Модернизация сети передачи данных Витебской области

ВВЕДЕНИЕ

 

В настоящее  время построение мультисервисных сетей с интеграцией различных услуг является одним из наиболее перспективных направлений развития телекоммуникационных сетей. Основная задача мультисервисных сетей заключается в обеспечении сосуществования и взаимодействия разнородных коммуникационных подсистем в единой транспортной среде, когда для передачи обычного трафика (данных) и трафика реального времени (голоса и видео) используется единая инфраструктура.

Мультисервисные сети (МСС) – это сети связи, построенные в соответствии с концепцией сети связи следующего поколения (NGN) и обеспечивающие предоставление неограниченного набора услуг». Создание мультисервисных сетей связи должно основываться на максимально эффективном использовании уже построенной цифровой инфраструктуры [8].

Технологии  не стоят на месте, и требования пользователей  к услугам также возрастают. На сегодняшний день основное соперничество идет между технологиями Metro Ethernet и ADSL, которые позволяют компаниям-операторам, предоставляющим услугу широкополосного доступа, развертывать сети в масштабе города. Однако в последнее время технология ADSL не выдерживает конкуренции с MetroEthernet, несмотря на все свои достоинства. Пользователи, желающие обмениваться информацией между собой, неизбежно сталкиваются с проблемой низкой скорости из-за различия скоростей на прием и передачу данных. Также технология ADSL обеспечивает меньшую пропускную способность канала по сравнению с Metro Ethernet, что особенно заметно при передаче мультимедийного контента.

Кроме того, для пользования услугами на базе технологии ADSL необходимо приобрести дополнительное оборудование (модем). Современная технология Metro Ethernet используется операторами связи для построения NGN-сетей нового поколения. Она избавляет клиента от необходимости приобретения дополнительного оборудования для получения доступа в Интернет, практически снимает ограничение по скорости, позволяет провайдеру быстро внедрять новые приложения и дополнительные сервисы для абонентов.

Технология  Ethernet начала свою жизнь как общепринятый мировой стандарт в 80-х годах XX века. Максимальная скорость передачи данных на тот момент составляла 10 Мбит/с.

Главное достоинство Ethernet в том, что эта технология обеспечивает скорость передачи до 100 Мбит/с (Fast Ethernet) и даже 1000 Мбит/с (Gigabit Ethernet), причем как прямого, так и обратного канала от абонента, чего недостает технологии ADSL. В сетях, построенных на базе технологии Ethernet, легче обеспечить высокую скорость передачи информации и обмена контентом между абонентами сети. По сравнению с другими технологиями ШПД, Ethernet дает абоненту большую скорость, а значит, и большие возможности для работы. Полагаю, что срок активной жизни ADSL в Витебске – это ближайшие 2-3 года. Далее доля ADSL существенно уменьшится и Ethernet вырвется в безусловные лидеры как по набору востребованных услуг, так и по абонентской базе[1].

Таким образом, тема дипломной работы «Модернизация  сети передачи данных Витебской области» является актуальной как с точки зрения построения МСС  страны  с предоставлением широкого набора  услуг, так и с точки зрения экономической выгоды операторов связи.

 

 

 

 

 

1 ОБЗОР БАЗОВЫХ СОВРЕМЕННЫХ  ТЕХНОЛОГИЙ, ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ПРИ ПОСТРОЕНИИ  МСС

1.1 Концепция NGN

1.1.1 Основные характеристики сети NGN

 

Next Generation Network – концепция сети связи следующего поколения.

В основу концепции NGN положена идея о создании универсальной сети, которая бы позволяла переносить любые виды информации, такие как речь, видео, аудио, графику и т. д., а также обеспечивать возможность предоставления неограниченного спектра инфокоммуникационных услуг за счет унификации сетевых решений, предполагающая реализацию универсальной транспортной сети с распределенной коммутацией, вынесение функций предоставления услуг в оконечные сетевые узлы и интеграцию с традиционными сетями связи [3].

Базовым принципом концепции NGN является отделение друг от друга функций коммутации, функций управления вызовом и функций управления услугами.

 NGN должна объединить существующие сети связи (ТфОП, СПД, СПС), обладает следующими характеристиками

— сеть на базе коммутации пакетов, которая  имеет разделенные функции управления и переноса информации, где функции услуг и приложений отделены от функций сети;

— сеть компонентного построения с использованием открытых интерфейсов;

— сеть, поддерживающая широкий спектр услуг, включая услуги в реальном времени и услуги доставки информации (электронная почта), в том числе мультимедийные услуги;

— сеть, обладающая общей мобильностью, т.е. позволяющая отдельному абоненту пользоваться и управлять услугами независимо от технологии доступа и типа используемого терминала и предоставляющая абоненту возможность свободного выбора поставщика услуг.

Сети  электросвязи, построенные на основе концепции NGN, обладают следующими преимуществами перед традиционными сетями электросвязи.

— Для  оператора

а) построение одной универсальной сети для  оказания различных услуг;

б) повышение  среднего дохода с абонента за счет оказания дополнительных мультимедийных услуг;

в) оператор NGN может наиболее оптимально реализовывать полосу пропускания для интеграции различных видов трафика и оказания различных услуг;

г) NGN лучше приспособлена к модернизации и расширению;

д) NGN обладает легкостью в управлении и эксплуатации;

е) оператор NGN располагает возможностью быстрого внедрения новых услуг и приложений с различным требованием к объему передаваемой информации и качеству ее передачи.

— Для  пользователя

а) гибкое получение необходимого набора, объема и качества услуг;

б) мобильность получения услуг.

Таким образом, NGN будут поддерживать как уже существующее, так и новое оконечное оборудование, включая аналоговые телефонные аппараты, факсимильные аппараты, оборудование ЦСИС, сотовые телефоны различных стандартов, терминалы телефонии по IP-протоколу (SIP и Н.323), кабельные модемы и т.д [3].

Услуги  NGN используют различные способы кодирования и передачи и включают в себя: многоадресную и широковещательную передачу сообщений, передачу чувствительного и нечувствительного к задержкам трафика, услуги обычной передачи данных, услуги реального масштаба времени, диалоговые услуги.

1.1.2 Классификация услуг для сетей NGN

 

В настоящее  время отсутствует общая классификация услуг для сетей NGN. В рамках концепции, когда сеть NGN предлагается рассматривать не как отдельную категорию сетей связи, а как инструмент построения и развития существующих сетей, услуги, предоставляемые в рамках фрагмента NGN, можно классифицировать следующим образом

— базовые: услуги, ориентированные на установление соединения с использованием фрагмента NGN между двумя оконечными терминалами;

— дополнительные виды обслуживания: услуги, предоставляемые наряду с базовыми и ориентированные на поддержку дополнительных списков возможностей;

— услуги доступа, ориентированные на организацию доступа к ресурсам, и точек присутствия интеллектуальных сетей и сетей передачи данных;

 

Базовые услуги

 

Под базовыми видами понимаются услуги местной, междугородной, международной телефонной связи, предоставляемые с использованием (полным или частичным) фрагмента сети на основе NGN-технологий. Базовые услуги телефонии в сетях NGN могут использовать технологии компрессии речи, при этом качество предоставления базовых услуг должно соответствовать классам «высший» и «высокий». Базовые услуги телефонии могут быть доступны пользователям, использующим терминалы сетей ТфОП, СПС и Н.323, SIP-терминалы[4];

— услуги по передаче факсимильных сообщений между терминальным оборудованием пользователей. Услуга может предоставляться пользователям, использующим терминалы сетей ТфОП и NGN;

— услуги по организации модемных соединений между терминальным оборудованием пользователей. Услуга может предоставляться пользователям, использующим терминалы сетей ТфОП и NGN. Услуга доступа в сети IP не относится к данному классу;

— услуга доставки информации «64 кбит/с без ограничений» и базирующиеся на ней услуги предоставления связи, определенные для технологии ISDN.

Задачей сетевого фрагмента NGN при предоставлении базовых услуг является

- установление и поддержание соединения с требуемыми параметрами.

- ДВО;

- предоставление базовых услуг может сопровождаться дополнительными видами обслуживания, которые расширяют возможности, а также позволяют изменять конфигурацию соединения. В сетевом фрагменте NGN пользователям могут быть доступны следующие ДВО

- идентификации  вызывающей линии (CLIP);

- запрет  идентификации вызывающей линии  (CLIR);

- предоставление  идентификации подключенной линии  (COLP);

- безусловная  переадресация вызова (Call Forwarding No Reply);

- переадресация  вызова при занятости (Call Forwarding Busy);

- безусловная  переадресация вызова (Call Forwarding Unconditional);

- идентификация  злонамеренного вызова (MOD):

- индикация  ожидающего вызова/сообщения (Call/Message Waiting);

- завершение  вызова (Call Completion);

- парковка  и перехват вызовов (Call Park/Pick-up);

- удержание  вызова (Call Hold);

- замкнутая  группа пользователей (CUG);

- конференц-связь с расширением (CONF);

- другие.

Следует отметить, что в зависимости от используемого типа подключения  и терминального оборудования, а  также от возможностей Softswitch список и алгоритмы предоставления услуг могут отличаться.

Услуги  доступа

 

Услугами  доступа, поддерживаемыми со стороны  сетевого фрагмента NGN, являются

— услуги доступа в сети IP пo коммутируемому соединению с поддержкой процедур точки доступа и авторизации со стороны фрагмента NGN; применяются как для поддержки WWW, E-mail, FTP-приложений, так и для доступа к сетям IР-телефонии;

— услуги доступа к ресурсам в сетевом фрагменте NGN должны обеспечивать поддержку следующих видов услуг ИСС

а) «Бесплатный  вызов»;

б) «Телеголосование»;

в) «Вызов с дополнительной оплатой»;

г) «Вызов по предоплаченной карте».

— услуги доступа к информационно-справочным ресурсам с поддержкой точки доступа  и авторизации доступа со стороны  фрагмента NGN.

 

Информационно-справочные услуги

 

К информационно-справочным относятся услуги предоставления информации со стороны элементов фрагмента NGN. В отличие от услуги доступа к информационно-справочным ресурсам, в данном случае предоставление предполагает включение сервера услуги в состав фрагмента NGN и использование API-интерфейсов между Softswitch и сервером приложений.

 

Услуги VPN

 

Фрагментом  NGN может поддерживаться предоставление следующих видов услуг виртуальных частных сетей

—VPN на основе коммутируемых соединений с поддержкой адресного пространства VPN со стороны Softswitch. В этом случае задачей Softswitch является анализ номера входящего/исходящего абонента с принятием решения о возможности установления соединения в соответствии с политикой VPN. После принятия положительного решения об установлении соединения обрабатывается во фрагменте NGN как обычный вызов;

— виртуальная  частная сеть на основе постоянных соединений внутри фрагмента NGN с обработкой адресной информации со стороны гибкого коммутатора. Для виртуальной частной сети изначально резервируется транспортный ресурс во фрагменте NGN. Обслуживание вызовов VPN осуществляется гибким коммутатором в рамках выделенного для VPN транспортного ресурса;

— виртуальная  частная сеть на основе постоянных соединений без обработки сигнальной информации вызова гибким коммутатором. В этом случае VPN использует фрагмент NGN только как транспортный ресурс. [5];

 

Услуги  мультимедиа

 

Мультимедийные  услуги можно рассматривать с  двух позиций

— с  позиции абонентов услуг связи;

— с  позиции поставщика услуг (оператора  связи).

С точки  зрения абонентов, мультимедийная услуга связи представляет собой возможность  сети обеспечить функционирование специфических  мультимедийных пользовательских приложений (совместная работа с документами и графикой, «белая доска», дистанционное обучение, телемедицина и др.)

Оператор  связи рассматривает мультимедийную услугу связи как перенос

комбинации  двух или более «единиц» представления  аудиовизуальной информации (т.е. видео, звука, текста) между абонентами (группами абонентов) в рамках сетевой инфраструктуры и с учетом состава и возможностей используемого оборудования.

Таким образом, возможность предоставления той или иной мультимедийной услуги полностью зависит от технологической  платформы сети.

Европейский институт стандартизации в области  связи (ETSI) ввел понятие «широкополосных  мультимедийных услуг». Под такими услугами понимаются услуги связи, предоставление которых осуществляется на базе широкополосных сетей связи, способных обеспечить перенос информации в виде непрерывных  потоков пакетов/ячеек в режиме реального времени.

1.1.3 Архитектура NGN

 

С развитием  инфокоммуникационных услуг стали  весьма популярны обсуждения различных  вариантов архитектуры NGN, которые в рамках единой инфраструктуры объединяют сети ТфОП, мобильную связь, ресурсы сети Интернет, телефонию по IP-протоколу. В настоящее время наибольшее распространение получила четырехуровневая архитектура ССП.  

Четырёхуровневая  архитектура NGN представлена на рисунке 1[2].

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 1 - Архитектура сети следующего поколения

 

Согласно  рисунка архитектура сети следующего поколения включает четыре функциональных уровня

- уровень  управления услугами;

- уровень  управления коммутацией;

- транспортный  уровень;

- уровень  доступа.

Уровень управления услугами содержит функции управления логикой услуг и приложений и представляет собой распределенную вычислительную среду, обеспечивающую

- предоставление  инфокоммуникационных услуг;

- управление  услугами;

- создание  и внедрение новых услуг;

- взаимодействие  различных услуг.

Данный  уровень позволяет реализовать  специфику услуг и применять  одну и ту же программу логики услуг  вне зависимости от типа транспортной сети и способа доступа. Наличие  этого уровня позволяет также  вводить на сети электросвязи любые  новые услуги без вмешательства  в функционирование других уровней.

Уровень управления может включать множество  независимых подсистем («сетей услуг»), базирующихся на различных технологиях, имеющих своих абонентов и  использующих свои, внутренние системы  адресации.

Задача  уровня управления коммутацией —  обработка информации сигнализации, маршрутизация вызовов и управление потоками.

Функция установления соединения реализуется  на уровне элементов базовой сети под внешним управлением оборудования программного коммутатора (Softswitch). Исключением являются АТС с функциями контроллера шлюзов (MGC — Media Gateway Controller), которые сами выполняют коммутацию на уровне элемента транспортной сети.

В случае использования на сети нескольких Softswitch они взаимодействуют посредством соответствующих протоколов (как правило, семейство SIP-T) и обеспечивают совместное управление установлением соединения.

Softswitch должен осуществлять

— обработку  всех видов сигнализации, используемых в его домене;

— хранение и управление абонентскими данными  пользователей, подключаемых к его  домену непосредственно или через  оборудование шлюзов доступа;

— взаимодействие с серверами приложений для оказания расширенного списка услуг пользователям  сети.

Задача  транспортного уровня — коммутация и прозрачная передача информации пользователя.

В NGN операторы получат возможность наращивать объемы услуг, что в свою очередь приведет к росту требований к производительности и емкости сетей транспортного уровня. Основными требованиями к таким сетям являются

— высокая  надежность оборудования узлов;

— поддержка  функций управления трафиком;

— хорошая  масштабируемость.

МСЭ определяет следующие требования к возможностям транспортного уровня

— поддержка  соединений в реальном времени и  соединений, нечувствительных к задержкам;

— поддержка  различных моделей соединений: «точка-точка», «точка-многоточие», «многоточие-многоточие», «многоточие-точка»;

— гарантированные  уровни производительности, надежности, доступности, масштабируемости.

Транспортный  уровень NGN рассматривается как уровень, составными частями которого являются сеть доступа и базовая сеть.

Для организации уровня доступа могут  использоваться различные среды  передачи. Это может быть медная пара, коаксиальный кабель, волоконно-оптический кабель, радиоканал, спутниковые каналы либо любая их комбинация.

Особенностью  инфраструктуры NGN является использование универсальной базовой сети, базирующейся на технологиях пакетной коммутации.

Базовая сеть — это универсальная сеть, реализующая функции транспортировки  и коммутации. В соответствии с  данными функциями базовая сеть представляется в виде трех уровней

—технология коммутации пакетов;

—технологии формирования тракта;

—среда  передачи сигналов.

Нижний  уровень модели - среда передачи сигналов. Этот уровень должен быть реализован на кабелях с оптическими  волокнами (ОВ) или на цифровых радиорелейных  линиях (РРЛ).

Сегодня при выборе технологической основы перспективной считается IP, ввиду  того, что

— использование  технологии IP/MPLS в среде Ethernet позволяет повысить масштабируемость и качество обслуживания до уровня, необходимого для транспортных сетей. Это означает, что сети Ethernet приобретают характеристики и надежность SDH или ATM;

— количество приложений, использующих протокол IP, будет возрастать, соответственно доля трафика IP будет увеличиваться, и, как следствие, неизбежны проблемы технологии ATM, связанные с дополнительными накладными расходами полосы пропускания при передаче IP-трафика, вследствие чего происходит увеличение стоимости реализации сетевых решений на базе ATM.

В состав базовой 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 электросвязи (ТфОП, СПД, СПС).

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 электросвязи, так как позволяет заменить дорогостоящие  системы коммутации большой емкости  небольшими, гибкими и доступными по стоимости даже мелким операторам электросвязи.

Доступ  к ресурсам базовой 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.

К уровню доступа относятся

—  шлюзы;

— сеть доступа (сеть электросвязи, обеспечивающая подключение оконечных терминальных устройств пользователя к оконечному узлу транспортной сети);

— оконечное  абонентское оборудование.

К технологиям  построения сетей доступа относятся

— беспроводные технологии (Wi-Fi, WiMAX);

— технологии на основе систем кабельного телевидения (DOCSIS, DVB);

— технологии xDSL;

— оптоволоконные технологии (пассивные оптические сети (PON)).

Можно отметить, что с развитием технологий электросвязи становится все проблематичней провести четкую грань между транспортным уровнем и уровнем доступа. Так, например, цифровой абонентский мультиплексор доступа (DSLAM) может быть отнесен и к тому, и к другому уровню.

Архитектура сети электросвязи, построенной в соответствии с концепцией NGN[2], представлена на рисунке 2.

Рисунок 2 -  Обобщенная архитектура сети NGN.

 

Инфокоммуникационные  услуги предполагают взаимодействие поставщиков услуг и операторов связи, которое может обеспечиваться на основе функциональной модели распределенных (региональных) баз данных, реализуемых в соответствии с Рекомендацией МСЭ-ТХ.500[5].

Вышеуказанные базы данных позволяют решить следующие задачи

— создание абонентских справочников;

— автоматизация  взаиморасчетов между операторами  связи и поставщиками услуг;

— обеспечение  взаимодействия между операторами  связи в процессе предоставления услуг интеллектуальной связи;

—обеспечение  взаимодействия терминалов с различными функциональными возможностями на разных концах соединения.

Вышеуказанные базы данных могут использоваться также поставщиками услуг для организации платных информационно-справочных услуг. Концепция ССП во многом опирается на технические решения, уже разработанные международными организациями стандартизации. Так, взаимодействие серверов в процессе предоставления услуг предполагается осуществлять на базе протоколов MEGA-CO, TIPHON, и т.д. Для управления услугами будут использованы протоколы Н.323, SIP и подходы, применяемые в интеллектуальных сетях связи.

В качестве технологической основы построения транспортного уровня сетей связи следующего поколения рассматривается технология IP/MPLS с возможным применением в будущем оптической коммутации.

1.1.3 Протоколы сетей NGN

 

Softswitch управляет обслуживанием вызовов, т.е. установлением и разрушением соединений. Softswitch координирует действия, обеспечивающие соединение с логическими объектами в разных сетях и преобразует информацию в сообщениях таким образом, чтобы они были поняты на обеих сторонах разнородных сетей.

Основные  типы сигнализации, которые использует Softswitch

— сигнализация для управления соединениями;

— сигнализация для взаимодействия различных Softswitch между собой;

— сигнализация для управления транспортными шлюзами.

Основными протоколами сигнализации для управления соединениями сегодня являются SIP, OKC-7, Н.323. Также опционально используются

— абонентская  сигнализация E-DDS-1 первичного доступа  ЦСИС (цифровая сеть с интеграцией  служб, ISDN);

— протокол абонентского доступа через интерфейс V5;

Основными протоколами сигнализации управления транспортными шлюзами являются MGCP и MEGACO/H.24, а основными протоколами  сигнализации взаимодействия между Softswitch — SIPT и BICC. Взаимодействие Softswitch с оборудованием представлен на рисунке 3.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 3 - Взаимодействие Softswitch с остальным оборудованием

 

Протоколы RTP, RTCP, UDP

 

Основным  транспортным протоколом для мультимедийных приложений стал протокол реального  времени RTP (Real Time Protocol), предназначенный для организации передачи пакетов с кодированными речевыми сигналами по пакетной сети. Передача пакетов RTP ведется поверх протокола UDP, работающего, в свою очередь, поверх IP[5].

Протокол RTP позволяет компенсировать негативное влияние джиггера на качество речевой  и видеоинформации, но в то же время  он не имеет собственным механизмов, гарантирующих своевременную доставку пакетов или другие параметры качества услуг, — это осуществляют нижележащие протоколы. Он даже не обеспечивает все те функции, которые обычно предоставляют транспортные протоколы, в частности функции исправления ошибок и управления потоком. Обычно протокол RTP базируется на протоколе UDP и использует его функции, но может работать и поверх других транспортных протоколов.

Протокол TCP плохо подходит для передачи чувствительной к задержкам информации. Во-первых, это алгоритм надежной доставки пакетов. Пока отправитель повторно передаст пропавший пакет, получатель будет ждать, результатом чего может быть недопустимое увеличение задержки. Во-вторых, алгоритм управления при перегрузке в протоколе TCP не оптимален для передачи речи и видеоинформации. При обнаружении потерь пакетов протокол TCP уменьшает размер окна, а затем будет его медленно увеличивать, когда как разумнее было бы изменить метод кодирования или размер видеоизображения.

Протокол RTP предусматривает индикацию типа полезной нагрузки и порядкового  номера пакета в потоке, а также применение временных меток. Доставка RTP-пакетов контролируется специальным протоколом RTCP (Real Time Control Protocol).

Протокол  передачи пользовательских дейтаграмм — User Datagram Protocol (UDP) — обеспечивает негарантированную доставку данных, т.е. не требует подтверждения их получения; кроме того, данный протокол не требует установления соединения между источником и приемником информации.

Уровни  протоколов RTP/UDP/IP представлены на рисунке 4.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 4 - Уровни протоколов RTP/UDP/IP

 

Протокол H.323

 

Для построения сетей IP-телефонии первой стала рекомендация Н.323 МСЭ-Т. Сети, построенные на базе протоколов Н.323, ориентированы на интеграцию с телефонными сетями и могут рассматриваться как сети ЦСИС, наложенные на сети передачи данных. При этом рекомендация Н.323 предусматривает применение разнообразных алгоритмов сжатия речевой информации, что позволяет использовать полосу пропускания ресурсов передачи гораздо более эффективно, чем в сетях с коммутацией каналов.

Основными устройствами сети являются: терминал, шлюз, привратник. В отличие от устройств  ТфОП, устройства Н.323 не имеют жестко закрепленного места в сети, а подключаются к любой точке IP-сети. Однако при этом сеть Н.323 разбивается на зоны, а каждой зоной управляет привратник.