Расчет структурно-сетевых параметров мультисервисных сетей телекоммуникаций

МИНИСТЕРСТВО СВЯЗИ И  ИНФОРМАТИЗАЦИИ

РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ

Учреждение образования

«ВЫСШИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ  КОЛЛЕДЖ СВЯЗИ»

Кафедра телекоммуникационных систем

КУРСОВОЙ ПРОЕКТ

на тему

«Расчет структурно-сетевых  параметров

мультисервисных сетей телекоммуникаций»

по курсу 

«Мультисервисные сети телекоммуникаций»

Выполнила:

студентка группы ТЭ061  ФЗО

Сташкевич В.Н.                        

Проверил:

К.И. Пирогов

Минск 2012

СОДЕРЖАНИЕ

Введение………………………………..………………………………….………4

1. Структурная организация мультисервисной сети……………………………6
1. Способ и средства организации мультисервисной сети………………..6
2. Структурная организация мультисервисной сети………………………9
2. Структурная организация сети IP……………………………………………13
1. Основные понятия IP телефонии и виды строения сетей IP телефонии…………………………………………………………………….13
2. Способ и средства организации ТСР/IP………………………………..17
3. Расчет среднего времени доставки пакета для каждого вида информации…………………………………………………………………...19
4. Расчет структурных параметров……………………………………………..23
5. Сравнение двух структур……………………………………………………..25

Заключение……………………………………………………………………….26

Литература……………………………………………………………………….27

ВВЕДЕНИЕ

Мультисервисная сеть представляет собой универсальную среду для  передачи любого вида трафика (данные, голос, видео) и на сегодняшний день самой распространённой технологией  для таких сетей является IP – MPLS. К мультисервисным сетям применяются повышенные требования с точки зрения надёжности, гарантированности предоставления сервиса и минимальной стоимости передачи в расчете на единицу объема информации.

Мультисервисные сети должны обеспечивать работу разнородных информационных и телекоммуникационных систем и  приложений в единой транспортной среде. Кроме этого, мультисервисная сеть предоставляет сервис – провайдерам  много возможностей по построению многообразных  наложенных сервисов поверх универсальной  транспортной среды – от передачи голоса по IP до интерактивного телевидения и веб – служб.

Также немаловажно, что использование  единой транспортной среды позволяет  снизить издержки на построение и  эксплуатацию сети за счет унификации оборудования, стандартов, технологий и единой централизованной системы  управления сетью. С другой стороны  современные мультисервисные сети обладают широкими возможностями по поддержке заданного SLA (Servise Level Agreement) – качество и уровень обслуживания гарантируются не только на уровне договорных соглашений с сервис – провайдером, но и на уровне технологий и сетей.

Основные особенности  мультисервисных сетей:

- универсальный характер  обслуживания разных приложений;

- независимость от технологий  услуг связи и гибкость получения  набора, объема и качества услуг;

- полная прозрачность  взаимоотношений между поставщиком  услуг и пользователями;

- возможность передачи  большому количеству пользователей  в реальном времени очень больших  объемов информации с необходимой  синхронизацией и с использованием  сложных конфигураций соединений;

- интеллектуальность (управление  услугой, вызовом и соединением  со стороны пользователя или  поставщика сервиса, раздельная  тарификации и управление условным  доступом);

- инвариантность доступа  (организация доступа к услугам  независимо от используемой технологии);

- комплексность услуги (возможность  участия нескольких провайдеров  в предоставлении услуги и  разделение их ответственности  и дохода сообразно с видом  деятельности каждого).

Архитектура и управление мультисервисных сетей.

В архитектуре мультисервисной  сети можно выделить  несколько  уровней. Магистральный уровень: является универсальной высокоскоростной платформой передачи информации, реализованной  на базе цифровых телекоммуникационных каналов (MPLS, DWDM, SDH). Уровень распределения включает узловое оборудование сети оператора, а уровень агрегирования выполняет задачи агрегации трафика с уровня доступа и подключения к магистральной (транспортной) сети (MPLS, Gigabit Ethernet, ATM, CWDM). Уровень доступа включает корпоративные или внутридомовые сети, а также каналы связи, обеспечивающие их подключения к узлу (узлам) распределения сети (Fast/Gigabit Ethernet, ISDN, xDSL,Wi-Fi, WiMAX).

Для управления мультисервисной  сетью требуется высокоуровневая  интеллектуальная система. В сети одновременно передается множество разных видов  трафика, причем для каждого из них  требуется безусловное соблюдение одних параметров и допускаются  более или менее серьезные  уступки по другим, требуется использование  специализированных средств, не допускающих  перегрузки сети и нарушения требуемого качества. Сеть должна самостоятельно устранять перегрузки, автоматически  решая, чем можно пожертвовать в  разных случаях – полосой пропускания, временем доставки или, для отдельных  потоков, целостностью информации.

1. СТРУКТУРНАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ МУЛЬТИСЕРВИСНОЙ СЕТИ

1. Способ и средства организации мультисервисной сети

Концепция мультисервисности  содержит несколько аспектов, относящихся  к различным сторонам построения сети.

Во – первых, конвергенция загрузки сети, определяющая передачу различных типов трафика в  рамках единого формата представления  данных. Например, в настоящее время  передача аудио - и видеотрафика происходит в основном через сети, ориентированные  на коммутацию каналов, а передача данных – по сетям с коммутацией пакетов. Конвергенция загрузки сети определяет тенденцию использования сетей  с коммутацией пакетов для  передачи и аудио - и видеопотоков, и собственно данных сетей. Однако это  не отрицает требования дифференцирования  трафика в соответствии с предоставляемым  качеством услуг.

Во – вторых, конвергенция протоколов, определяющая переход от множества существующих сетевых  протоколов к общему (как правило, IP). В то время, как существующие сети предназначены для управления множеством протоколов, таких как IP, IPX, AppleTalk, и одного типа данных, мультисервисные сети ориентируются на единый протокол и различные сервисы, требующие для поддержки различных типов трафика.

В – третьих, физическая конвергенция, определяющая передачу различных типов трафика в  рамках единой сетевой инфраструктуры. И мультимедийный, и голосовой  трафики могут быть переданы с  использованием одного и того же оборудования с учетом различных требований к  полосе пропускания, задержкам и  «дрожанию» частоты. Протоколы резервирования ресурса, формирования приоритетных очередей  и качества обслуживания (QoS), позволяют дифференцировать услуги, предоставляемые для различных видов трафика.

В – четвертых, конвергенция устройств, определяющая тенденцию  построения архитектуры  сетевых  устройств, способной в рамках единой системы поддерживать разнотипный  трафик. Так, коммутатор поддерживает коммутацию Ethernet – пакетов, IP – маршрутизацию и соединения АТМ. Устройства сети могут обрабатывать данные, передаваемые в соответствии с общим протоколом сети (например, IP) и имеющие различные сервисные требования (например, гарантии ширины полосы пропускания, задержку и др.). Кроме того, устройства могут поддерживать как Web – ориентированные приложения, так и пакетную телефонию.

В – пятых, конвергенция приложений, определяющая интеграцию различных функций в рамках единого  программного средства. Например, Web – браузер позволяет объединить в рамках одной страницы мультимедиа – данные типа звукового, видеосигнала, графики высокого разрешения и др.

В – шестых, конвергенция технологий выражает стремление к созданию единой общей технологической базы для построения сетей связи, и  способной удовлетворить требованиям  и региональных сетей связи, и  локальных вычислительных сетей. Такая база уже существует: например, асинхронная система передачи (АТМ) может использоваться для построения как региональных, так и локальных вычислительных сетей.

В – седьмых, организационная  конвергенция, предполагающая централизацию  служб сетевых, телекоммуникационных, информационных под управлением  менеджеров высшего звена, например, в лице вице – президента.  Это  обеспечивает необходимые организаторские  предпосылки для интегрирования голоса, видеосигнала и данных в  единой сети.

Все перечисленные аспекты  определяют различные стороны проблемы построения мультисервисных сетей, способных передавать трафик различного типа, как в периферийной части  сети, так и в ее ядре.

Мультисервисная сеть позволяет  поддерживать следующие виды услуг:

- городская компьютерная  сеть с постоянной скоростью  100 Мбит/с;

- обмен различной информацией  между пользователями сети  (музыкой,  фильмами, играми, фотографиями, электронными  документами и т. д.);

- доступ к игровым серверам  компьютерных клубов города;

- высокоскоростной доступ  в Internet (до 10 Мбит/с);

- IP – телефония (при подключении к сети пользователь получает возможность подключить IP – телефон с городским номером, и дешевыми междугородними звонками);

- объединение удаленных  корпоративных сетей (сетей организаций,  компьютерных клубов и т.д.);

- создание виртуальных  корпоративных сетей (VPN), коммутируемых и управляемых пользователем.

Выбор технологий для магистрали сети доступа зависит от конкретных условий и определяется целым  рядом факторов – таких, как преобладающий  тип трафика, существующая кабельная  инфраструктура и возможность ее развития, уже эксплуатируемое оборудование и другие.

Для магистралей сети наилучшим  решением, обеспечивающим масштабируемую пропускную способность и гарантированное  качество услуг QoS, в настоящее время является технология АТМ.

Введение нескольких типов  трафика и приоритетное обслуживание являются еще одной особенностью технологии АТМ, которая позволяет  ей успешно совмещать в одном  канале синхронные и асинхронные  пакеты.

В сетях АТМ соединение конечного узла с сетью осуществляется индивидуальной линией связи, а коммутаторы  соединяются между собой каналами с уплотнением, которые передают всех узлов, подключенных к соответствующим  коммутаторам ( рисунок 1).

Рисунок 1 – Структура  сети АТМ

Сеть АТМ имеет структуру, похожую на структуру телефонной сети – конечные станции соединяются  с коммутаторами нижнего уровня, которые в свою очередь соединяются  с коммутаторами более высоких  уровней. Коммутаторы АТМ пользуются адресами конечных узлов для маршрутизации  трафика в сети коммутаторов.

Ячейки данных, используемые в АТМ, меньше в сравнении с  элементами данных, которые используются в других технологиях. Небольшой, постоянный размер ячейки, используемый а АТМ, позволяет:

- передавать данные по  одним и тем же физическим  каналам, причем как при низких, так и при высоких скоростях;

- работать с постоянными  и переменными потоками данных;

- интегрировать любые  виды информации: тексты, речь, изображения,  видеофильмы;

- поддерживать соединения  типа точка – точка, точка  – множество, множество – множество.

Технология АТМ предполагает межсетевое взаимодействие на трёх уровнях.

Для передачи данных от отправителя  к получателю в сети АТМ создаются  виртуальные каналы, VC (англ. Virtual Circuit), которые бывают двух видов:

- постоянный виртуальный  канал, PVC (Permanent Virtual Circuit), который создаётся между двумя точками и существует в течении длительного времени, даже в отсутствии данных для передачи;

- коммутируемый виртуальный  канал SVC (Switched Virtual Circuit), который создается между двумя точками непосредственно перед передачей данных и разрывается после окончания сеанса связи.

Для маршрутизации в пакетах  используют так называемые идентификаторы пакета. Они бывают двух видов:

- VPI (англ. virtual path identificator) – идентификатор виртуального пути (номер канала);

- VCI (англ. virtual connect identificator) – идентификатор виртуального соединения (номер соединения).

Преимущества АТМ не ограничиваются вертикальным рынком. Сегодня организации  могут связать через магистрали АТМ свои компьютерные серверы. Можно  ожидать и достаточно широкого использования  АТМ в настольных компьютерах  при работе пользователей с большими объёмами данных или использовании  критичных к задержкам приложений.

АТМ позволяет не только организовать ЛВС, но  может обеспечить передачу голосового и видео –  трафика. Такое решение позволяет  использовать настольные системы видеоконференций и приложений multimedia.

2. Структурная организация мультисервисной сети

Под топологией сети принято  понимать конфигурацию связей графа, интерпретирующего  структуру сети. При анализе топологии  сети принято оперировать понятиями: «вершина», «ребро», «маршрут», «средняя длина маршрута», «диаметр» графа, «связность» и т.п.

Под маршрутом понимают конечную последовательность инцидентных ребер, соединяющих рассматриваемые вершины i и j. Средняя длина маршрута (среднее расстояние  между вершинами   графа)    представляет собой отношение суммарной (в числе ребер) длины всех маршрутов к числу маршрутов.

Средняя длина маршрута (среднее  расстояние между вершинами графа) представляет собой отношение суммарной (в числе ребер) длины всех маршрутов  к числу маршрутов. Последняя  величина для неориентированного графа  равна n(n-1)/2 и для ориентированного  n(n-1), где n - число вершин графа. Кратчайший маршрут (КрМ) – тот, для которого сумма весов составляющих его ребер принимает наименьшее значение.

В зависимости от задачи в качестве весов могут быть выбраны  стоимость, длина, число транзитов  и т. п. Диаметр графа –  длина  наибольшего (в числе ребер) КрМ  для данного графа. Связность  графа (в данной работе) –  число  непересекающихся но вершинам маршрутов  между любой парой вершин.

Существует большая группа структурных характеристик, включающая вероятность:

- нарушения связи (средневзвешенная) между каждой парой узлов;

- распада графа на изолированные  фрагменты; 

- существования хотя бы  одного пути между парой вершин  в условиях воздействия препятствующих  факторов (отказов, повреждений,  перегрузок и т.п.).

Определим понятия надежности и живучести, которые связаны  с работоспособностью СС во времени. Их различия обусловлены прежде всего  различиями причин и факторов, нарушающих нормальное функционирование сети, и  характером нарушений.

Надежность СС – свойство обеспечивать связь, сохраняя во времени  значения установленных показателей  качества в заданных условиях эксплуатации. Надежность отражает влияние на работоспособность  сети главным образом внутрисистемного фактора – случайных отказов  техники, вызываемых физико-химическими  процессами старения аппаратуры, дефектами  технологии ее изготовления или ошибками обслуживающего персонала.

Живучесть характеризует  устойчивость СС против действия внешних  причин.

 Различия в причинах  нарушения связи обуславливают  существенные отличия в проявлении, характере и масштабности нарушений  связи, их продолжительности,  путях и  способах устранения  и повышения устойчивости системы.  Если поток случайных отказов  техники приводит к нарушению  лишь отдельных связей и обладает  свойством ординарности (когда вероятность  одновременного отказа нескольких  связей пренебрежимо – мала), то нарушения работы системы  указанными выше факторами живучести  обладают существенно иными свойствам.

Следует иметь в виду и  неодинаковую погрешность исходных данных для оценки надежности и живучести  СС. По эксплуатационно-техническим  отказам техники и линий связи  имеется сравнительно обширный статистический материал, но научных основ прогнозирования  стихийных факторов недостаточно. И  хотя достоверность исходных данных по надежности техники связи представляет пока известную проблему, их точность несравненно выше точности исходных данных для анализа живучести  СС. Поэтому оценка живучести СС может быть лишь приближенной, ориентировочной.

В практике топологического  проектирования принято разделять  древовидные, распределенные и иерархические  топологии сетей.

Древовидные сети интерпретируются графами без петель и циклов. Для  n – вершинного дерева имеется (n – 1) ребро. Последнее обстоятельство упрощает проектирование древовидных сетей, поскольку в них между каждой парой вершин существует единственны путь. Различают корневые и бескорневые деревья. Примером первого может служить радиальная связь (PC) («звезда»), а последнего – кратчайшая связывающая сеть (КСС) (рисунок 2).

Сети с распределенной структурой представляются произвольными  связными графами, описывающими широкий  спектр структур, начиная с петлевой (ПС_Т), и кончая полносвязной сетью (ПСС). К этому классу могут быть отнесены решетчатые структуры (РШ), сотовые структуры и т. п. Реальные ИЦСС имеют обычно структуру, являющиеся комбинацией некоторых элементарных.

Рисунок  2 –  Типы структур:

а) –  звезда, б) –  кратчайшая связывающая сеть, в) –  петлевая,

г) – неравномерно связная, л) – полносвязная, с) – решетчатая,

ж) – равномерно 3 – связная, з) – сотовая, и) – равномерно k-связная.

Сейчас общепризнано, что  экономично построенная сеть большого масштаба является иерархической. Иерархическая  ИЦСС представляется композицией внутриуровневых  и межуровневых подсетей, обозначенных индексами r, r=1,R и (r,r+1), r=R-1 соответственно. Изображенная на рисунок 3  ИЦСС имеет в первой ступени иерархии телефонные аппараты (ТА), абонентские пункты (АП) и ЭВМ.

Рисунок  3 - Иерархическая  структура

Организация структуры но иерархическому принципу позволяет: упростить  описание сети, способствующее в свою очередь упрощению их оптимизации; обеспечить для каждой зоны максимальное замыкание нагрузки; уменьшить общее  число узлов и сократить протяженность  сети; достичь определенной экономии стоимостных ресурсов.

Однако при оптимизации  иерархических ИЦСС приходится сталкиваться с проблемами поиска компактных форм описания данных о местоположении оконечных  пунктов (ОП) и тяготении между  ними; сложности учета дополнительного  влияния на процесс доставки со стороны  подсистем технического обслуживания (ТО) и управления; поиска эффективных  алгоритмов оптимизации иерархических  структур. Это объясняется сложностью проведения декомпозиции и группирования, дискретным характером и взаимозависимостью частных задач, многопараметричностью, многоэкстемальностью и большой  размерностью исследуемых функционалов.

2 СТРУКТУРНАЯ  ОРГАНИЗАЦИЯ СЕТИ IP

  2.1 Основные понятия IP телефонии  и виды строения сетей IP телефонии

IP-телефония – это технология, позволяющая использовать Интернет  или любую другую IP-сеть для  ведения международных, междугородных  или других телефонных разговоров  и передачи факсов в режиме  реального времени. Для организации  телефонной связи по IP-сетям используется  специальное оборудование – шлюзы  IP-телефонии. Каждый шлюз должен  быть соединен с телефонным  аппаратом или абонентской линией  АТС, пользователи которых будут  являться абонентами IP-шлюза.

Для того, чтобы осуществить  междугородную (международную) связь  с использованием технологии IP-телефонии, организация или оператор услуги должны иметь по шлюзу (или IP-телефону) в тех местах, куда и откуда планируются  звонки. Стоимость такой связи  на порядок меньше стоимости телефонного  звонка по обычным телефонным линиям. Особенно велика эта разница для  международных переговоров. IP-телефония  опирается на две основных операции: преобразование (сжатие) речи внутри кодирующего/декодирующего  устройства (кодека) и упаковку в  пакеты для передачи по IP-сети. В IP-телефонии  используется особая система передачи пакетов со звуковой информацией, что  обусловлено спецификой передачи данных по IP-сетям.

В традиционных телефонных линиях между абонентами во время  разговора создается канал, чем  обеспечивается фиксированная пропускная способность для передачи сигнала. В то время, как IP-сеть представляет собой систему, реализующую принцип  коммутации и маршрутизации пакетов. IP-сеть не предоставляет гарантированного пути между точками связи, вся  передаваемая информация (голос, текст, изображения, и т.п.) разделяется  на пакеты данных, имеющие в своем  составе адреса точек назначения (приема и передачи) и порядковый номер. Узлы IP-сети направляют эти пакеты по сети до окончания маршрута доставки. После прибытия пакетов к точке  назначения, для восстановления исходного  объема упорядоченных данных используются порядковые номера пакетов. Для приложений, где не важен порядок и интервал прихода пакетов, таких как e-mail, время  задержек между отдельными пакетами не имеет решающего значения.

IP-телефония является  одной из областей передачи  данных, где важна динамика передачи  сигнала, которая обеспечивается  современными методами кодирования  и передачи информации. При передаче  в режиме реального времени  до 30% пакетов могут быть утеряны  или получены с опозданием (что  в режиме реального времени  одно и то же). Хорошее приложение IP-телефонии должно возместить  нехватку пакетов, восстановив  потерянные данные. Сам алгоритм  кодирования речи также оказывает  влияние на восстановление данных. Для кодирования звуковой информации  обычно используются следующие кодеки: G.711, G.722, G.723, G.723.1, G.726, G.728, и G.729.

Сеть IP-телефонии представляет собой совокупность оконечного оборудования, каналов связи и узлов коммутации. Сети IP-телефонии строятся по тому же принципу, что и сети Интернет. Однако в отличие от сетей Интернет, к  сетям IP-телефонии предъявляются  особые требования по обеспечению качества передачи речи. Одним из способов уменьшения времени задержки речевых пакетов  в узлах коммутации является сокращение количества узлов коммутации, участвующих  в соединении. Поэтому при построении крупных транспортных сетей в  первую очередь организуется магистраль, которая обеспечивает транзит трафика  между отдельными участками сети, а оконечное оборудование (шлюзы) включается в ближайший узел коммутации (рис. 1.).

Рисунок 1- Пример построения сети IP-телефонии с использованием магистрали

Для связи между устройствами внутри сети и с устройствами других сетей IP-телефонии используются выделенные каналы или сеть Интернет. По способу  связи оконечных устройств между  собой сети IP-телефонии можно  разделить на выделенные, интегрированные и смешанные.

В выделенных сетях (рис. 2) связь между оконечными устройствами осуществляется по выделенным каналам, и пропускная способность этих каналов используются только для передачи речевых пакетов.

Главное преимущество выделенной сети - это высокое качество передачи речи, так как такие сети предназначены  только для передачи речевого трафика. Кроме того, для обеспечения гарантированного качество предоставляемых услуг  в этих сетях, кроме протокола IP, применяются и другие транспортные протоколы: ATM и Frame Relay.

Рисунок 2 - Пример построения выделенной сети IP-телефонии

В интегрированных сетях IP-телефонии для связи между устройствами используется глобальная сеть Интернет (рис. 3). Это может быть уже существующая собственная сеть или доступ к сети Интернет через провайдеров. Если оператор имеет собственную сеть Интернет, то для предоставления услуг IP-телефонии он лишь устанавливает дополнительное оборудование, которое обеспечивает преобразование речи в данные и наоборот, и модернизирует уже имеющееся оборудование, чтобы обеспечить качество предоставляемых услуг. Если оператор IP-телефонии пользуется услугами провайдеров Интернет, то качество услуг такой сети может быть низким, так как обычные сети Интернет не рассчитаны на передачу информации в реальном масштабе времени.

Рисунок 3 - Пример построения интегрированной сети IP-телефонии

По разным причинам операторы  сетей IP-телефонии для объединения  своих устройств в сети могут  использовать выделенные каналы и сеть Интернет. Такие сети называются сетями смешанного типа (рис. 4.). Вопрос о том, какие каналы использовать для связи устройств между собой, решается оператором индивидуально в зависимости от возможностей.

Рисунок 4 - Пример построения смешанной сети IP-телефонии

По своему масштабу все  сети IP-телефонии можно разделить  на международные, региональные и местные.

Международная сеть IP-телефонии имеет точки своего присутствия в нескольких странах и обеспечивает терминацию трафика практически в любую точку мира при минимальном использовании телефонной сети общего пользования. Чаще всего, международные сети не работают с конечными пользователями, а предоставляют свою пропускную способность другим сетям. Главной задачей международных сетей является транзит трафика между сетями различного уровня. При построении международной сети в первую очередь строится мощная магистраль, имеющая большую пропускную способность. Международные сети строятся с использованием выделенных каналов и на базе уже существующих сетей Интернет.В отличие от международной сети национальная сеть имеет точки своего присутствия в одной или, в крайнем случае, в нескольких близлежащих странах и обслуживает абонентов и местных операторов только этого региона. С помощью заключения договоренности с международными сетями национальная сеть предоставляет своим абонентам и другим местным сетям возможность терминации вызовов в любую точку мира.Чаще всего, национальные сети строятся национальными телекоммуникационными компаниями с использованием уже существующей инфраструктуры, поэтому большая часть национальных сетей IP-телефонии являются интегрированными сетями.Местная сеть IP-телефонии предоставляет возможность абонентам местной телефонной сети и частным компаниям воспользоваться услугами IP-телефонии. В основном, операторы местных сетей являются провайдерами доступа к сети IP-телефонии. Чаще всего, их сети имеют всего один шлюз, подключенный к более крупным сетям через сеть Интернет или по выделенным каналам.