставщику услуги для ее распространения или предоставления пользователям по сети оператора связи.

Современный этап развития мировой цивилизации характеризуется переходом от индустриального к информационному обществу, предполагающему наличие новых форм социальной и экономической деятельности, которые базируются на массовом использовании информационных и телекоммуникационных технологий.

Технологической основой информационного общества является Глобальная Информационная Инфраструктура (Global Information Infrastructure, GII) [4, 5], которая должна обеспечить возможность доступа к информационным ресурсам каждого жителя планеты без дискриминации. Информационную инфраструктуру составляет совокупность баз данных, средств обработки информации, взаимодействующих сетей связи и терминалов пользователя. Доступ к информационным ресурсам в GII реализуется посредством услуг связи нового типа, получивших название услуг информационного общества или инфокоммуникационных услуг. Наблюдаемые в настоящее время высокие темпы роста объемов предоставления инфокоммуникационных услуг позволяют прогнозировать их преобладание на сетях связи в ближайшем будущем. В наше время (начало 21-го века) развитие инфокоммуникационных услуг осуществляется, в основном, в рамках Internet, доступ к услугам которой обеспечивается через традиционные сети связи. В то же время в ряде случаев услуги Internet, ввиду ограниченных возможностей её транспортной инфраструктуры, не отвечают современным требованиям, предъявляемым к услугам информационного общества. В связи с этим развитие инфокоммуникационных услуг требует решения задач эффективного управлении информационными ресурсами с одновременным расширением функциональности сетей связи. В свою очередь, это стимулирует процесс интеграции Internet и традиционных сетей связи.

Конвергенция сетей, обусловленная необходимостью одновременной передачи потоков информации, чувствительных к задержке, джиттеру, потерям, а также потоков данных, породила две глобальные технические проблемы:

  •  необходимость поддержки большого разнообразия систем сигнализации, используемых в каждой из объединяемых сетей, базирующихся на технологиях TDM, ATM, IP и др.;
  •   "конвергенция услуг связи" (наряду с "конвергенцией сетей") - ввод новых инфокоммуникационных услуг с универсальным доступом к ним из ССОП, ISDN, интеллектуальной сети (IN), сети IP.

В большинстве существующих сетей внедрение новой услуги означает модификацию или замену функционирующих узлов и средств доступа на новые устройства, использующие способ коммутации пакетов. Этот процесс является длительным и дорогостоящим. Чтобы услуга была прибыльной, операторы сетей должны иметь возможность вводить новые услуги, не затрагивая средства транспортировки данных.

Методы коммутации

В таблице 3.1 приведена классификация систем цифровой коммутации. Здесь используются следующие обозначения:

  •  КК - коммутация каналов;
  •  КП - коммутация пакетов;
  •  ПРК, ЧРК, ВРК - пространственное, частотное и временное разделение каналов;
  •  СВРК, АВРК - синхронное и асинхронное временное разделение каналов;
  •  БКП, КП - быстрая и обыкновенная коммутация пакетов;
  •  АМП - асинхронный метод передачи (Asynchronous Transfer Mode, ATM).

Таблица 3.1. Классификация систем цифровой коммутации

Коммутация каналов

Коммутация пакетов

ПРК

ЧРК

ВРК

АМП/БКП

КП

СВРК

АВРК

К коммутационным системам сетевых узлов предъявляются следующие требования:

  •  независимость структуры и свойств от вида службы;
  •  высокая производительность;
  •  адаптация к различным скоростям передачи в каналах и трактах первичной сети;
  •  высокое использование полосы частот для трафика пачечного типа;
  •  высокая гибкость.

Высокая производительность необходима для поддержки мультимедийных приложений, а гибкость необходима из-за невозможности предсказания скорости передачи, которая может потребоваться для разнообразных служб. Высокая гибкость означает предоставление прозрачного доступа для потоков пользователей через интерфейс "пользователь - сеть", то есть отсутствие ограничений на структуру кадра или пакета и на способ синхронизации.

Гибкость систем коммутации и сети в целом основывается на динамическом распределении сетевых ресурсов (режимов коммутации, скоростей передачи). В случае передачи речи с использованием метода КП трудности состоят в том, чтобы обеспечить задержку кадров «из конца в конец» не более чем на 50 мс. (Рекомендация ITU-T G.131) [4] и вероятность блокировки не более 10-6.

Для того, чтобы показать сложность решения задачи выбора технологии коммутации, рассмотрим возможности, достоинства и недостатки известных способов коммутации. Все известные способы разделения цифровых каналов делят на две группы: синхронные и асинхронные.

Напомним тот факт, что при синхронном временном разделении каналов каждый канал закреплён за физическим соединением безотносительно к тому, передаётся по нему информация или нет. Установленное в сети или в коммутационном поле узла соединение однозначно определяется временными интервалами, которые оно занимает во всех звеньях соединительного тракта. Использование СВРК в мультисервисной сети для многих служб проблематично из-за высокой пачечности. Для повышения использования каналов паузы в передаче отдельных источников могут заниматься для передачи данных других источников. Такая идея используется при асинхронном временном разделении каналов (АВРК). Применение АВРК позволяет не закреплять жёстко временной интервал за каналом и за источником. Идентификация информации пользователя обеспечивается благодаря присвоению ей адреса. При АВРК обеспечивается статистическое мультиплексирование, то есть обнаружение окон (пауз) в кадре системы передачи и заполнение их информацией из буферов, где заявки источников ожидают начала передачи. При статистическом мультиплексировании легко учесть приоритеты источников информации, что очень важно для мультисервисной сети, где интегрируется много служб с существенно отличающимися характеристиками. Концепция коммутации в мультисервисной сети основана на применении АВРК и установлении виртуальных соединений. В соответствии с этой концепцией для транспортировки информации всех служб используется унифицированный кадр фиксированной длины.

В таблице 3.2 приведены достоинства и недостатки известных способов коммутации. Многоскоростная коммутация каналов (МСКК) может использоваться в сетях, поддерживающих службы с разными скоростями ПД. Отличие многоскоростной КК от обычной КК состоит в возможности предоставления пользователям составного канала с полосой пропускания в N раз большей, чем базовая полоса. Базовая полоса (скорость) выбирается из соображений удовлетворения требований большинства пользователей сети (например, V=64 Кбит/с). Способ БКК позволяет лучше использовать сетевой ресурс (полосу частот канала) благодаря возможности предоставления канала новому требованию в паузах речевого сигнала.

В основе БКП лежат те же принципы, что и при КП. Отличия состоят в том, что существенно повышаются скорости передачи по каналу и коммутации в коммутационных полях станций, так как в коммутаторах мультисервисной сети должны коммутироваться кадры, поступающие по волоконно-оптическим линиям связи.

Технические средства передачи с высокими скоростями (десятки гигабит в секунду) достигли прогресса существенно ранее, чем средства коммутации с такими же скоростями. Поэтому сдерживающим фактором в повышении скорости передачи информации между установками пользователей в коммутируемой сети до недавнего времени были “низкоскоростные” коммутационные поля станций и узлов.

Решение задачи высокоскоростной коммутации было найдено благодаря:

  •  использованию короткого (53 байта) фрейма (ячейки);
  •  буферированию ячеек на каждом входе (порте) коммутатора;
  •  упрощению структуры коммутационного поля;
  •  упрощению алгоритма коммутации.

Таблица 3.2. Сравнение способов коммутации

Способ

коммутации

Достоинства

Недостатки

Коммутация каналов (КК)

  1.  Не требуются ресурсы сети для обработки сообщений;
  2.  задержка сообщений минимальна (она равна времени установления соединения tус).
  1.  Невозможно изменение полосы пропускания канала;
  2.  невозможна интеграция в одной сети видов служб с разными скоростями передачи;
  3.  низкое использование полосы пропускания канала.

Многоскоростная коммутация (МСКК)

  1.  Возможность изменения полосы пропускания канала;
  2.  задержка сообщения минимальна.
  1.  Низкое использование канала при пачечном трафике;
  2.  высокая сложность системы синхронизации;
  3.  необходимость установления большого количества соединений для высокоскоростных служб;
  4.  необходимость выбора низкой базовой полосы пропускания канала.

Быстрая коммутация каналов (БКК)

  1.  Возможность изменения полосы пропускания канала благодаря передаче пакетов данных в паузах речевого сигнала;
  2.  улучшенное использование полосы канала при трафике пачечного типа;
  3.  задержка сообщения мала.
  1.  При перегрузках быстро растут потери;
  2.  при перегрузках часть речевых отрезков теряется;
  3.  для передачи каждого сообщения (в паузах речевого сигнала) необходимо устанавливать соединение за время tус< 140 мс, чтобы межконцевые задержки не превышали предельно допустимой величины.

Быстрая коммутация пакетов (БКП)

  1.  Динамическое изменение скорости передачи (полосы пропускания канала);
  2.  малая вероятность ошибки;
  3.  простота протоколов  сетевого (3) и уровня звена данных (2);
  4.  малая величина задержки;
  5.  хорошее использование ресурсов при пачечном трафике;
  6.  гибкость в условиях перегрузки.
  1.  Потери скорости передачи из-за необходимости включения адреса в каждый пакет;
  2.  усложнение коммутационных полей.

Способ КП

  1.  Динамическое изменение скорости передачи;
  2.   высокое использование ресурсов сети при пачечном трафике.
  1.  Задержка доставки речевой информации может быть недопустимо большой;
  2.  высокая сложность протоколов звеньевого и сетевого уровней;
  3.   большая зависимость задержки сообщений от поступающей нагрузки.

Контрольные вопросы

  1.  Охарактеризуйте преимущества существующей технологии КК, используемой традиционными операторами.
  2.  Что понимают под первичной сетью?
  3.  Что понимают под вторичной сетью?
  4.  Что понимают под терминами: «Сеть связи следующего поколения», «Мультисервисная сеть (МС)», «Мультипротокольная сеть», «Инфокоммуникационная сеть», «Сеть связи общего пользования (ОП)»?
  5.  Дайте определение терминов: «Транспортная сеть», «Первичная сеть», «Вторичная сеть», «Услуга переноса (bearer service)».
  6.  Что понимают под термином «Глобальная Информационная Инфраструктура (Global Information Infrastructure, GII)»?.
  7.  Какие методы коммутации Вы знаете?

Библиография

  1.  Концептуальные положения по построению мультисервисных сетей на ВСС России. - М: Минсвязи, 2001
  2.  Рекомендация  ITU-T E.550 Качество обслуживания вызовов и новые эксплуатационные характеристики международных телефонных коммутационных станций
  3.  ITU-T  Recommendation  G.131 (08/96) Control of talker echo
  4.  Рекомендация МСЭ-Т Y.110 "Принципы и архитектура глобальной информационной инфраструктуры" (ITU-T Rec. Y.110 "Global Information Infrastructure principles and framework architecture") 1998, June.
  5.  Рекомендация МСЭ-Т Y.120 "Методологические подходы к глобальной информационной инфраструктуре" (ITU-T Rec. Y.120 "Global Information Infrastructure scenario methodology"). 1998, June.

4 Общая архитектура сетей нового поколения (NGN)

4.1 Проблемы перехода к сети нового поколения

Сложность создания NGN заключается в том, что сети фиксированной,  мобильной связи и Internet  построены по разным стандартам и используют индивидуальное программное обеспечение (ПО), что тормозит развитие рынка услуг.

Главная задача телекоммуникационного сообщества – создание такой архитектуры сети, чтобы ПО предоставления услуг не зависело от вида сети или технологии доставки информации (например, для карты с предоплатой или предоставления интеллектуальной услуги 800 «Free Phone»).

Решение этой задачи призвана обеспечить концепция открытого доступа к услугам (Open Service Access, OSA). Одна из практических реализаций этой концепции – архитектура Parlay.

Для построения мультисервисной сети необходимы следующие средства:

  •   транспортные каналы и протоколы, способные поддерживать доставку информации любого типа (речь, видео, данные);
  •   оборудование доступа к такой сети;
  •   разнообразные терминальные устройства.

Требуется объединить существующие сети разных операторов (традиционные ССОП, сети мобильной связи и IP-сети) в единую сеть. Это же можно назвать конвергенцией существующих сетей, принадлежащих разным операторам, и технологий, что является общепринятым решением проблемы. Но это "просто" только на первый взгляд.

Сегодня еще нет технологий, которые бы полностью удовлетворяли запросам перспективной мультисервисной сети. Однако технологические решения, способные стать ее основой, существуют уже сейчас, то есть можно построить прообраз мультисервисной сети, который со временем сможет эволюционировать к мультисервисной сети будущего.

Функциональная модель NGN [2] принципиально отличается от использовавшихся до сих пор моделей телекоммуникационных сетей. В частности, узлы PSTN выполняют множество функций:

  •  обработка вызова с помощью обмена сигнальной информацией;
  •  маршрутизация;
  •  коммутация каналов;
  •  предоставление ограниченного набора услуг (справочных);
  •  сбор и обработка данных о длительности сеанса связи;
  •  тарификация и др.

Интерфейсы между этими функциями не стандартизованы международными организациями стандартизации, являются фирменными. Это свойство узлов старых сетей (PSTN, PDN) не позволяет операторам сетей и провайдерам услуг самостоятельно модифицировать функции сетевых устройств и обеспечивать их согласование с помощью стандартных интерфейсов. Первым шагом на пути разделения жестко связанных функций узлов старых сетей стала технология ISDN. В узлах ISDN функции обработки вызовов были отделены от функций коммутации. На каждом узле была создана служба сигнализации, использующая отдельную подсеть пакетной коммутации. Топология этой подсети отличается от топологии сети, обеспечивающей коммутацию каналов, предназначенных для транспортировки данных пользователей.

Жесткая конкуренция и внедрение передовых технологий доставки информации ведут к снижению цен за пересылку данных через транспортные сети. Как операторы сетей, так и провайдеры услуг могут рассчитывать на стабильные доходы только при наличии современных высокоэффективных и расширяемых коммутационных и транспортных средств, а также при предоставлении расширенного набора услуг.  

Чтобы услуга была прибыльной, операторы сетей должны иметь возможность предоставлять новые услуги, не затрагивая средства доставки информации.

Это означает создание открытой стандартизованной архитектуры на базе соответствующих протоколов, таких, как SIP (Session Initialization Protocol), аналогично модели, принятой в Internet. В результате пользователи получат возможность использовать новые голосовые услуги, предлагаемые провайдерами, и обращаться к новым услугам сторонних разработчиков, создаваемых с помощью технологий прикладного программирования, например, Java.

Целью международного сотрудничества является реализация стремлений программистов – создание единого прикладного программного интерфейса (API) для мировой индустрии телекоммуникаций.

4.2 Модель NGN

В концепции NGN заложена идея конвергенции существующих сетей и технологий (ССОП, сетей мобильной связи и IP-сетей).

Конвергенция (Convergence) процесс постепенного сближения различных технологий и служб связи с целью унификации оборудования и расширения функциональных возможностей.

Сеть следующего поколения (NGN) – это концепция построения  сетей связи, обеспечивающих предоставление неограниченного набора услуг с гибкими возможностями по их управлению, персонализации и созданию новых услуг за счет унификации сетевых решений. В состав NGN входит универсальная транспортная платформа с распределенной коммутацией.  

Взаимодействие сетей друг с другом обеспечивается с помощью шлюзов (Gateway) – аппаратно-программных средств сопряжения сетей разнородной архитектуры с разными протоколами и форматами данных. Шлюзы выполняют основную роль при взаимодействии пакетной и телефонной сетей. Технологические решения, способные стать основой NGN, существуют уже сейчас.

Перечислим требования, которым должен удовлетворять  мультисервисная сеть:

  •  гарантированное качество обслуживания (QoS) пользователей;
    •  доставка информации, чувствительной к задержке, в реальном масштабе времени;
      •  обеспечение передачи данных с требуемой скоростью;
      •  централизованное управление сетью.

Основная задача сетей нового поколения заключается в обеспечении взаимодействия существующих и новых телекоммуникационных сетей, поддерживаемых единой инфраструктурой для передачи любых видов информации (голоса, данных, видео). 

Для транспортной сети следует подобрать такую технологию, которая удовлетворяла бы первым трем требованиям. Но при этом нельзя упускать из виду, что NGN должна взаимодействовать с существующими в наше время телекоммуникационными сетями и быть приспособленной к совершенствованию [3, 7].

Логично отталкиваться от наиболее развитой сегодня технологии  доставки TCP/IP и взять за основу протокол IP. Он удовлетворяет третьему требованию и, благодаря технологии VoIP (передачи речи по IP-сетям), отвечает второму.

Однако протокол IP не обеспечивает гарантированного качества обслуживания. Несомненным лидером в транспортных технологиях является многопротокольная коммутация с помощью меток (MPLS).

На входе в сеть MPLS IP-адресу ставится в соответствие короткий идентификатор определенного формата, которым и оперируют коммутирующие маршрутизаторы MPLS, так что им не нужно расходовать время на анализ заголовков пакетов, благодаря чему существенно сокращается общее время доставки (рисунок 4.1).

При использовании технологии MPLS соответствие между пакетом и путем (маршрутом) устанавливается один раз на входе в домен MPLS.

Многопротокольная коммутация с использованием меток (Multiprotocol Label Switching, MPLS) это способ распознавания потоков пакетов с одинаковым маршрутом и присваивания им меток, с помощью которых эти пакеты коммутируются в сетевых узлах (Label Switching Router, LSR) без полного раскрытия заголовка.

Каждый LSR содержит таблицу, которая ставит в соответствие паре "входной интерфейс, входящая метка" пару "выходной интерфейс, исходящая метка". Получив пакет, LSR определяет для него выходной интерфейс (по входящей метке и номеру интерфейса, куда пакет поступил). Входящая метка заменяется исходящей (записанной в соответствующем поле таблицы), и пакет пересылается к следующему LSR (Рисунок 4.2).

Вся операция требует лишь одноразовой идентификации значений в полях одной строки таблицы и занимает гораздо меньше времени, чем сравнение IP-адреса отправителя с адресным префиксом в таблице маршрутов при традиционной маршрутизации. Технология MPLS предусматривает два способа пересылки пакетов. При одном способе каждый маршрутизатор выбирает следующий участок маршрута самостоятельно (децентрализованная маршрутизация), а при другом заранее задается цепочка маршрутизаторов (централизованная маршрутизация), которые должны коммутировать пакет. Второй способ основан на том, что маршрутизаторы на пути следования пакета действуют в соответствии с инструкциями, полученными от одного из LSR данного пути, коммутируемого с помощью меток LSP (обычно от нижнего, что позволяет совместить процедуру "раздачи" этих инструкций с процедурой распределения меток).

Поскольку принадлежность пакетов тому или иному классу доставки (Forwarding Equivalence Class, FEC) определяется не только IP-адресом, но и другими параметрами, нетрудно организовать разные LSP для потоков пакетов, предъявляющих разные требования к качеству доставки. Каждый FEC обрабатывается отдельно от остальных не только в том смысле, что для него образуется свой LSP, но и в смысле доступа к общим ресурсам (полосе пропускания канала, буферному пространству). Поэтому технология MPLS позволяет очень эффективно поддерживать требуемое качество доставки информации, соблюдая предоставленные пользователю гарантии. Однако, для поддержки гарантированного качества доставки пакетов недостаточно использования одного протокола MPLS. Необходим симбиоз с механизмами управления трафиком и/или механизмами резервирования ресурсов, например, протоколом резервирования ресурсов (RSVP).

Физическая архитектура NGN [1, 3] приведена на рисунке 4.3.

Сеть нового поколения включает, помимо транспортной платформы, платформу управления и сигнализации, реализуемую на базе новых программно-аппаратных комплексов, за которыми закреплено название Softswitch (гибкая система управления коммутацией), а также платформу серверов, обеспечивающих необходимый набор услуг. В настоящее время разработаны универсальные открытые интерфейсы, позволяющие гибко настраивать взаимодействие между этими платформами.

В сети нового поколения функции создания и предоставления услуг и приложений отделяются от функций управления вызовом и ресурсами коммутации, а также создаются стандартизованные интерфейсы между уровнями, выполняющими эти функции.

Уровневая архитектура сети нового поколения приведена на рисунке 4.4.

В состав NGN входят сети доступа и транспортная сеть. Сеть доступа (Access Network) это часть общей сети электросвязи, расположенной между пользователем сети и узлом предоставления услуг.

Транспортная сеть (Transport Network) это часть сети электросвязи, обеспечивающая доставку информационных и служебных сигналов по заданным адресам и состоящая из ряда подсетей с возможно различными принципами их организации и принадлежности к различным операторам.

На уровне доступа осуществляется подключение терминалов пользователей к сети на основе применения разнообразных средств и преобразование исходного формата данных в соответствующий формат, используемый для передачи в данной сети. На уровне доступа используются следующие устройства:

  •  медиашлюзы доступа (AGW);
  •  медиашлюзы сигнализации (SGW);
  •  устройства интегрированного доступа (IAD);
  •  медиашлюзы соединительных линий (TGW).

Медиашлюз (MGW) терминирует (доставляет) вызовы из телефонной сети, компрессирует и пакетирует голос, передает пакеты c компрессированной голосовой информацией в сеть IP, а также проводит обратную операцию для вызовов пользователей телефонной сети из сети IP. В случае вызовов, поступающих от ISDN/PSTN, медиашлюз передает сигнальные сообщения контроллеру медиашлюза. Возможны преобразования протокола сигнализации ISDN/PSTN в сообщения Н.323 средствами самого медиашлюза. Медиашлюз может также поддерживать удаленный доступ, виртуальные частные сети, фильтрование трафика TCP/IP и т.п.

Медиашлюз сигнализации (SGW) находится на границе между PSTN и IP-сетью и служит для преобразования сигнальных протоколов и прозрачную доставку сигнальных сообщений из коммутируемой ISDN/PSTN в пакетную сеть. Шлюз сигнализации транслирует сигнальную информацию через сеть IP контроллеру медиашлюза или другим шлюзам сигнализации и обеспечивает взаимодействие с базами данных ID. В интеллектуальных сетях это взаимодействие происходит по протоколу INAP.

На уровне коммутации и транспорта осуществляется коммутация пакетов с помощью маршрутизаторов и IP-коммутаторов уровня 3, в которых обработка пакетов выполняется аппаратно. Эти устройства распределены в транспортной сети (WAN). На этом уровне осуществляется предоставление абонентам единообразной и интегральной платформы доставки информации с высоким качеством и большой пропускной способностью.

На уровне управления ресурсами транспортной сети осуществляется управление вызовами с использованием требуемого набора протоколов сигнализации. На этом уровне используется многофункциональный объект Softswitch (контроллер медиашлюза) – апофеоз совершенствования телекоммуникационных средств.

Softswitch осуществляет управление:

  •  вызовами;
  •  медиашлюзами (Media Gateway, MG);
  •  распределением ресурсов магистральной сети;
  •  обработкой сигнальных сообщений;
  •  аутентификацией;
  •  учетом стоимости услуг;
  •  предоставлением абонентам основных речевых услуг связи, мобильной связи, мультимедиа связи, а также интерфейсов программирования приложений (API).

Контроллер медиашлюза (Media Gateway Controller, MGC) выполняет регистрацию и управляет пропускной способностью медиашлюза, обменивается сообщениями с узлами ISDN/PSTN. Взаимодействие между MGC и GW (по протоколу MGC/GW) происходит в IP-сети.

На уровне услуг и приложений осуществляется предоставление большого разнообразия услуг, а также поддержка целостности установленных соединений. На этом уровне применяются следующие системы:

  •  OSS (Operation Support System) – система поддержки эксплуатации, состоящая из двух подсистем: системы управления сетью (NMS) и интегрированной системы тарификации услуг;
  •  AS (Application Server)  сервер приложений, используемый для создания и управления логикой различных услуг с добавленной стоимостью и услуг интеллектуальной сети, а также для предоставления инновационной платформы по разработке услуг и предоставления услуг сторонних провайдеров с помощью открытых интерфейсов (API) для программирования приложений;
  •  LS (Location Server)  сервер местоположения, используется для динамического распределения маршрутов между Softswitch в NGN, определяет возможность установления соединений с пунктом назначения;
  •  Сервер RADIUS (Remote Authentication Dial-In User Service) сервер службы аутентификации удаленных вызывающих пользователей  (используется для централизованной аутентификации пользователей, шифрования пароля, выбора услуг и фильтрации, а также централизованной тарификации услуг);
  •  MRS (Media Resource Server)  сервер медиаресурсов, используется для реализации функций выбора среды передачи при организации основных и услуг с добавленной стоимостью (обеспечение тональных сигналов в процессе предоставления услуг, конференцсвязи, интерактивного голосового ответа (Interactive Voice Response, IVR), услуг записанных сообщений и речевого меню);
  •  SCP (Service Control Point)  узел управления услугами, является основным узлом интеллектуальной сети (IN) и используется для хранения абонентских данных и управления логикой услуг.

Протоколы управления шлюзами

В предыдущие годы были разработаны протоколы управления шлюзами:

  •  Simple Gateway Control Protocol (SGCP);
  •  Internet Protocol Device Control (IPDC);
  •  Media Gateway Control Protocol (MGCP), на основе которого был разработан протокол MEGACO.

В настоящее время применяется протокол MEGACO (H.248), разработанный ITU-T совместно с IETF на основе уже существовавшего к тому времени протокола управления медиашлюзом MGCP.

Протоколы взаимодействия уровня услуг и приложений с уровнем управления ресурсами

Основополагающим принципом привлечения новых клиентов является быстрое создание и внедрение требуемых им услуг и приложений. Эта задача может быть решена с помощью открытых интерфейсов прикладного программирования (Application Programming Interfaces, API's), представляющих собой набор типовых программных функций и команд, предназначенных для создания и поддержки различных служб операционной среды. Между уровнем услуг и приложений и уровнем управления ресурсами могут использоваться следующие API:

  •  OSA (Open Service Access, OSA) концепция открытого доступа к услугам;
  •  Parlay API, JAIN, WinAPI – открытые интерфейсы прикладного программирования;
  •  SIP (Session Initiation Protocol) – протокол инициализации сеанса;
  •  XML (Extensible Markup Language) – расширяемый язык разметки, проблемно ориентированный язык для создания Web-страниц (язык одобрен консорциумом W3C (World Wide Web Consortium), который коодинирует с 1994 г. разработку новых сетевых технологий Internet).

Открытые интерфейсы дают операторам возможность предоставлять абонентам доступ к услугам и приложениям, расположенным как на серверах, принадлежащих этому оператору, так и серверах третьей стороны, вне зависимости от используемого оборудования и операционной системы.

Система прикладного программирования Parlay API, как и подобные ей системы, обеспечивает конфигурирование, размещение ресурсов, сертификацию и проверку полномочий на право доступа к информации для внешних приложений Parlay, основанных на IP. С помощью Parlay API могут быть реализованы: разработка, управление и использование интеллектуальных услуг без модификации оборудования Softswitch.

Существующие сети должны иметь доступ к NGN с помощью оборудования конечного пользователя (Residential Gateway, RGW) и шлюзов для подключения различных сетей доступа (Access Gateway, AGW): 

  •  UTRAN-UMTS (универсальная мобильная телекоммуникационная система);
  •  сеть радио доступа GSM (Radio Access Net GSM, RAN-GSM);
  •  беспроводная абонентская линия (Wireless Local Loop, WLL);
  •  локальная сеть (Local Area Net, LAN);
  •  тракты с временным разделением каналов (Time Division Multiplexing, TDM).

Функции NGN и протоколы, используемые на разных уровнях иерархии, приведены на рисунке 4.5.

На рисунке 4.6 приведена структурная схема сети нового поколения.

Транспортной основой NGN является высокоскоростная опорная сеть с коммутацией пакетов (IP/MPLS, IP/ATM). Опорная сеть с коммутацией пакетов позволяет ускорить интеграцию телефонных сетей, сетей передачи данных и сетей кабельного телевидения (КТВ).

Шлюзы выполняют функции взаимодействия сетей в процессе установления, разъединения соединений и передачи информации пользователей. В первичной сети, входящей в состав базовой пакетной сети доставки информации (IP/MPLS), используются технологии SDH/WDM.

На рисунке 4.7 приведены протоколы, используемые в шлюзах сигнализации (SGW) и соединительных линий (TGW). Так, например, шлюз сигнализации выполняет преобразование (конвертацию) форматов сигнальных сообщений протокола ISUP в форматы сигнальных сообщений протокола SIP и обратное преобразование.  

Шлюз соединительных линий (TGW) обеспечивает преобразование цифрового сигнала, созданного кодером G.711 (PCM) и принимаемого со скоростью 64 Кбит/с из телефонной сети или ISDN, в цифровой компрессированный сигнал, созданный кодером G.729 и передаваемый со скоростью 8 Кбит/с маршрутизаторами IP-сети с помощью протокола RTP. Шлюз соединительных линий выполняет также обратное преобразование.

Контроллер управления шлюзами (MGC) использует протоколы: H.248/MEGACO, UDP, IP, GE. Пограничный маршрутизатор (LER), коммутирующий IP-пакеты с помощью меток, обеспечивает согласование Internet (Intranet) с сетью, использующей технологию многопротокольной коммутации с помощью меток (MPLS).

Контрольные вопросы

  1.  Перечислите средства, необходимые для построения мультисервисной сети.
  2.  Что понимают под конвергенцией существующих сетей разных операторов и технологий?
  3.  Дайте понятие сети следующего поколения (NGN).
  4.  Каково назначение шлюза (Gateway)?
  5.  За счет чего существенно сокращается общее время доставки информации в сети с технологией MPLS?
  6.  Приведите пример сети, в которой доставка информации обеспечивается с помощью технологий TCP/IP и MPLS.
  7.  Поясните принцип многопротокольной коммутации с использованием меток (Multiprotocol Label Switching, MPLS).
  8.  Какой дополнительный механизм необходим для гарантированного качества доставки пакетов в сети с технологией MPLS?
  9.  Изобразите физическую архитектуру NGN (Recommendation ITU-T Y.100).
  10.  Изобразите уровневую архитектуру сети нового поколения.
  11.  Каковы функции Softswitch?
  12.  Каковы особенности открытых интерфейсов?
  13.  Изобразите состав протоколов, участвующих при конвертации SIPISUP в шлюзе сигнализации (SGW).
  14.  Изобразите состав протоколов, участвующих при конвертации G.711G.729 в шлюзе трактов (TGW).

Библиография

  1.  ITU-T Rec. Y.100 (06/98) General overview of the Global Information Infrastructure standards development
  2.  Концептуальные положения по построению мультисервисных сетей на ВСС России. – Документ Министерства РФ по связи и информатизации. 2001 г.
  3.  Кучерявый А.Е., Цуприков А.Л. Сети связи следующего поколения. М.: ФГУП ЦНИИС. 2006. 278 с.
  4.  Recommendation ITU-T Y.100. General overview of the Global Information Infrastructure standards development.
  5.  Recommendation ITU-T Y.101. Global Information Infrastructure terminology: Terms and definitions.
  6.  Recommendation ITU-T Y.110. Global Information Infrastructure principles and framework architecture.
  7.  Гольдштейн А.Б., Гольдштейн Б.С. Технология и протоколы MPLS. – С.-Петербург. «БХВ–Санкт-Петербург». 2005. 303 с.

Глава 5 Функциональная структура NGN

5.1 Построение транспортных пакетных сетей

Основу NGN составляет универсальная транспортная сеть, реализующая функции транспортного уровня и уровня управления коммутацией и передачей [1, 2, 3, 8].

В состав транспортной сети NGN могут входить:

  •  транзитные узлы, выполняющие функции переноса и коммутации;
  •  оконечные (граничные) узлы, обеспечивающие доступ абонентов к мультисервисной сети;
  •  контроллеры сигнализации, выполняющие функции обработки информации сигнализации, управления вызовами и соединениями;
  •  шлюзы, позволяющие осуществить подключение традиционных сетей связи (ССОП, СПД, ССПС).

Контроллеры сигнализации могут быть вынесены в отдельные устройства, предназначенные для обслуживания нескольких узлов коммутации. Использование общих контроллеров позволяет рассматривать их как единую систему коммутации, распределенную по сети. Такое решение не только упрощает алгоритмы установления соединений, но и является наиболее экономичным для операторов и поставщиков услуг, так как позволяет заменить дорогостоящие системы коммутации большой емкости небольшими, гибкими и доступными по стоимости даже мелким поставщикам услуг.

Оконечные и оконечно-транзитные узлы транспортной сети могут выполнять функции узлов служб, т.е. состав функций граничных узлов может быть расширен благодаря добавлению функций предоставления услуг. Для построения таких узлов может использоваться технология гибкой коммутации (Softswitch). Структура мультипротокольной транспортной сети представлена на рисунке 5.1. 

5.2 Построение сетей доступа

Классификация сетей доступа может проводиться по ряду характеристик:

  •  по набору предоставляемых услуг (назначение передаваемой информации, по уровням в соответствии с уровневой моделью);
  •  по используемым средам передачи (кабели с медными проводниками, оптические кабели, радиосреды в различных диапазонах волн);
  •  по используемой топологии (точка-точка, звезда, дерево, ячеистая, кольцо);
  •  по используемым технологиям доставки информации (кабельные, беспроводные, комбинированные);
  •  по методам разделения среды передачи (статическое, статистическое мультиплексирование).

Передаваемая информация делится по своему назначению на следующие виды:

  •  пользовательская (данные, видео, речевая информация…) (User, U);
  •  сигнальная (например, для поддержания процедур установления и разъединения соединения) (Control, C);
  •  управления (для сбора аварийных сигналов, тестирования, администрирования и др.) (Management, M).

При классификации по уровням в соответствии с уровневой моделью услуги соответствуют функциям протокола конкретного уровня:

  •  физического (среда передачи) функции синхронизации, мультиплексирования;
  •  звена данных  защита от ошибок;
  •  сетевого  маршрутизация сообщений.  

С точки зрения вышележащих уровней, в доступе реализуются только услуги сигнализации (С) и управления (М). Для их поддержки устройства доступа могут содержать функциональные узлы для обработки всего стека протоколов в плоскости С или М.

Услуги верхних уровней в плоскости U реализуются, как правило, за пределами сети доступа – а именно в конечных терминалах пользователей (TE, CPE) и сетевых серверах (узлах служб – SN). В этом смысле в плоскости U сеть доступа выполняет только функции транспортировки информации пользователя между интерфейсами UNI и SNI (т.е. услуги протоколов нижних уровней).

В узле доступа должны быть реализованы технологии доставки информации для любого терминального устройства, подключаемого с помощью:

  •   средств аналогового доступа сетей связи общего пользования (ССОП);
  •   средств вазового (BRI) и первичного доступа (PRI) ISDN;
  •   цифровых абонентских линий (xDSL);
  •   пассивных оптических сетей (Passive Optical Net, PON);
  •   радиодоступа (микросотовый беспроводный доступ DECT, Bluetooth, Radio Ethernet и высокоскоростные локальные радиосети ETSI  HIPERLAN).

Безусловно, ни одна из перечисленных технологий не может в полной мере удовлетворить потребности мультисервисного доступа. Необходим абонентский концентратор, объединяющий все эти технологии. Такие концентраторы уже существуют:

  •   Протей-МАК (НТЦ «ПРОТЕЙ»);
  •   AN 2000 (UTStarcom);
  •   Any Media Access System (Lucent);
  •   ACE MAP Access Gateway (Samsung);
  •   и др..

Перечисленные технологии обеспечивают доступ к ресурсам сети и передачу данных разного вида, но не обеспечивают требуемого качества доставки информации, так как не устанавливают соединений для доставки данных, чувствительных к задержке и потерям.

Наиболее подходящими решениями здесь можно считать протоколы сигнализации и стандартизованные интерфейсы:

  •   RSVP (Reservation Protocol) протокол резервирования ресурсов;
  •   Q.931 (протокол сетевого уровня абонентской цифровой системы сигнализации № 1);
  •   V5.2 (интерфейс N-ISDN, позволяющий предоставить пользователям удаленный фиксированный и мобильный доступ к ресурсам магистрали со скоростями n*64 Кбит/с, n=1-30).

Протокол RSVP – это протокол сигнализации, который обеспечивает резервирование ресурсов для предоставления в IP-сетях услуг эмуляции выделенных каналов. Протокол позволяет запрашивать, например, гарантированную пропускную способность такого канала, предсказуемую задержку, максимальный уровень потерь. Но резервирование выполняется лишь в том случае, если имеются требуемые ресурсы.

Чтобы обеспечить  требуемый уровень эффективности обслуживания трафика речевых и видео-приложений, необходим механизм, позволяющий источникам информировать службу о своих требованиях. На основе этой информации сеть может резервировать ресурсы, чтобы гарантировать выполнение требований к качеству доставки. При отсутствии ресурсов служба отказывает приложению, вынуждая его либо пересмотреть требования, либо отложить сеанс связи.

Отправитель данных, использующий протокол RSVP, передает на индивидуальный или групповой адрес получателя сообщение Path, в котором указываются желательные характеристики качества доставки данных:

  •   верхнюю и нижнюю границы полосы пропускания;
  •   среднюю длительность задержки;
  •   допустимую вариацию длительности задержки.

Сообщение Path пересылается маршрутизаторами IP-сети в сторону получателя данных с использованием таблиц маршрутизации в узлах сети до ближайшего маршрутизатора MPLS транспортной сети NGN (рисунок 5.2).

Каждый маршрутизатор, поддерживающий протокол RSVP, получив сообщение Path, фиксирует адрес предыдущего маршрутизатора как элемент “структуры пути”. Таким образом, в сети создается фиксированный маршрут. Поскольку сообщения Path содержат те же адреса отправителя и получателя, что и пакеты данных, пакеты будут маршрутизироваться корректно даже через сетевые области, не поддерживающие протокол RSVP.

Сообщение Path содержит шаблон данных отправителя (Sender Template), описывающий тип этих данных. Шаблон специфицирует фильтр, который может отделять пакеты этого отправителя от других пакетов в пределах сессии.

Кроме того, сообщение Path должно содержать спецификацию потока данных отправителя Tspec, которая определяет характеристики этого потока. Спецификация Tspec используется для того, чтобы предотвратить избыточное резервирование.

Шаблон данных отправителя имеет тот же формат, что и спецификация фильтра в сообщениях Resv (Reservation).

В зависимости от идентификатора протокола, заданного для сессии, шаблон может специфицировать только IP-адрес отправителя или (но не обязательно) также и UDP/TCP-порт.

Приняв сообщение Path, получатель передает к маршрутизатору, от которого пришло это сообщение (т.е. по направлению к отправителю), запрос резервирования ресурсов – сообщение Resv.

В дополнение к информации Tspec, сообщение Resv содержит спецификацию запроса (Rspec), в которой указываются нужные получателю параметры качества доставки и спецификацию фильтра (filterspec), которая определяет, к каким пакетам сессии относится данная процедура (рисунок 5.3).

Вместе Rspec и filterspec представляют собой дескриптор потока, используемый маршрутизатором для идентификации каждой процедуры резервирования ресурсов.

Когда получатель данных передает запрос резервирования, он может запросить передачу ему ответного сообщения, подтверждающего резервирование.

При получении сообщения Resv каждый маршрутизатор в резервируемом пути, поддерживающий протокол RSVP, определяет, приемлем ли этот запрос, для чего выполняются две процедуры:

  •   механизм управления доступом;
  •   процедура режимного контроля (policy control).

С помощью механизмов управления доступом проверяется, имеются ли у маршрутизатора ресурсы, необходимые для поддержки запрашиваемого качества доставки информации, а с помощью процедуры режимного контроля (policy control) – правомерен ли запрос резервирования ресурсов. Если запрос не может быть удовлетворен, маршрутизатор отвечает на него сообщением об ошибке.

Если запрос приемлем, маршрутизатор передает сообщение Resv следующему маршрутизатору, находящемуся ближе к отправителю данных.

Сообщение Resv содержит спецификацию flowspec, в которую входит два набора параметров:

  •  “Rspec”, который определяет желательное качество доставки информации;
  •  “Tspec”, который описывает информационный поток.

Когда маршрутизатор, ближайший к инициатору процедуры резервирования, получает сообщение Resv и выясняет, что запрос приемлем, он передает подтверждающее сообщение получателю данных.

После окончания описанной процедуры ее инициатор начинает передавать данные и на их пути к получателю будет обеспечено требуемое качество доставки информации.

Совместное использование двух протоколов – RSVP на уровне доступа и MPLS на уровне транспортной сети – позволяет предоставлять пользователям конвергентной сети гарантированное качество доставки информации.

Взаимодействие существующих сетей с NGN

На начальном этапе ССОП может стать частью конвергентной сети, а на стыках между ССОП и транспортной сетью IP/MPLS будут устанавливаться шлюзы VoIP – устройства, которые предназначены для преобразования потока информации, поступающего от сети связи общего пользования, к виду, пригодному для передачи по IP-сетям. 

Кроме того, в конвергентную сеть войдут сети IP-телефонии альтернативных операторов, использующие для установления соединений протоколы Н.323 и SIP. Сегодня такие сети используются, в основном, для междугородной и международной связи, но в условиях конвергентной сети они станут альтернативой ССОП.

Для управление взаимодействием сетей, входящих в конвергентную сеть, используется многофункциональный и весьма ответственный узел Softswitch.

Этот узел призван управлять соединениями при межсетевой связи, шлюзами и сетевым трафиком. В процессе управления соединениями Softswitch решает задачи поддержки систем сигнализации взаимодействующих сетей. Следует отметить, что Softswitch управляет обслуживанием вызовов и не отвечает за соединение через маршрутизаторы IP-сети. Известны российские разработки: Tario.Net Softswitch и Протей-Softswitch.

На рисунке 5.4 приведен пример установления соединения абонента ССОП с пользователем сети IP-телефонии в мультисервисной сети, использующей Softswitch и транспортную сеть с технологией IP/MPLS.

Рассмотрим случай, когда нужно связать двух пользователей, один из которых является абонентом ССОП, а второй – пользователем сети IP-телефонии. Пусть инициатором соединения будет VoIP-пользователь (абонент А), а сеть IP-телефонии использует протокол Н.323.

С помощью сообщения Setup протокола сигнализации H.225.0 стека Н.323 абонент А сообщает узлу Softswitch номер абонента ССОП (абонента Б). Softswitch должен определить местонахождение вызываемого абонента и, так как это абонент ССОП, найти ближайший к нему шлюз VoIP.

Терминал абонента А с помощью протокола RSVP запрашивает у маршрутизатора MPLS и получает в сети доступа требуемые ресурсы связи, необходимые ему для гарантированной передачи речевой информации в реальном масштабе времени с соответствующим качеством доставки информации.

Терминал абонента А далеко не всегда имеет прямой доступ к сети MPLS. Доступ к ней может обеспечиваться через Internet общего пользования, которая не обеспечивает гарантированного качества доставки информации. Поэтому в сети доступа необходимо использовать протокол RSVP.

Если в ССОП/ISDN используется система сигнализации ОКС №7, Softswitch посылает сигнальное сообщение IAM (начальное адресное сообщение) в сторону вызываемой станции (которая  может находиться в зоне действия другого Softswitch, и тогда сначала сообщениями протокола SIP будут обмениваться узлы Softswitch, а уже потом сообщение IAM будет транслироваться на АТС вызываемого абонента).

Получив от вызываемой станции сообщение ANM об ответе вызываемого абонента, Softswitch транслирует это сообщение в сторону вызывающего абонента А.

Между шлюзом VoIP, который был найден узлом Softswitch, и ближайшим к нему маршрутизатором MPLS устанавливается RSVP-соединение.

Так образуется цепочка: VoIP терминал – маршрутизаторы домена IP/MPLS – шлюз VoIP – АТС – терминал ССОП, и на всем ее протяжении действуют механизмы обеспечения гарантированного качества доставки информации.

Затем начинается передача речевой информации между абонентами через IP-сеть с использованием протоколов RTP/RTCP.

После завершения сеанса соединение разрушается. Для этого абоненты (абонент А взаимодействует с Softswitch, а абонент Б - с АТС) информируют об окончании разговора, после чего резервирование ресурсов протоколом RSVP отменяется.

Предложенный симбиоз технологий MPLS и RSVP пока не может решить проблемы характерного для IP-сетей негарантированного режима доставки информации, применение которого будет негативно влиять на абонентов телефонной сети, которые привыкли к норме потерь по вызовам порядка 3-5 процентов и к малым задержкам в получении сигнала "ответ станции".

5.3 Построение NGN

Архитектура сети связи, построенной в соответствии с концепцией NGN, представлена на рисунке 5.5.

Компоненты NGN:

  •  серверы приложений (E-mail, SMS, Billing, SN-IN (Source Name -  Internet Name Service), TMN, …);
  •  программное обеспечение (ПО) для поддержки прикладного программного интерфейса (Application Programming Interface, API);
  •  прикладной программный интерфейс (API);
  •  Softswitch (контроллер медиашлюзов, обработчик вызовов, конвертор сигнализации);
  •  программное обеспечение (ПО), используемое для поддержки интерфейсов;
  •  транспортные платформы, медиашлюзы (информационные, сигнальные, управления).

Основные функции Softswitch таковы:

  •  управление медиашлюзами (в плоскостях C, M) по протоколам MGCP/MEGACO/H.248, H.323, SIP;
  •  управление транспортными сетями (установление соединений, маршрутизация, управление трафиком);
  •  поддержка взаимодействия с приложениями.

В последнее время ряд крупных фирм, в частности, Alcatel, под Softswitch понимает гибкий коммутатор, поддерживающий функции управления гибридной коммутацией, т.е. оценивающий входящий трафик по различным характеристикам и направляющий его через соответствующие этим характеристикам сéти (включая сети с КК, КП, ATM). По крайней мере, такие возможности управления заложены в протоколе Н.248.

Проблемы перехода к NGN:

  •  отсутствие достаточных инвестиций;
  •  отсутствие единой политики перехода к NGN;
  •  отсутствие единого мнения по поводу путей и темпов построения NGN;
  •  отсутствие или незаконченность стандартов, описывающих все аспекты NGN;
  •  отсутствие полной линейки оборудования для NGN;
  •  несовместимость оборудования разных изготовителей (риски по поводу масштабируемости и сохранения инвестиций).

Проблемы внедрения услуг в NGN:

  •  отсутствие современной инфраструктуры для развертывания инфокоммуникационных услуг;
  •  недостаточное исследование рынка услуг (как по объемам, так и по платежеспособному спросу);
  •  учет неудачного опыта зарубежных операторов в оценке рынка и развертывания услуг N-ISDN и B-ISDN.

Инфокоммуникационные услуги предполагают взаимодействие поставщиков услуг и операторов связи, которое может обеспечиваться на основе функциональной модели распределённых (региональных) баз данных, реализуемых в соответствии с Рекомендацией ITU-T X.500 [4]. Доступ к базам данных организуется с использованием протокола LDAP (Lightweight Directory Access Protocol).

Базы данных позволяют решить следующие задачи:

  •  создание абонентских справочников;
  •  автоматизация взаиморасчётов между операторами связи и поставщиками услуг;
  •  обеспечение взаимодействия операторов связи в процессе предоставления интеллектуальных услуг;
  •  обеспечение взаимодействия терминалов, характеризующихся различными функциональными возможностями.

Базы данных могут использоваться также поставщиками услуг для организации платных информационно-справочных услуг.

Концепция NGN во многом опирается на технические решения, уже разработанные международными организациями стандартизации. Так, например, взаимодействие серверов в процессе предоставления услуг предполагается осуществлять на базе протоколов, специфицированных IETF (MEGACO), ETSI (TIPHON), Форумом 3GPP2 (2-ой проект партнерства по системам мобильной связи 3-го поколения) и т.д.

Для управления услугами могут использоваться протоколы:

  •  H.323 (стандарт ITU-T, определяющий требования к видеоконференциям, проводимым через сети с коммутацией пакетов, то есть по линиям связи с негарантированным качеством доставки информации, например, по сети Ethernet);
  •  SIP (Session Initiation Protocol) – протокол инициализации сеанса связи в пакетных сетях [5];
  •  INAP (IN Application Protocol) – прикладной протокол интеллектуальной сети [6].

В качестве технологической основы построения транспортного уровня мультисервисных сетей рассматриваются технологии АТМ, MPLS, 10GE, IP с возможным применением в будущем оптической коммутации [7].

Мультисервисные сети представляют собой самостоятельный класс сетей, строящихся на основе концепции NGN, на базе которых может быть осуществлено предоставление широкого набора как традиционных, так и новых услуг.

Определение мультисервисных сетей как самостоятельного класса означает, что их регламентация должна осуществляться на основе нормативно-технической базы, учитывающей особенности интеграции различных услуг и системно-технических решений в рамках одной сети.

Базовые услуги, предоставляемые существующими сетями связи и мультисервисными сетями (например, услуги телефонии) должны обладать идентичными характеристиками. Это означает, что мультисервисные сети должны обеспечивать выполнение принятых норм и требований для каждого типа услуг, включая показатели качества, параметры интерфейсов, адресацию/нумерацию и т.д.

Для новых типов услуг (таких как услуги ИСС, услуги мультимедиа, инфокоммуникационные услуги) мультисервисные сети должны обеспечивать возможность взаимодействия с аналогичными услугами других сетей.

Построение мультисервисных сетей должно соответствовать двухуровневой архитектуре: регионального и магистрального (включая межрегиональный) уровней (рисунок 5.6). Это создаст условия для повсеместного внедрения инфокоммуникационных услуг и решения таких задач, как обеспечение структурной надежности, нормирование показателей качества услуг и т.п.

На региональном уровне мультисервисная сеть должна обеспечивать подключение терминалов абонентов и предоставление им как транспортных, так и инфокоммуникационных и других услуг, а также обеспечивать возможность взаимодействия с аналогичными услугами других региональных сетей.

На магистральном уровне мультисервисная сеть должна обеспечивать предоставление услуг переноса для взаимодействия мультисервисных региональных сетей, а также для  всех существующих сетей (при необходимости).

Решение указанных задач связано с формированием сетей доступа, которые бы позволили, с одной стороны, обеспечить разделение трафика на участке, где не накладываются жесткие ограничения на скорость передачи, и, с другой стороны, не осуществляется концентрация трафика. Сеть доступа это системно-сетевая структура, состоящая из абонентских линий, узлов доступа, систем передачи, служащая для подключения пользователей к ресурсам региональных сетей.

Доступ к ресурсам мультисервисной сети осуществляется через граничные узлы, к которым подключается оборудование сети доступа или осуществляется связь с существующими сетями. В последнем случае граничный узел выполняет функции межсетевого шлюза.

Классификация стеков протоколов доставки информации в транспортной сети (рисунок 5.7).

В транспортной сети могут использоваться разнообразные наборы протоколов для доставки информации различных служб и поддержки приложений:

  •  IP/AAL/ATM/SDH;
  •  IP/MPLS/Ethernet;
  •  IP/MPLS/PPP/I.430/I.431;
  •  IP/MPLS/LAP-F/I.430/I.431;
  •  IP/MPLS/LAP-D/I.430/I.431;
  •  IP/MPLS/DWDM.

Выбор того или иного набора протоколов определяется предпочтениями оператора, которые зависят от:

  •  типа уже используемых или планируемых для использования технологий физического уровня (SDH, 1GE/10GE BASE-LX, I.430/I.431, DWDM);
  •  типа уже используемых или планируемых для использования технологий уровня звена данных (ATM, Ethernet, PPP, LAP-F, LAP-D, DWDM);
  •  набора уже имеющихся или планируемых служб и приложений;
  •  требований пользователей и многих других причин.  

Контрольные вопросы

  1.  Какие компоненты могут входить в состав NGN?
  2.  Изобразите структуру мультипротокольной транспортной сети.
  3.  Охарактеризуйте проблемы перехода к NGN.
  4.  Какие задачи могут быть решены с помощью сетевых баз данных (БД)?
  5.  Изобразите двухуровневую архитектуру мультисервисной сети.
  6.  Какие стеки протоколов доставки информации в транспортной сети Вы знаете?

Библиография

  1.  Концептуальные положения по построению мультисервисных сетей на ВСС России, 2001
    1.  E. Rosen. Multiprotocol Label Switching Architecture, RFC-3031, January 2001.
    2.  Рекомендация МСЭ-Т Y.1001. IP-основа. Основа конвергенции телекоммуникационных сетей и сетей с IP технологией.
    3.  ITU-T Recommendation X.500. Information technology – Open Systems Interconnection – The Directory: Overview of concepts, models and services
    4.  Гольдштейн Б.С., Зарубин А.А., Саморезов В.В. Протокол SIP. Справочник. – С.-Петербург. «БХВСанкт-Петербург». 2005. 455 с.
    5.  Лихтциндер Б.Я., Кузякин М.А., Росляков А.В., Фомичев С.М. Интеллектуальные сети связи. – М.: ЭКО-ТРЕНДЗ. 2000. 205 с.
    6.  Столлингс В. Современные компьютерные сети. 2-е издание. – СПб: ПИТЕР. 2003. 783 с.
    7.  Кучерявый А.Е., Цуприков А.Л. Сети связи следующего поколения. – М.: ФГУП ЦНИИС. 2006. 278 с.

Глава 6 Методы и средства обеспечения качества обслуживания в NGN

6.1 Общие требования к качеству доставки информации в сетях с разными технологиями

Требования к качеству доставки информации через сеть определяют сетевые службы. Ни одна сеть не может удовлетворить любым требованиям службы. Недостатки сети должны компенсироваться устройствами адаптации. Сеть обладает свойствами семантической и временнóй прозрачности.

Под семантической прозрачностью принято понимать способность сети обеспечивать доставку информации от источника до адресата с приемлемым для данной службы уровнем ошибок.

Типы ошибок и их количество во многом определяются способом передачи информации и физической природой канала.

Ни одна система передачи не является идеальной. В реальных каналах действуют искажения сигналов, замирания, шумы, различные помехи, которые в дискретном канале появляются в виде ошибок, определяющих верность приема информации.

Одним из наиболее часто используемых показателей, которым принято характеризовать качество цифровых систем передачи, является коэффициент двоичных ошибок (Bit Error Rate, BER). При передаче в течение достаточно большого (репрезентативного) интервала времени коэффициент двоичных ошибок сходится к вероятности ошибочного приема двоичного символа (вероятность ошибки на бит – формула 6.1).

где NBER – количество двоичных символов, принятых с ошибкой;

NΣ  – общее количество переданных бит.

В пакетных сетях биты формируются в пакеты. Поэтому в качестве показателя, характеризующего качество передачи пакетов, принято использовать вероятность приема пакета с ошибками или вероятность искажения пакета (Packet Error Rate, PER).

 

где NPER  количество пакетов, принятых с ошибками;

NΣПАК   количество переданных пакетов.

Ошибки в общем случае могут привести к разным последствиям. В некоторых случаях пакеты могут быть потеряны, а в других случаях поступать не по назначению.

Потеря пакетов может происходить из-за ошибок при маршрутизации или вследствие перегрузок. Вероятность потери пакета (Packet Loss Rate, PLR) есть отношение количества утерянных пакетов к общему количеству переданных за достаточно большой промежуток времени.

Иногда пакеты могут поступать пользователю, которому они не предназначены. Будем называть такие случаи доставкой пакета не по адресу (вставкой пакета). Вероятность доставки пакета не по адресу (Packet Insertion Rate, PIR) есть количество пакетов, доставленных не по адресу, за достаточно большой интервал наблюдения.

Природа этих ошибок во многом определяется техническими устройствами, в которых они возникают. Ошибки, зависящие от систем передачи, определяются в основном физической средой (коаксиальный кабель, волоконно-оптическая линия и др.) и рядом других факторов (видом кодирования, скремблирования и т. д.).

Под временнóй прозрачностью сети принято понимать её свойство поддерживать значение времени задержки и джиттера (разброса) задержки, при которых обеспечивается требуемое качество обслуживания.

Временную прозрачность принято оценивать двумя показателями: временем задержки и джиттером задержки.

Время задержки определяется разницей во времени между началом передачи пакета источником и окончанием приема этого же пакета получателем.

Задержка может быть различной для каждого пакета и представляет собой случайную величину. Числовыми характеристиками этой случайной величины являются среднее время задержки и дисперсия времени задержки.

Время доставки является очень важной сетевой характеристикой для служб, требующих доставки в реальном масштабе времени, например, для телефонии, видеотелефонии и организации распределенных вычислений.

Для каждой службы могут быть определены предельно допустимые вероятности ошибок и время задержки. В таблице 6.1  приведены требования к задержке, вероятности ошибки на бит, вероятности потери пакета и вероятности засылки пакета не по адресу для основных служб, полученные в результате исследований Европейского исследовательского центра в области телекоммуникаций (Research on Advanced Communication in Europe, RACE).

Таблица 6.1. Параметры основных служб

Служба

PBER

PPLR

PPIR

Задержка, мс

Телефония

10-7

10-3

10-3

25/500

Передача данных

10-7

10-6

10-6

1000 (50)

Телевизионное вещание

10-6

10-8

10-8

1000

Звуковые сигналы с высокой точностью воспроизведения

10-5

10-7

10-7

1000

Управление обработкой в распределенных базах данных

10-5

10-3

10-3

1000

Следует отметить, что для передачи данных было внесено дополнительное требование к задержке (не более 50 мс), необходимое для обеспечения функционирования распределенных баз данных. В том случае, если некоторые показатели временнóй и семантической прозрачности сети не удовлетворяют требованиям службы, то терминальное устройство может выполнить дополнительную обработку (коррекцию) выходного сигнала.

Такая дополнительная обработка заключается в обнаружении и исправлении ошибок или в устранении джиттера времени доставки пакетов.

6.2 Качество обслуживания в мультисервисных сетях

Подготовка к всесторонней оценке качества услуги. Обязательным для Оператора является определение конкретной ответственности персонала за предоставление услуги, при этом должна учитываться оценка качества, как исполнителем, так и пользователем.

Предоставление услуги подразумевает:

строгое соблюдение утвержденной спецификации предоставления услуги;

наблюдение за адекватной реализацией спецификации услуги;

корректировку процесса предоставления услуги, если возникают отступления.

Оценка пользователем является конечной мерой качества услуг

[9,10]. Оператор связи должен принимать во внимание следующие весьма очевидные обстоятельства:

а) реакция пользователя на предоставленную услугу может быть немедленной или отложенной и носить ретроспективный характер;

б) чаще всего пользователь оценивает качество услуги субъективно;

в) пользователь редко добровольно информирует представителей оператора (памятуя о своем печальном опыте общения с определенными службами) о своей оценке качества услуги;

г) ориентация на жалобы пользователя как на меру удовлетворенности (фактически оставленной при себе неудовлетворенности) может привести к неправильным выводам;

д) в условиях конкуренции на рынке услуг электросвязи необходимо вводить в практику постоянную оценку степени удовлетворенности пользователя.

Монопольное положение операторов сетей электросвязи общего пользования в РФ до недавнего времени способствовало невниманию к оценке качества услуг самим пользователем.

Такая оценка может дать как положительный, так и отрицательный результат, влияющий на коммерческую деятельность оператора. Оператор нередко считает предоставляемую им услугу высококачественной, не интересуясь мнением пользователей. Монопольное положение оператора способствует застою в совершенствовании услуги. В настоящее время в РФ немало операторов сетей электросвязи приведено в состояние готовности к оценке удовлетворенности пользователей получаемыми ими услугами.

Перед началом процесса проверки этой удовлетворенности необходимо подготовить спецификацию каждой услуги, спецификацию предоставления услуги. После этого необходимо проверить, отвечают ли они потребностям пользователя. Такая проверка будет способствовать обоснованной разработке спецификации управления качеством услуги.

Сравнение оценок качества услуги пользователем и оператором должно быть темой специального изучения. Необходимо добиваться совместимости обеих мер качества. В такой работе представители оператора должны искать взаимопонимания друг с другом и с пользователями. Нелишним будет напоминание того факта, что преобразование пользовательской меры (мер) качества услуги в меру (меры) качества оператора одна из труднейших задач инженерной практики телетрафика.

Качество услуги, оцениваемое пользователем, определяется рядом фактором, среди которых имеются и такие, за которые технический персонал сети не несет прямой ответственности.

Среди этих факторов можно выделить:

поведение пользователей;

недостатки планирования и организации работы служб, подчиненных оператору;

недостатки проектирования сети или отступления от требований проектов;

степень использования оператором средств управления сетью.

Международные организации стандартизации телекоммуникаций признают, что совершенствование организации технической эксплуатации может существенно влиять на качество услуг, оцениваемое пользователем.

Факторы, влияющие на качество предоставляемой услуги:

доступность сети;

доступность соединения;

целостность (непрерывность) установленного соединения;

качество передачи сигнала по соединительному тракту (например, затухание тракта связи);

готовность к обслуживанию;

правильность начисления платы за услугу;

секретность предоставления услуги тайна содержания разговора.

Доступность сети  свойство сети предоставлять ресурс для приема номера вызываемого абонента в течение определенного промежутка времени.

Доступность соединения  свойство сети предоставлять соединение с показателями качества передачи в пределах определенных допусков после получения достаточного количества знаков номера.

Непрерывность установленного соединения  свойство сети сохранять целостность установленного соединения в течение сеанса связи.

Качество передачи сигнала по соединительному тракту  свойство сети обеспечивать выполнение требований к характеристикам каналов и трактов сети доступа, магистральной, внутризоновой первичных сетей и систем передачи.

Готовность к обслуживанию  свойство сети, состоящее в безотказности, долговечности, ремонтопригодности и сохраняемости или в сочетании этих свойств.

Правильность начисления платы за услугу  свойство служб сети правильно начислять плату за услугу в соответствии с установленным и известным абоненту тарифом.

Секретность предоставления услуги  свойство сети (или службы) сохранять тайну содержания разговора или данных пользователя.

Пользователь телекоммуникационной сети обычно не интересуется структурой сети и тем, как предоставляется нужная ему услуга. В то же время он интуитивно оценивает качество данной услуги, сравнивая его с качеством подобных услуг. Качество услуги (обслуживания) [Quality of Service  QoS]  определено в Рекомендации ITU-T E.800 [9] как “Суммарный эффект характеристик обслуживания, определяющий степень удовлетворения пользователя обслуживанием”. Это определение качества обслуживания является общим. В нем отражено также субъективное восприятие абонента. Показатели качества услуги могут быть непосредственно измерены в точке доступа к услуге. Качество услуги зависит от характеристик работы сети связи (ХС) [Network Performance, NP].

Качество услуги с точки зрения пользователя может быть выражено совокупностью показателей. Эти показатели описываются в терминах, понятных как пользователю, так и службе, и не зависят от структуры сети. Показатели качества услуги ориентированы по преимуществу на эффект, воспринимаемый пользователем, должны быть гарантированы пользователю службой и поддаваться объективному измерению в точке доступа к услуге (Рекомендация ITU-T I.350).

В Рекомендации ITU-T Е.862 приведены возможные подходы к учету экономических потерь оператора (при планировании, проектировании, эксплуатации и ТО сетей электросвязи) и пользователя, связанных с отказами технических средств. Операторы сетей, работая в условиях рынка, заинтересованы в оценке возможных потерь из-за отказов и в сопоставлении их с затратами на повышение надежности своих средств.

В Рекомендации ITU-T I.350 определены три функции, реализуемые сетью и ее службами, и три параметра каждой из функций. Каждая из функций сети может быть описана тремя параметрами. Так получено девять родовых первичных параметров, которые могут быть использованы для определения специфических параметров КО и ХС (рисунок 6.1):

быстрота получения доступа;

безошибочность доступа;

надежность доступа (вероятность отказа в доступе к ресурсу);

быстрота переноса информации;

безошибочность переноса информации;

надежность переноса информации;

быстрота освобождения;

безошибочность освобождения;

надежность освобождения.

Под доступом понимают возможность в получении ресурсов сети или службы. Процедура доступа начинается в момент появления запроса от пользователя в интерфейсе “пользовательсеть” и заканчивается при появлении хотя бы одного бита информации от его терминала.

Процедура переноса информации пользователя начинается в момент завершения доступа и заканчивается в момент передачи сообщения “запрос освобождения”, знаменующего окончание сеанса связи.

Процедура освобождения начинается в момент передачи сообщения “запрос освобождения” и завершается для каждого пользователя после освобождения сетевых ресурсов, выделявшихся во время сеанса связи.  

Освобождение включает в себя как действия, связанные с разрушением ранее существовавшего физического или виртуального соединения, так и с завершением выполнения протокола верхнего уровня OSI. Качество обслуживания и ХС при реализации функций сети или службы описывается тремя параметрами: быстрота, безошибочность, надежность.

Быстрота характеризует промежуток времени, необходимый для выполнения функции, или скорость выполнения.

Безошибочность характеризует степень правильности выполнения функции.

Надежность определяет степень уверенности в выполнении функции в течение заданного периода наблюдения (вне зависимости от быстроты и безошибочности выполнения).

В мультисервисной сети могут использоваться технологии IP/MPLS, IP/DWDM, IP/ATM, IP/Ethernet и др. Качество услуг, предоставляемых с помощью IP, может характеризоваться атрибутами: задержка, джиттер, потеря пакетов.  В рекомендации ITU-T Y.1241 приведены примеры атрибутов, характеризующих качество услуг, предоставляемых с помощью IP (таблица 6.2).

В случае организации речевого обмена через сети с технологией IP необходимо учитывать характеристики следующих элементов:

  •  речевого IP-терминала;
  •  сети доступа IP;
  •  магистральной сети IP;
  •  шлюза – элемента, обеспечивающего выполнение функций взаимодействия сетей;
  •  транзитной коммутируемой сети (Switched Communication Net work, SCN);
  •  телефонного терминала.

Существует ряд факторов, определяющих качество передачи речевой информации в пакетном режиме. Качество речевого обмена в пакетном режиме определяется подготовки сеанса связи и качеством доставки информации.

Качество подготовки сеанса связи характеризуется следующими показателями:

  •  задержка в сети доступа IP, включающая времена инициализации транспортного уровня, конфигурирования и настройки модема, входа в сеть через шлюз IP;
  •  задержка обмена сигнальными сообщениями в магистральной сети IP;
  •  задержка подготовки сеанса в элементах управления шлюзами;
  •  задержка доступа и обработки внутренних прикладных услуг, таких как услуга каталога (directory-service) и проверка прав доступа;
  •  задержка подготовки сеанса в шлюзах;
  •  время подготовки сеанса в транзитных коммутируемых сетях.

Качество услуг IP-телефонии определяется показателями:

  •  IP-терминалов;
  •  IP-сетей;
  •  межсетевых узлов (шлюзов);
  •  коммутируемых сетей;
  •  голосовых терминалов.

Показателями качества доставки информации являются сквозные (воспринимаемыми пользователем) задержки и качество воспринимаемой речи. Задержки в соответствии с рекомендацией ITU-T G.114 и стандартами ETSI ETR 250 и ETR 275 разделены на 4 класса:

  •  малые (10…15 мс), не раздражающие пользователей и не требующие в связи с этим подавления акустического и электрического эхосигнала;
  •  небольшие (до 150 мс), требующие подавления эхо, но не влияющие критически на взаимодействие пользователей;
  •  допустимые (от 200 до 400 мс), при которых качество взаимодействия хотя и ухудшается, но может быть приемлемым;
  •  недопустимые (более 400 мс), при которых интерактивное голосовое взаимодействие затруднено и необходимо введение некоторых правил разговора (например, как в портативных дуплексных радиостанциях – walkie-talkie).

Обычно в сетях с коммутацией пакетов наиболее нестабильны задержки доставки информации, что характеризуется показателем джиттер задержки. Наибольшее влияние на джиттер задержки оказывают:

  •  нестабильность характеристик терминального оборудования – кодека или буферизации;
  •  нестабильность характеристик сетей, например, задержки распространения.

Общим для задержек первого типа (задержка в кодеках и при внутренней буферизации на звуковых и телефонных картах) является то, что они определяются размером кадра и поэтому могут быть достаточно точно определены.

Сквозные сетевые задержки влияют на время прохождения пакета от источника до получателя и включают:

  •  задержки передачи пакета IP через линию связи;
  •  задержки распространения сигнала;
  •  задержки в узлах обработки пакетов (маршрутизации и ожидания в очередях);
  •  протокольные задержки, которые связаны с повторной передачей пакета IP в доступе или в магистральной сети;
  •  задержки в шлюзах, обусловленные быстродействием межсетевых интерфейсов.

Таблица 6.2. Примеры атрибутов, характеризующих качество услуг, предоставляемых с помощью IP

Услуги

Вид услуги

Атрибуты качества

Речевые услуги

- Интернет-телефония

- Видеоконференция

- Видеотелефония

- Интерактивные игры

задержка,  

джиттер пакетов,

потери пакетов

- Покупки в Internet

Потери пакетов

Услуги передачи сообщений

- Голосовая почта

- Интернет-факс

- Видео почта

- Групповая почта

Нет

Услуги доставки данных

- Просмотр Web

- Доставка новостей

- Загрузка файлов

Нет

- Видео-по-запросу

Потери и джиттер пакетов

Услуги трансляции без индивидуального контроля содержания

- Электронная корреспонденция

- Реклама в Internet

Нет

- Трансляция в реальном масштабе времени

Потери пакетов

Услуги трансляции с индивидуальным контролем содержания

- “Новости-по-запросу”

- “Видео-по-запросу”

Потери и джиттер пакетов

На качество услуги в IP-терминалах влияет множество факторов:

  •  тип выбранного кодека;
  •  реакция кодека на снижение качества в сети доставки информации;
  •  характеристики акустического интерфейса;
  •  задержки обработки сигналов;
  •  задержки обработки вызовов;
  •  число речевых кадров, переносимых одним пакетом;
  •  задержки обработки, связанные с обеспечением безопасности;
  •  реализация буферов, используемых для минимизации дрожания фазы;
  •  задержки на пути цифровой или аналоговой среды распространения;
  •  показатели работы акустических устройств подавления эхо-сигнала.

На качество услуг IP-телефонии влияют следующие показатели качества доставки информации в магистральной IP-сети:

  •  задержка маршрутизации;
  •  потери пакетов при перегрузке;
  •  джиттер задержки.

Качество услуг IP-телефонии может быть соотнесено с одним из четырех классов (таблица 6.3):

  •  отличное (Excellent), когда полученное качество сравнимо с качеством услуги PSTN;
  •  хорошее (Good), к которому относится услуга с потенциальной возможностью предоставления качества, сравнимого с качеством услуги PSTN, но при наличии задержек может достигаться путем оптимизации использования полосы пропускания;
  •  среднее (Fain), сравнимое с качеством услуг беспроводной связи, например, в сетях подвижной связи стандарта GSM, и может быть реализовано в IP-сетях, не подверженных перегрузкам;
  •  недостаточное (Poor), при котором обеспечивается «приемлемое» взаимодействие пользователей, но со значительно ухудшенным качеством речи при отсутствии верхней границы на сквозные задержки.

Таблица 6.3. Показатели качества доставки пакетов с речевой
информацией службой с коммутацией пакетов

Показатель

Уровни качества услуги

Отличный (Excellent)

Хороший (Good)

Средний (Fain)

Недостаточный (Poor)

Время установления соединения, с

0-1

1-3

3-5

Более 5

Время доставки пакета, мс

0-150

150-250

250-400

Более 400

При разделении качества услуг IP-телефонии на классы учитывается пять показателей (табл. 6.4):

  •  сквозное качество голоса в одном направлении;
  •  сквозная задержка;
  •  время установления соединения;
  •  коэффициент потерь пакетов IP;
  •  джиттер (jitter) задержки.

Таблица 6.4. Классы качества услуг IP-телефонии

Класс качеств услуги передачи речи

Excellent

Good

Fain

Poor

Качество голоса в одном направлении

Не хуже, чем по G.711

Не хуже, чем по G.726 для V = 32 Кбит/с

Не хуже, чем

GSM-FR

Сквозная задержка

< 150 мс

<  250 мс

< 400 мс

> 400 мс

Время установления соединения

При прямой IP-адресации

< 1.5 сек

< 4 сек

< 7 сек

Перевод номера абонента с форматом, соответствующим Е.164, в IP-адрес

< 2 с

< 5 с

< 10 с

Перевод номера абонента с форматом, соответствующим Е.164, в IP-адрес через расчетную организацию

< 3 с

< 6 с

< 15 с

Перевод имени e-mail в IP-адрес

< 4 с

< 13 с

< 25 с

Коэффициент потерь пакетов IP

0%

3%

15%

25%

Пиковое дрожание фазы (джиттер)

0 мс

75 мс

125 мс

225 мс

6.3 Соглашение об уровне качества услуги 

Операторы связи нуждаются в универсальном способе договоренности с пользователем о качестве предоставляемых услуг – методе, который бы представил для оператора качество услуг с точки зрения пользователя. Таким методом стало "соглашение об уровне обслуживания" (Service Level Agreement, SLA).

Чтобы обеспечить определенный уровень качества услуги доставки информации, необходимо решить две задачи:

- контроля производительности сети;

- выполнения специальных процедур для поддержания требуемого уровня качества услуги.

Система управления должна использовать набор показателей для контроля производительности мультисервисной сети и ее объектов (коммутаторов, маршрутизаторов, шлюзов, серверов приложений и др.).

Показатели, используемые для описания качества услуги:

  •  задержка установления соединения (establishment delay);
  •  задержка доставки данных «из конца в конец» (end-to-end delay);
  •  джиттер (jitter);
  •  задержка разъединения соединения (release delay);
  •  пиковая скорость передачи пакетов (Peak-rate throughput) - максимальное число пакетов, которое приложение может передавать в единицу времени;
  •  средняя скорость пакетов в единицу времени (Statistical throughput);
  •  коэффициент потерь (Loss ratio) - отношение числа потерянных пакетов к количеству переданных;
  •  приоритет - определяет очередность обслуживания запросов;
  •  стоимость - определяет максимальную допустимую стоимость сетевого соединения.

Для полноценного использования этих показателей, необходимо определить ряд операций, позволяющих поддерживать качество услуги на уровне, удовлетворяющем пользователя.

К таким операциям относятся:

  •  спецификация качества услуги (QoS Specification);
  •  отображение качества услуги (QoS Mapping);
  •  установление соглашения о качестве услуги (QoS Negotiation);
  •  резервирование ресурсов (Resource Allocation);
  •  контроль доступа (Admission Control);
  •  техническое обслуживание (maintenance);
  •  мониторинг (monitoring);
  •  повторное установление соглашения (QoS Renegotiation).

Спецификация качества услуги (QoS Specification)  определяет требуемые уровни качества, которые интерпретируются системой. На каждом уровне OSI (1-ом, 2-ом, …, 7-ом), участвующем в предоставления услуги, используется своя спецификация качества. Значения уровня качества могут устанавливаться в виде порогов или интервалов. Спецификации качества могут определить действия, которые необходимо выполнить при нарушении (ухудшении) заданного уровня качества услуги.

Отображение QoS (QoS Mapping) — выполняет функции автоматического преобразования уровней качества услуги на разных уровнях, что освобождает пользователя от необходимости оценивать уровень качества услуги в терминах, используемых на нижних уровнях OSI.

Установление соглашения о качестве услуги (QoS Negotiation) — определение совокупности параметров, обеспечивающих требуемый для данного сеанса уровень качества услуги, и выяснение компонентов системы, способных его обеспечить. Например, на сетевом уровне выбирается маршрут, в котором все входящие в него узлы смогут обеспечить выбранные параметры качества услуги.

Резервирование ресурсов (Resource Allocation) — гарантия необходимого уровня качества услуги на протяжении всего сеанса, часто бывает необходимо назначать определенный набор ресурсов для использования в данном сеансе. К ним могут относиться:

  •  буферы;
  •  процессорное время;
  •  полоса пропускания и др.

Данная функция должна выполняться в тесном взаимодействии с функцией установления соединения.

Контроль доступа (Admission Control) — проверка того, что система в состоянии обеспечить желаемый уровень качества услуги, не нарушив работу уже выполняющихся приложений.

Техобслуживание (QoS maintenance) —  поддержание оговоренного уровня качества не всегда требует статического выделения ресурсов во время установления соглашения об уровне качества. Часто вместо этого необходимо использовать динамическое перераспределение ресурсов системы, чтобы гарантировать, что загрузка отдельных компонентов системы не будет превышена.

Мониторинг (QoS monitoring) — позволяет определить ухудшение параметров качества услуги в течение сеанса связи, что дает пользователю возможность своевременно предпринять необходимые действия. Например, принять предлагаемый провайдером новый уровень качества услуги, отказаться от продолжения сеанса, попытаться произвести процедуру повторного установления соглашения о качестве услуги.

Повторное установление соглашения (QoS Renegotiation) — процедура установления соглашения для тех компонентов системы, которые уже участвуют в сеансе связи. Необходимость ее проведения может быть обусловлена как понижением уровня качества, так и желанием оператора зарезервировать общие системные ресурсы за счет низкоприоритетных сеансов. Помимо этого, пользователь может захотеть использовать в разное время одни и те же ресурсы для различных целей и воспользоваться при этом повторным установлением соглашения с целью экономии средств.

Значение SLA на современном телекоммуникационном рынке

В процессе выбора поставщика услуг пользователя интересует три вопроса:

  •  доступность;
  •  производительность;
  •   качество функционирования приложения, обеспечивающего услугу.

Пользователь ожидает, что оператор (провайдер) обеспечит не только бесперебойное предоставление услуг, но и быстрое внедрение новых услуг. При этом подразумевается, что услуга будет предоставляться с надлежащей скоростью и бесперебойно.

Чтобы обеспечить выполнение этих требований, операторы связи могут использовать SLA, с помощью которого можно реализовать инструменты для идентификации, наблюдения и управления услугами.

SLA может изменяться от одного провайдера к другому и обычно касается доступности сети (услуг) и надежности передачи данных. Нарушения SLA провайдером услуг может компенсироваться пользователю при тарификации в последующий период пользования услугой.

Поскольку предоставление высококачественных услуг может стать для оператора решающим фактором для привлечения и удержания «выгодных пользователей», то в условиях конкурентного рынка SLA является важным инструментом при предоставлении пользователю услуг с желаемым качеством.

Типовые примеры использования SLA

SLA между провайдерами услуг 

Подобное соглашение обычно подразумевает, что первый провайдер обязуется передавать определенный объем данных через сеть второго провайдера. В ответ второй провайдер обязуется обеспечить при передаче этого объема данных определенные показатели качества доставки.  Например: величина нагрузки ASR (Answer to Seize Ratio) > 78 % в час, если общий объем трафика в месяц составляет 1 млн. минут. При необходимости можно определить более подробные требования: по типу адресатов, по времени суток, по причинам разъединения и т. д.

SLA при аренде ресурсов транспортной сети 

Такой тип SLA может использоваться в случае, когда пользователь арендует у провайдера часть ресурсов транспортной сети. Обычно, в таком случае провайдер предоставляет гарантии доступности линий передачи.

Например: доступность среды передачи > 99,8 % в месяц. Доступность может вычисляться по показателям производительности: недоступные секунды - UAS (UnAvailable Seconds), секунда с критическим числом ошибок - SES (Severely Error Seconds) и т. д., а также на основании данных об авариях объектов транспортной сети.

SLA при использовании сети сигнализации другого оператора 

SLA регламентирует доступность используемой сети сигнализации. Например: доступность услуг сигнализации > 99,99 % и/или задается минимальное и максимальное число успешно переданных сообщений.

SLA для пользователей 

Провайдеры могут предлагать SLA, базируясь на параметрах обслуживания определенного пользователя. Например: процент неуспешных вызовов < 0,5 % в месяц и процент блокированных вызовов в определенном направлении < 2 % в месяц.

Лучший источник информации для этого — сбор и обработка данных о вызовах (CDRbi), связанных с конкретным пользователем.

6.4 Требования, предъявляемые к средствам доставки информации в NGN

Мультисервисная сеть обслуживает трафик всех видов служб. Предъявлять одинаковые требования к показателям качества доставки информации для всех видов служб не представляется разумным по техническим и экономическим соображениям [2, 4, 5]. Поэтому в рекомендации ITU-T Y.1541 [3] выделено шесть классов, различающихся величинами показателей качества доставки. В таблице 6.5 приведены значения показателей качества доставки информации для всех шести классов. Эти значения определяются для таких показателей: IPTD – задержка переноса IP пакетов, IPDV – вариация задержки IP пакетов, IPLR – доля потерянных IP пакетов, IREP – доля искаженных IP пакетов. Символ "U" (первая буква в слове "Unspecified") указывает на то, что показатель для данного класса обслуживания не нормируется.

Таблица 6.5. Показатели качества доставки информации в сети с пакетной коммутацией

Класс качества доставки

IPTD 1)

IPDV 2)

IPLR

IREP

0

(приоритет 1)

100 мс.

50 мс. 3)

10-3. 4)

10-4. 5)

1

(приоритет 1)

400 мс.

50 мс. 3)

10-3. 4)

2

(приоритет 2)

100 мс.

U

10-3.

3

(приоритет 2)

400 мс.

U

10-3.

4

(приоритет 3)

1 с.

U

10-3.

5

(приоритет 3)

U

U

U

U

Примечания:

1) При большом времени распространения сигналов могут возникать сложности с соблюдением норм на среднее значение времени задержки IP пакетов для классов "0" и "2". Величины IPTD определены для максимальной длины информационного поля пакета 1500 байтов.

2) Величина IPDV определяется разницей между верхней границей, в качестве которой рекомендуется 99,9% квантиль (долей), и нижней границей задержки, измеренной в течение интервала оценки. В качестве длительности этого интервала предлагается выбирать одну минуту. Все эти соображения ITU-T считает предварительными и требующими дополнительного изучения.

3) Эта величина зависит от пропускной способности тракта обмена пакетами. Приемлемая величина вариации достигается в трактах с пропускной способностью 2048 Кбит/с и более, а также при длинах информационного поля пакетов менее 1500 октетов.

4) Требования для классов "0" и "1" отчасти основано на исследованиях, показывающих, что высококачественные голосовые приложения (и соответствующие кодеки) весьма эффективны при значениях IPLR менее 10-3.

5) Эта величина гарантирует, что потери пакетов будут компенсированы вышестоящими уровнями и допустимы при использовании связки технологий IP/ATM.

Класс обслуживания "0" предназначен для обмена информацией в реальном времени (в частности, для речи с использованием IP технологии). Он предусматривает создание отдельной очереди с приоритетной обработкой пакетов. Для класса обслуживания "0" характерны ограничения на принципы маршрутизации (максимальное число транзитов) и допустимое расстояние между взаимодействующими терминалами (время распространения сигналов).

Интерактивность (вероятность использования диалогового режима) для класса "0" определяется как "высокая" – high. Класс обслуживания "0" может использоваться, например, для телефонной связи высокого качества (perfectly). Естественно, что тарифы за подобные услуги будут максимальными.

Класс обслуживания "1" также предназначен для обмена информацией в реальном времени, но с менее жесткими требованиями. Поэтому накладываются менее существенные ограничения на принципы маршрутизации и время распространения сигналов, чем для класса "0". Также предусматривается создание отдельной очереди с приоритетной обработкой пакетов. Класс обслуживания "1" обеспечивает хорошее (good) качество телефонной связи.

Класс обслуживания "2" ориентирован на обмен данными с высокой степенью интерактивности. К этому классу относится, в частности, сигнальная информация. Для класса обслуживания "2" характерны такие же ограничения на принципы маршрутизации и время распространения сигналов, как для класса "0". Для пакетов этого класса формируется своя очередь на обработку, которая осуществляется со вторым приоритетом. Это означает, что пакеты классов "0" и "1" имеют преимущество по обслуживанию, по сравнению с пакетами других классов.

Классу обслуживания "3", предназначенному для обмена с менее высоким уровнем интерактивности, присущи те же ограничения на принципы маршрутизации и время распространения сигналов, что и классу "1". Обслуживание пакетов этого класса должно осуществляться со вторым приоритетом. Этот класс считается приемлемым для интерактивного обмена данными.

Класс обслуживания "4" предназначен для обмена различной информацией с низкой вероятностью потери (короткие транзакции, потоковое видео и прочие). Допускаются длинные очереди пакетов на обработку, которая осуществляется со вторым приоритетом. Никакие ограничения на маршрутизацию и время доставки сообщений не накладываются.

Класс обслуживания "5" ориентирован на те IP приложения, которые не требуют высоких показателей качества доставки информации. Соответствующие пакеты формируют отдельную очередь; обслуживание осуществляется с самым низким приоритетом (в данном случае он имеет третий номер). Никакие ограничения на маршрутизацию и время доставки сообщений не накладываются. Типичным примером услуг, поддерживаемых с классом обслуживания "5", можно считать "электронную почту".

6.5 Механизмы обеспечения качества обслуживания пользователей

В тех случаях, когда при доставке информации необходимо переходить от одной технологии коммутации к другой, например, от КК к КП,  в IP сети необходимо устанавливать буфер, который сглаживает джиттер (вариацию) задержки пакетов. Обычно в этом буфере пакеты испытывают задержку в 10 – 20 мс. Следовательно, при четырех переходах с одной технологии на другую (NG = 4) норма на среднюю задержку IPTD (первая строка в таблице 6.5) сокращается со 100 мс до 20 – 60 мс. Это означает, что системные принципы модернизации ССОП играют важную роль с точки зрения эффективного применения IP технологий.

Важный аспект рассматриваемой проблемы – взаимодействие с сетями мобильной связи. Широко распространенный в России стандарт GSM предусматривает низкоскоростное кодирование. Это приводит к росту задержки при обмене информацией и к некоторому ухудшению качества передачи голоса.

Очевидно, что нормирование показателей качества функционирования IP-сетей целесообразно осуществлять с учетом интересов всех Операторов. В любом случае каждый Оператор должен разработать свои предложения, касающиеся модернизации своей инфокоммуникационной сети. 

На рисунке 6.2 приведена классификация услуг мультисервисных сетей. В некоторых технологиях доставки информации, например, Frame Relay, используется режим с установлением соединения (Connection-oriented, СО), а все ЛВС работают в режиме без установления соединения (Connectionless, CL). Служба ATM работает в обоих режимах, что позволяет ей более просто обеспечивать взаимосвязь ЛВС.

Услуги переноса предоставляются многопротокольной транспортной сетью и заключаются в прозрачной передаче информации пользователя между сетевыми окончаниями (Network Terminal, NT) без какого-либо анализа или обработки её содержания.

Услуга переноса, ориентированная на соединение, предназначена для передачи информации с помощью протоколов, требующих предварительного установления соединения (ATM, Frame Relay, X.25 и т.д.), или для передачи информации в режиме эмуляции синхронных цифровых каналов.

Услуга переноса, не ориентированная на соединение, предназначена для передачи информации с применением технологий, не требующих установления соединения, например, IP, Ethernet, Token Ring. Данная услуга предполагает реализацию в транспортной сети функций сервера CLS (Connectionless Server), основная задача которого заключается в обработке адресов получателей (включая групповые адреса) и управлении доставкой информации пользователя через многопротокольную транспортную сеть.

                                                                                                                                       

Применение услуг переноса для сетей с технологией ATM определено в [1]. К основным особенностям, отличающим инфокоммуникационные услуги от услуг электросвязи, относятся:

  •  в комплекс включают услуги всех уровней модели взаимосвязи открытых систем (ВОС), в то время как услуги электросвязи предоставляются на третьем (сетевом) уровне;
  •  большинство инфокоммуникационных услуг функционирует по принципу «клиент-сервер», клиентская часть реализуется в оборудовании пользователя, а серверная – в специальном сетевом узле, называемым узлом служб (Service Node, SN);
  •  инфокоммуникационные услуги предполагают передачу мультимедиа информации, при этом, приложения, создающие нагрузку,  предъявляют высокие требования к скорости передачи и характеризуются несимметричностью объемов входящего и исходящего информационных потоков;
  •  инфокоммуникационные услуги предполагают преобразование информации из одного вида в другой, например, факс-текст, голос-текст и т.п.;
  •  для эффективного предоставления инфокоммуникационных услуг могут требоваться сложные многоточечные конфигурации соединений;
  •  для инфокоммуникационных услуг характерно широкое разнообразие прикладных протоколов и возможности по управлению услугами со стороны пользователя;
  •  при предоставлении инфокоммуникационных услуг требуется преобразование логического номера, присваиваемого абоненту мультисервисной сети, в физический номер для маршрутизации вызова по многопротокольной транспортной сети;
  •  при предоставлении доступа к инфокоммуникационным услугам должна осуществляться аутентификация пользователя.

Важным для инфокоммуникационных услуг является понятие «приложение». Приложение определяется как услуга, функциональность которой распределена между оборудованием поставщика услуги и оконечным оборудованием пользователя. Как следствие - оконечное оборудование участвует в предоставлении инфокоммуникационной услуги.

Инфокоммуникационные услуги, функционирующие по принципу «клиент-сервер», относятся к категории приложений.

К инфокоммуникационным услугам, прежде всего, следует отнести услуги мультимедиа.

В соответствии с Рекомендациями ITU-T, классификация услуг мультимедиа такова:

  •  мультимедиа конференции (Multimedia Conference services);
  •  сбора и накопления информации мультимедиа (Multimedia collection services);
  •  диалоговые (Conversational services);
  •  передачи сообщений (Message services);
  •  услуги с выборкой информации (Retrieval services);
  •  услуги с распределением (Distribution services) с индивидуальным управлением предоставлением информации со стороны пользователя и без такого управления.

На начальном этапе создания и эксплуатации мультисервисной сети основной услугой, предоставляемой пользователям, будет широкополосный доступ к Internet и связанные с ним услуги Web и FTP хостинга. Вместе с тем, по мере развития мультисервисной сети, получат распространение и другие услуги, такие как организация виртуальных частных сетей (VPN), IP-телефония, электронная коммерция, услуги службы универсальных сообщений (Unified messaging), дополнительные телефонные линии поверх ADSL, видео/аудио по запросу, интерактивные игры, видеоконференцсвязь, телемедицина, телеобучение.

Все большую часть потоков в мультисервисных сетях составляют потоки информации, чувствительной к задержкам. Максимальная задержка не должна превышать нескольких десятых долей секунды (таблица 6.5), причем сюда входит и время обработки информации на конечной станции. Вариацию задержки также необходимо свести к минимуму. Кроме того, необходимо учитывать, что при сжатии (компрессии) информации, обмен которой должен происходить в реальном времени, она становится более чувствительной к ошибкам, возникающим при передаче, и их нельзя исправлять путем переспроса именно из-за необходимости передачи в реальном времени.

Телефонный разговор – это интерактивный процесс, не допускающий больших задержек. В соответствии с рекомендацией ITU-T G.114, для большинства абонентов задержка речевого сигнала на 150 мс приемлема, а задержка на 400 мс - недопустима.

Общая задержка речевой информации делится на две основные части - задержка при кодировании и декодировании речи в шлюзах или терминальном оборудовании пользователей и задержка, вносимая самой сетью. Уменьшить общую задержку можно двумя путями:

  •  создавать инфраструктуру сети таким образом, чтобы задержка доставки была минимальной;
  •  уменьшать время обработки речевой информации в шлюзе.

Для уменьшения задержки в сети нужно сокращать количество транзитных маршрутизаторов и соединять их между собой высокоскоростными каналами. А для сглаживания вариации задержки можно использовать такие эффективные методы как, например, механизмы резервирования сетевых ресурсов.

В сети могут возникать локальные и глобальные перегрузки. Перегрузки приводят к понижению качества предоставляемых услуг.

Причины перегрузки многообразны. Они могут быть связаны:

  •  с отказами элементов сети (линий, ЦСП, узлов);
  •  с непредусмотренным ростом интенсивности поступающих в сеть пользовательских требований;
  •  с недостатками проекта сети;
  •  с неквалифицированным вмешательством технического персонала.

Концепция системы управления сетью может быть ориентирована на одну из стратегий:

  •  статическое управление ресурсами;
  •  динамическое управление ресурсами.

Стратегия статического управления сетью не может быть использована в цифровой сети, в которой интегрировано множество служб.

Динамическое управление сетью предполагает доступность данных об адресах объектов с отказами и перегрузками, о характеристиках сети в любой момент времени:

  •  о среднем времени задержки пакетов в потоке;
  •  о джиттере;
  •  о вероятности потери пакетов при различных значениях приоритета перегрузки.

Контроль характеристик информационных потоков позволяет эффективно противостоять перегрузкам и повышать долю обслуженного трафика в поступающем трафике пользователей.

Достоинства динамического управления сетью общеизвестны:

  •  высокая эффективность использования сетевых ресурсов;
  •  высокая скорость локализации отказов и перегрузок и эффективное использование этих данных для нормализации работы сети;
  •  высокая устойчивость работы сети в нестандартных условиях благодаря оперативному использованию резерва пропускной способности трактов и производительности узлов;
  •  гарантии передачи потока пользователя с требуемой скоростью и качеством.

6.6 Защита от перегрузок 

Управление трафиком подразумевает целенаправленное распределение ресурсов сети для удовлетворения требований пользователей. Сеть располагает следующими ресурсами:

  •   производительность узлов;
  •   полоса пропускания цифровых трактов;
  •   объем буферных накопителей, предназначенных для хранения пакетов в процессе обработки их заголовков в узле сети.

В процессе управления трафиком решаются следующие задачи:

1) принятие мер для ликвидации перегрузки в узлах;

2) управление входящими потоками (для предупреждения перегрузки и предотвращения распространения перегрузки, возникшей в данном узле, на другие объекты сети);

3) маршрутизация (для выбора оптимальных путей передачи потоков);

4) предоставление пользователям необходимых ресурсов с учетом требуемого качества услуг.

При перегрузках имеет место такое явление, когда исполненная нагрузка резко снижается. Наступает так называемая деградация сети, вызванная резким увеличением задержки, джиттера и потери пакетов.

В моменты сильной перегрузки происходит снижение исполненной нагрузки из-за большой доли потерянных пакетов и необходимости повторных передач, что приводит к очень заметному увеличению трафика, возрастанию времени доставки и резкому снижению качества обслуживания.

При доставке речевой информации и видео повторная передача потерянных пакетов не производятся. Поэтому снижение исполненной нагрузки происходит несколько медленнее за счет, прежде всего, только потери пакетов, а также больших значений времени задержки и джиттера.

Можно по-разному классифицировать методы борьбы с перегрузками. Если в качестве признака классификации принять реакцию сети на перегрузку, то можно выделить три категории:

  •  менеджмент перегрузок; 
  •  предотвращение перегрузки; 
  •  восстановление работоспособности сети или ее элементов после перегрузки.  

Менеджмент перегрузок

Менеджмент перегрузки осуществляется в области, где перегрузки нет, с целью предотвращения перегрузки.

Основными мерами защиты от перегрузок в этом случае являются:

  •  распределение ресурсов;
  •  сброс пакетов при контроле параметров трафика пользователя;
  •   контроль доступа в сеть по пиковой скорости потока пакетов, гарантирующий отсутствие перегрузки полосы пропускания;
  •    совершенствование архитектуры сети.

Предотвращение перегрузок

Основными методами предотвращения перегрузок являются:

  •  так называемое явное прямое указание перегрузки (Explicit Forward Congestion Indication, EFCI);
  •  маркировка пакетов при контроле параметров пользователя;
  •  управление доступом к сети на основе доступной скорости по принципу "overbooking";
  •  блокировка заявок;
  •  контроль потока служб ПД без установления соединения на основе окна, скорости и кредита.  

Управление доступом к сети

Управление доступом к сети при предотвращении перегрузок осуществляется в соответствии с принципом "overbooking", который заключается в том, что допускается установление большего количества соединений, чем позволяет ресурс пропускной способности при управлении доступом по пиковой скорости. Когда большое количество соединений использует общий ресурс, то маловероятно, что все они будут работать на пиковой скорости.

Обычно используются три метода управления потоком [7]:

  •  на основе окна;
  •  на основе скорости;
  •  на основе кредита.

Применение метода контроля потока «на основе окна» позволяет ограничить объем потока данных (называемый окном), передаваемый источником, и осуществить регулировку размера окна с помощью обратной связи. Контроль потока на основе окна очень прост. Он был первым методом, использованным в сетях передачи данных. С некоторыми уточнениями метод используется в Internet.

При контроле потока «на основе скорости» вместо размера окна контролируется скорость передачи источника, выражаемая в количестве пакетов, передаваемых за период отклика. Первоначально скорость передачи равна нулю. С каждым периодом отклика коммутатор обеспечивает обратную связь с источником, увеличивая или уменьшая допустимую скорость источника.

При контроле потока «на основе скорости» обеспечивается более равномерная расстановка пакетов, а также более высокая пропускная способность, по сравнению с управлением на основе окна.

При управлении потоком «на основе кредита» источник может продолжать отправлять пакеты до тех пор, пока отсчет кредита превышает ноль. В каждый период отклика коммутатор посылает сообщения обратной связи, объявляя новое значение кредита каждому источнику. Кредит рассчитывается коммутатором как число оставшихся ячеек в буфере для каждого виртуального соединения.

Метод кредита приводит к очень прерывистой, но регулярной передаче ячеек, позволяет изолировать все виртуальные соединения друг от друга.

Восстановление сети после начавшихся перегрузок

Восстановление после начавшихся перегрузок это реакция на попадание сети в зону сильных перегрузок. Основными методами восстановления являются:

  •  селективный сброс пакетов при контроле параметров потока пользователя;
  •  динамическое управление параметрами потока пользователя;
  •  уменьшение интенсивности нагрузки под воздействием обратной связи;
  •  обратная связь при наличии потерь;
  •  разъединение (сброс) соединений;
  •  управляющие воздействия операторов.

Для фактического решения задач управления трафиком необходимо преодолеть пока еще существующее отставание производительности узлов сети от достигнутой скорости передачи по линиям.

Контрольные вопросы

  1.  Поясните содержание термина «Семантическая прозрачность сети».
  2.  Что понимают под «коэффициентом двоичных ошибок (Bit Error Rate, BER)»?
  3.  Поясните содержание термина «Временнáя прозрачность сети».
  4.  При каком значении задержки доставки IP-пакетов через сеть голосовое взаимодействие затруднено?
  5.  Проведите классификацию услуг мультисервисных сетей.
  6.  Каковы особенности, отличающие инфокоммуникационные услуги от услуг электросвязи?
  7.  Проведите классификацию услуг мультимедиа.
  8.  Из каких частей состоит общая задержка речевой информации, пересылаемой мультисервисной сетью?
  9.  Какие факторы влияют на качество предоставляемой услуги?
  10.  Дайте определение понятия качество услуги (обслуживания) (Quality of Service, QoS) в соответствии с Рекомендацией ITU-T E.800.
  11.  Зависят ли показатели качества услуги с точки зрения пользователя от структуры сети?
  12.  Каково различие между качеством обслуживания (КО) и характеристиками сети (ХС)?
  13.  Какие показатели используются для описания качества услуги?
  14.  Приведите перечень операций, позволяющих поддерживать качество услуги на уровне, удовлетворяющем пользователя.
  15.  Раскройте понятие "соглашение об уровне обслуживания" (Service Level Agreement, SLA).
  16.  Охарактеризуйте показатели качества доставки информации мультимедиа в IP-сети.
  17.  Каковы причины перегрузки мультисервисной сети?
  18.  Что понимают под стратегией динамического управления сетью?
  19.  Каковы достоинства динамического управления сетью?
  20.  Что понимают под «управлением (менеджментом) перегрузками»?
  21.  Охарактеризуйте методы управления потоком на основе окна, скорости, кредита.
  22.  Охарактеризуйте методы восстановления сети после начавшихся перегрузок.

Библиография

  1.  РД 45.123-99 «Порядок применения технологии асинхронного режима переноса на Взаимоувязанной сети связи России».
  2.  ITU-T Y.1401 (10/2000). Internet protocol aspects – Interworking. General requirements for interworking with Internet protocol (IP)-based networks.
  3.  Рекомендация МСЭ-Т Y.1541 ((02/2006). Требования к сетевым показателям качества для служб, основанных на протоколе IP.
  4.  Рекомендация МСЭ-Т Y.1541 ((06/2006). Требования к сетевым показателям качества для служб, основанных на протоколе IP. Изменение 1: Новое Дополнение Х – Пример, показывающий метод расчета IPDV на основе множества сегментов.
  5.  ITU-T Y.1542 (07/2006). Internet protocol aspects – Quality of service and network performance. Framework for achieving end-to-end IP performance objectives.
  6.  В.В. Величко, Е.А. Субботин, В.П. Шувалов, А.Ф. Ярославцев Телекоммуникационные системы и сети. Современные технологии, Том 3 Мультисервисные сети. М.: Горячая линия-Телеком. 2005. 592 с.
  7.  Столлингс В. Современные компьютерные сети. 2-е издание. – СПб: ПИТЕР. 2003. 783 с.
  8.  Vegesna S. Качество обслуживания в сетях IP. – М.: «Вильямс», 2003, 366 с.
  9.  ITU-T Rec. E.800 (08/94) Terms and definitions related to quality of service and network performance including dependability
  10.  Битнер В.И., Попов Г.Н. Нормирование качества телекоммуникационных услуг. М.: Горячая линия-Телеком. 2004. 306 с.

Глава 7 Выбор телекоммуникационной технологии для транспортной сети нового поколения (NGN)

7.1 Технология асинхронного метода переноса

Асинхронный метод переноса (Asynchronous Transfer Mode) – технология передачи и коммутации широкополосной цифровой сети с интеграцией служб (Broadband ISDN) [1]. Скорость обработки данных пользователя в коммутаторах ATM (узлах ядра сети) может составлять 10 Гбит/с. Сеть с технологией ATM предоставляет услуги передачи речи, подвижных изображений, данных с высокой гарантией качества, с ориентацией и без ориентации на соединения.

Соответствие между моделями протоколов B-ISDN и OSI обеспечивается на физическом и частично на звеньевом уровне (ATM и часть функций уровня адаптации ATM). На верхних уровнях модели могут использоваться другие технологии, например, TCP/IP.

Эталонная модель протоколов B-ISDN с технологией ATM приведена на рисунке 7.1.

Плоскость управления (C) имеет уровневую структуру и определяет протоколы сигнализации, установления, разъединения и контроля соединений.

Плоскость пользователя (U) имеет уровневую структуру и обеспечивает транспортировку пользовательской информации с защитой от ошибок, контролем и управлением потоком, ограничением нагрузки.

Плоскость административного управления (M) реализует выполнение двух видов функций: управления (менеджмента) плоскостями и управления уровнями. Функции управления плоскостями, не разделенные на уровни, состоят в координации взаимоотношений всех остальных объектов модели, то есть относятся ко всей B-ISDN.

Плоскость управления уровнями имеет уровневую структуру и ориентирована на решение задач управления сетью, распределения сетевых ресурсов (с оперативным согласованием их с параметрами трафика), обработки информации эксплуатации и технического обслуживания.

Физический уровень соответствует первому уровню модели ВОС и реализует согласование уровня ATM с физической средой. Уровень АТМ и часть уровня адаптации АТМ соответствуют уровню звена данных модели ВОС. Часть функций уровня адаптации ATM соответствуют сетевому (третьему) уровню модели ВОС.

Физический уровень разделен на два подуровня: зависящий от физической среды и конвергенции (сходство, приближение) с системой передачи. Подуровень, зависящий от физической среды, определяет скорость передачи потока битов через физическую среду, обеспечивает синхронизацию между сторонами передачи и приема, линейное кодирование. Если в качестве физической среды используется ВОЛС, то на этом подуровне обеспечивается электронно-оптическое и оптоэлектронное преобразование сигнала. Основное назначение подуровня конвергенции с системой передачи - определение порядка передачи ячеек ATM в битовом потоке.

Основным назначением уровня ATM является обеспечение независимости уровней выше физического от типа линии и вида передаваемой информации. Функции уровня ATM таковы:

  •  мультиплексирование и демультиплексирование ячеек ATM;
  •  преобразование идентификаторов виртуальных путей (ИВП) и виртуальных каналов (ИВК);
  •  генерация или удаление заголовков ячеек;
  •  общее управление потоком в интерфейсе "пользователь-сеть".

В таблице 7.1 приведены основные функции протоколов АТМ.

Таблица 7.1. Основные функции протоколов B-ISDN

Наименование уровня

Наименование подуровня

Основные функции

Адаптации ATM

Конвергенции

Конвергенция к службе

Сегментации и сборки

Сегментация и сборка

ATM

 

  •  Общее управление потоком;
  •  Генерация (при передаче), удаление заголовка ячейки ATM (при приеме);
  •  Преобразование идентификаторов виртуальных путей и виртуальных каналов;
  •  Мультиплексирование (при передаче), демультиплексирование (при приеме).

Физический

Конвергенции с системой передачи

  •  Согласование скорости ячеек ATM;
  •  Формирование поля контроля ошибок (при передаче), обнаружение и исправление ошибок (при приеме);
  •  Адаптация потока ячеек ATM к кадру системы передачи (при передаче), выделение ячеек из кадра (при приеме);
  •  Генерация кадра системы передачи и его восстановление на приеме.

Зависящий от физической среды

  •  Синхронизация;
  •  Передача двоичного сигнала в данной среде.

Мультиплексирование ячеек от разных источников в единый поток происходит на передающей стороне. На приемной стороне выполняется разделение единого потока ячеек АТМ на множество потоков в соответствие с их идентификаторами ИВП и ИВК.

Функции уровня адаптации АТМ определены в Рекомендации МСЭ-Т I.362 и состоят в предоставлении услуг более высоким уровням.

Подуровень сегментации и сборки на передающей стороне обеспечивает разделение (сегментацию) блоков данных более высокого уровня на сегменты, объем которых достаточен для размещения в информационном поле ячейки АТМ. На приемной стороне протокол этого уровня восстанавливает блоки данных из информационных полей ячеек уровня АТМ.

Функции подуровня конвергенции уровня адаптации АТМ существенно зависят от вида службы. Здесь учитываются требования служб 4-х классов. Этот подуровень предоставляет более высоким уровням услуги подуровня сегментации и сборки через точки доступа к услугам. Для каждой из существующих служб разработан свой протокол уровня адаптации АТМ, так как конкретная служба формирует информационные блоки данных своеобразной структуры и предъявляет специфические требования к их переносу через сеть АТМ.

На рисунке 7.2 показан формат информационной единицы переноса данных между коммутаторами сети – ячейка ATM (sell) длиной 53 октета (заголовок 5 октетов, нагрузочная часть 48 октетов).

Информационная единица коммутации, используемая в коммутаторе ATM – быстрый пакет (fast packet), состоящий из ячейки ATM и маршрутной метки (ММ), с помощью которой обеспечивается коммутация БП с входа на выход коммутационного поля (рисунок 7.3). Количество бит в маршрутной метке зависит от структуры коммутационного поля узла.

На рисунке 7.4 показано использование технологии ATM для доставки пакетов IP в транспортной сети.

Технология ATM располагает собственной двухуровневой системой меток. Метки называются идентификаторами виртуальных трактов (VPI) и идентификаторами виртуальных каналов (VCI). В каждом звене виртуального соединения, устанавливаемого в транспортной сети с технологией ATM, ячейкам ATM (ATM Cells), которые переносят содержимое пакета IP, придается уникальное значение VPI. Идентификаторы виртуальных каналов (VCI) заголовка ячейки ATM идентифицируют конкретный поток ячеек ATM пользователя и поэтому коммутаторами транспортной сети с технологией ATM не интерпретируются.

7.2 Технология многопротокольной коммутации с помощью меток (MPLS) 

Технология MPLS (Multiprotocol Label Switching) [2] использует коммутацию пакетов с помощью меток и применяется для доставки информации в транспортной сети NGN (рисунок 7.5).

В формате метки имеется 4 поля: время жизни пакета (Time to Live) 8 бит; индикатор стека меток (Stack Identifier, SI)  1 бит (SI=1 – последняя (нижняя) метка стека); признак приоритетности кадра  (Exp) 3 бита; собственно метка (Label) – 20 бит.

На рисунке 7.6 показаны граничные (Label Edge Router, LER) и транзитные маршрутизаторы (Label Switching Router, LSR) домéна MPLS, коммутирующие пакеты с помощью меток.

На рисунке 7.7 показан путь (Path), связывающий с помощью LSR два граничных маршрутизатора. В LSR пакеты коммутируются с помощью меток.

На рисунке 7.8 показан способ доставки данных двух классов (FEC - Forwarding Equivalence Class) в домéне MPLS.

Потоки пакетов IP пересылаются через Internet без гарантий качества доставки. Если информация пользователей чувствительна к задержке, потерям, джиттеру задержки, то для пакетов предварительно может быть создан путь в домéне MPLS, показатели качества доставки в котором гарантируются. Для каждого класса доставки (FEC) пакетов может быть создан отдельный путь.

На рисунке 7.8 показано два пути для помеченных пакетов классов A (стек меток L5, L7 домéна с технологией ATM) и B (стек меток L11, L33 домéна с технологией FR) с определенными гарантиями качества доставки информации.

На рисунке 7.9 показаны метки (L3, L5, L9, L20), уникальные в каждом звене, которые используются для коммутации пакетов в домéне MPLS.

Путь, созданный для доставки помеченных пакетов от входного граничного маршрутизатора LER A (слева на рисунке 7.9) до выходного маршрутизатора LER B, может состоять из нескольких звеньев. В каждом звене пути используется уникальная метка.

На рисунке 7.10 показан стек (Push) меток (L2/L1) и туннелирование потока пакетов через сеть 2.

Сеть 1 может принадлежать одному оператору, а сеть 2 - другому. Путь доставки помеченных пакетов может проходить через две сети и более. Для доставки пакетов между двумя граничными маршрутизаторами в сети 1 может использоваться нижняя метка L1, а при доставке тех же пакетов в транзитной сети 2 – верхняя метка стека L2. Таким образом, в сети 2 образуется туннель для помеченных пакетов с меткой L1.

На рисунке 7.11 показано создание пути, коммутируемого с помощью меток (Label Switched Path, LSP), и доставка пакетов IP через домéн MPLS.

Доставка пакетов IP по своей природе не требует установления соединения, так как маршрутизация каждого пакета осуществляется на основе информации, содержащейся в его заголовке.

Совокупности пакетов, поступающих на входной порт LER1, присваивается класс доставки (Forwarding Equivalence Class, FEC). Для доставки этой совокупности пакетов LER1 запрашивает метку у LER4. Протокол распределения меток (Label Distribution Protocol, LDP) подготавливает путь (Label Switched Path) от LER1 к LER4, распределяя метки вдоль пути, коммутируемого с помощью меток. После этого помеченные пакеты будут передаваться от источника (Source) к получателю (Destination) по виртуальному соединению “LER1 – LSR1 – LSR2 – LSR3 – LER4” домéна MPLS. Распределение меток обеспечивает наличие у смежных маршрутизаторов общего отображения привязки меток к FEC (классу доставки).

В технологии MPLS используется принцип разделения маршрутизации и доставки (пересылки). На рисунке 7.12 приведены протоколы маршрутизации прикладного уровня, которые используют план распределения информации (ПРИ) и топологию сети для формирования таблиц маршрутизации и коммутационных таблиц для коммутирующих маршрутизаторов LER и LSR.

Базовые компоненты MPLS разделены на следующие уровни:

  •  протокол маршрутизации сетевого уровня (network layer IP routing protocols);
    •  доставка данных вне сетевого уровня (edge of network layer forwarding);
      •  коммутация с использованием меток в ядре сети (core network label-based switching);
      •  детализация и схемотехника меток (label schematics and granularity);
      •  сигнальный протокол для распределения меток (signaling protocol for label distribution);
      •  управление трафиком (traffic engineering);
      •  совмещение вариантов доставки данных на 2-ом протокольном уровне [ATM, frame relay, PPP] - compatibility with various Layer-2 forwarding paradigms (ATM, frame relay, PPP).

На рисунке 7.13 приведен стек протоколов MPLS.

На прикладном уровне решаются задачи маршрутизации, распределения меток (LDP). Доставка сигнальных сообщений протокола LDP может быть поддержана протоколами TCP и UDP транспортного уровня Internet. Протоколы маршрутизации и распределения меток используют оперативную информацию библиотеки программ и данных (LIB). Протокол маршрутизатора IP с функциями MPLS использует таблицу коммутации (MPLS Fwd) для присвоения пакетам меток. Дополнительные данные для маршрутизации пакетов в домене MPLS, отсутствующие в заголовке пакетов IP и учитывающие требования протоколов верхних уровней, могут быть получены из библиотеки программ и данных.

Стек меток

Помеченные пакеты могут нести в себе несколько меток, уложенных в порядке “последним пришел - первым вышел”. Будем называть это стеком меток. Обработка всегда базируется на верхней метке, без учета того, что некоторое число других меток лежало поверх данной в прошлом, или того, что какое-то их число лежит под ней сейчас (рисунок 7.14). Если стек меток имеет глубину m, то считается, что метка на дне стека размещена на уровне 1, метка над ней (если таковая имеется) имеет уровень 2, а метка наверху стека имеет уровень m.

Запись “следующая пересылка с помощью метки” (Next Hop Label Forwarding, NHLFE) используется при переадресации помеченных пакетов. Здесь содержится следующая информация:

  •  следующий шаг пакета;
  •  операция, которая должна быть произведена над стеком меток.

Операции над стеком меток:

a) заместить метку наверху стека специфицированной новой меткой;

b) извлечь метку из стека;

c) заместить метку наверху стека специфицированной новой меткой и затем ввести в стек одну или более специфицированных меток.

Следующим шагом пакета в домене MPLS может стать текущий коммутирующий маршрутизатор (LSR). В этом случае LSR должен будет извлечь метку из стека и затем переадресовать полученный пакет самому себе. Затем он примет следующее решение переадресации, базирующееся на полученном состоянии стека меток. Это подразумевает, что в некоторых случаях LSR должен будет работать с IP-заголовком для того, чтобы переадресовать пакет.

Если следующим шагом пакета является текущий LSR, тогда операцией над стеком меток должно быть “выталкивание метки из стека” (popping, pop).

Установление соответствия для входных меток (Incoming Label Map, ILM)

Операция ILM устанавливает соответствие каждой входящей метки набору NHLFE. Эта операция используется в случае, когда подлежащие переадресации пакеты являются помеченными (снабженными стеком меток).

Если ILM связывает определенную метку с набором NHLFE, который содержит более одного элемента, только один элемент должен быть выбран из набора, прежде чем пакет будет переадресован

Установление соответствия между FEC и NHLFE (FTN)

Методика “FEC-to-NHLFE” (FTN) устанавливает соответствие между каждым классом доставки (Forwarding Equivalence Class, FEC) и набором NHLFE. Она используется при переадресации непомеченных пакетов, при необходимости их пометки до переадресации.

Замена меток

Замена меток (Label swapping) представляет собой использование следующих процедур для переадресации пакетов. Для того чтобы переадресовать помеченный пакет, LSR рассматривает метку наверху стека. Он использует ILM для установления соответствия этой метки набору NHLFE. Используя информацию из NHLFE, LSR определяет адрес для переадресации пакета и выполняет некоторую операцию над стеком меток, затем записывает новую метку в стек и переадресует пакет.

Для того чтобы переадресовать непомеченный пакет, LSR анализирует заголовок сетевого уровня для определения FEC пакета. Затем он использует FTN, для того чтобы установить соответствие с NHLFE. Используя информацию NHLFE, LSR определяет адрес порта и выполняет некоторую операцию над стеком меток пакета. Извлечение метки из стека в этом случае будет нелегальным. Важно отметить, что при использовании коммутации с помощью меток следующий шаг переадресации всегда берется из NHLFE (Next Hop Label Forwarding).

Протокол распределения меток LDP

Пользователями LDP являются LSR. Они обмениваются сообщениями LDP во время сеанса связи. В состав сообщений LDP входят:

  •  открытие / завершение сеанса связи;
  •  обнаружение, для извещения соседнего LSR (“Привет”);
  •  создание/удаление/изменение метки;
  •  уведомление об ошибках и советы.

Сообщения обнаружения (соседнего LSR) основаны на UDP. Все другие на TCP. Сообщения “Привет” посылаются на 646 порт UDP. Сообщения открытия сеанса связи посылаются на 646 порт TCP. В первой версии протокола LDP отсутствуют широковещание, доставка по нескольким путям и гарантии качества доставки.

Последовательность обмена сообщениями протокола LDP

На рисунке 7.15 приведен пример обмена сообщениями протокола LDP, переносимыми с помощью протоколов UDP и TCP.

Процесс присвоения пары “FEC-метка” потоку пакетов в каждом звене пути, коммутируемого с помощью меток, является весьма ответственным. Поручать пересылку этой информации протоколу UDP нельзя из-за возможности потери. Для пересылки сообщений “запрос метки”  и “присвоение метки” предварительно должен быть открыт сеанс связи с помощью протокола TCP. После установления виртуального соединения с помощью протокола TCP может состояться обмен сообщениями для присвоения метки с высокой вероятностью доставки информации.

 7.3 Поддержка качества услуг в сетях с пакетной коммутацией

Архитектурная модель для поддержки качества услуг доставки информации в сетях с пакетной коммутацией приведена на рисунке 7.16 [3, 4]. Главным в этой архитектурной модели является набор общих сетевых механизмов (или конструктивных блоков для поддержки качества доставки) управления ответом сети на запрос услуги, который может быть специфическим для сетевого элемента, для сигнализации между сетевыми элементами или для управления трафиком и его администрирования при прохождении через сеть.

Конструктивные блоки распределены по трем логическим плоскостям (управления, данных и административного управления) и могут быть использованы в разных комбинациях, образуя различные способы получения удовлетворительного суммарного эффекта от меняющихся показателей качества услуг, которые необходимы для ряда приложений, таких как передача файлов и видеоконференцсвязь. Как показано на рисунке 7.16, конструктивные блоки распределены по трем плоскостям:

  •  управления, которая содержит механизмы управления трактами, через которые проходят потоки данных пользователя. В состав этих механизмов входит управление допуском, маршрутизация для поддержки качества доставки и резервирование ресурсов;
  •  данных, которая содержит механизмы, работающие непосредственно с трафиком пользователя. В состав этих механизмов входит управление буферами, предотвращение перегрузки, маркировка пакетов, организация очередей и диспетчеризация, классификация трафика, правила обработки трафика и моделирование трафика;
  •  административного управления, которая содержит механизмы, относящиеся к эксплуатации и административному управлению сетью. В состав этих механизмов входят: соглашение об уровне обслуживания (SLA), восстановление трафика, измерение и регистрация, а также заданные правила доставки потоков данных.

                                    

Механизмы плоскости управления

Управление допуском

Этот механизм управляет допуском трафика к сети. Обычно критерии допуска вытекают из заданных правил доставки (IETF RFC 2753). Получение допуска к сети зависит от априорного соглашения об уровне обслуживания. Кроме того, принятие решения может зависеть от того, доступны ли достаточные ресурсы сети, так чтобы вновь допускаемый в сеть трафик не приводил к перегрузке сети и не снижал качества уже предоставляемых услуг.

Маршрутизация с поддержкой качества услуги

Маршрутизация с поддержкой качества услуги предусматривает средства определения только того пути, который, вероятно, может обеспечить запрашиваемое качество. Чтобы гарантировать качество при передаче по выбранному пути, необходимо, чтобы маршрутизация с поддержкой качества услуги использовалась в сочетании с резервированием ресурсов на всем протяжении пути доставки данных.

Наиболее вероятно, что выбранный путь – это не традиционный кратчайший путь. В зависимости от специфических факторов и числа используемых показателей качества услуги, вычисления, необходимые для выбора пути, могут оказаться недопустимо дорогими по мере увеличения размера сети. Следовательно, в практических планах маршрутизации с поддержкой качества услуги главным образом рассматриваются случаи с одним показателем качества услуги, например, с задержкой.

Резервирование ресурсов

Этот механизм игнорирует требования к необходимым сетевым ресурсам, содержащиеся в запросе, для получения желаемых показателей качества услуг.

Удовлетворение запроса резервирования в значительной степени зависит от управления допуском. Необходимым условием для удовлетворения запроса на резервирование является наличие достаточных ресурсов сети.

Функция резервирования ресурсов может быть реализована распределенным или централизованным способом. Главным вопросом является несоответствие между фактической и предсказываемой доступностью ресурсов, поэтому необходимо проявлять осторожность при использовании самой последней информации о доступности узла, тракта и прочих ресурсов для обращения с запросом ресурсов.

Механизмы плоскости данных

Управление очередью (буферами)

Система управления очередью или буферами принимает решение о сохранении и отбрасывании пакетов, ожидающих передачи. Важной целью управления очередью является минимизация длины очереди в установившемся режиме, когда канал не используется, и устраняется монопольное использование, где одно соединение или поток монополизирует пространство очереди (IETF RFC 2309). Схемы управления очередью различаются, главным образом, по критериям отбрасывания пакетов и по тому, какие пакеты отбрасываются. Общим критерием для отбрасывания пакетов является достижение очереди максимальной длины. Пакеты отбрасываются в том случае, когда очередь заполняется полностью. Могут быть использованы различные дисциплины отбрасывания пакетов.

Предотвращение перегрузки

Перегрузка в сети возникает в том случае, когда трафик близок или превосходит тот объем, который может быть обработан из-за нехватки ресурсов (пропускной способности канала и буферного пространства). Признаком перегрузки является, например, тот факт, что очереди в маршрутизаторе (или коммутаторе) заполнены, и начинается отбрасывание пакетов.

Отбрасывание пакетов вызывает повторную передачу, что приводит к возрастанию интенсивности трафика и увеличению перегрузки. В результате такой цепной реакции сеть может прекратить обслуживание трафика. Для предотвращения перегрузки необходимы надежные средства для удержания нагрузки сети в пределах ее пропускной способности, чтобы сеть могла работать на приемлемом уровне качества, не испытывая последствий перегрузки.

В типичной схеме предотвращения перегрузки используется снижение объема трафика отправителя (как и в классе ABR технологии ATM), поступающего в сеть, если применяется индикации наличия перегрузки в сети. Пока нет явной индикации, потеря пакетов или истечение тайм-аута в таймере обычно рассматриваются как неявная индикация сетевой перегрузки. Режим возврата трафика источника к прежнему уровню зависит от свойств транспортных протоколов. Например, протокол ТСР, использующий режим передачи "окнами", это выполняется путем мультипликативного уменьшения размера окна.

Для предотвращения вероятности чрезмерных задержек из-за повторных передач после потерь пакетов были разработаны схемы явного уведомления о перегрузках (Explicit Congestion Notification,  ECN). Схема ECN для протоколов IP и ТСР, в числе прочих схем управления активным буфером, описана в документе IETF RFC 3168. По этой схеме на начальную перегрузку сети указывает маркировка пакетов, а не их отбрасывание. При приеме пакета, испытывающего перегрузку, источник пакетов со схемой уведомления ECN реагирует таким же образом, как на отброшенный пакет.

Организация очередей и диспетчеризация

Система организации очередей обычно состоит из нескольких очередей и планировщика. Под управлением системой организации очередей понимают некоторую дисциплину организации очередей и диспетчеризацию. Принцип действия этого механизма заключается в управлении выбором пакетов для передачи по исходящему тракту.

Существует несколько дисциплин организации очередей:

  •  "первым вошел, первым вышел" (First-In, First-out, FIFO): пакеты помещаются в одну очередь и обслуживаются в том же порядке, в каком они поступают в очередь;