Развитие телекоммуникационных сетей
Развитие телекоммуникационных сетей определяется тремя факторами: ростом трафика, потребностью общества в новых услугах и достижениями в области технологий. Разумеется, эти факторы не являются независимыми, однако каждый из них определяет идеологию развития электросвязи. Так, конкуренция среди поставщиков оборудования и технологические достижения привели к снижению стоимости оборудования, а это, в свою очередь, стимулировало рост трафика и разработку новых услуг.
Трафик фиксированных
сетей растет с высокой и постоянной
скоростью с начала 1980-х годов.
Так, мировой трафик Интернет рос
в мире в последние годы на 60-80%
ежегодно, а число абонентов
Потребности общества в новых услугах, рост трафика приводят к изменению идеологии построения сетей примерно каждые 10 лет. Так, в 1980-х годах появились оптические технологии; аналоговые беспроводные сети; широко распространились сети на основе стандарта Х.25. В 1990-х годах активно развивались оптические технологии, основанные на мультиплексировании с разделением и уплотнением по длине волны; разрабатывались и внедрялись мобильные сети 2-го поколения; началось использование Интернет в коммерческих приложениях.
Сегодня мы говорим о сетях следующего поколения (Next Generation Network, NGN). NGN определена как «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, предполагающая реализацию универсальной транспортной сети с распределенной коммутацией, вынесение функций предоставления услуг в оконечные сетевые узлы и интеграцию с традиционными сетями связи».
Основным принципом концепции NGN является отделение друг от друга функций переноса и коммутации, функций управления вызовами и функций управления услугами.
Функциональная модель сетей NGN в общем виде может быть представлена тремя уровнями - транспортным, управления коммутацией и передачей информации, управления услугами.
К основным задачам
транспортного уровня относится
прозрачная передача информационных потоков,
а также поддержка
На уровне управления коммутацией и передачей осуществляется обработка информации сигнализации и управления вызовами.
Уровень управления услугами обеспечивает управление логикой услуг и приложений.
Такое функциональное разделение позволяет унифицировать задачи управления вызовами, отделив их от особенностей применяемых технологий передачи и коммутации. В результате становится возможным использовать одну и ту же логику услуги вне зависимости от типа транспортной сети (IP, ATM и т.д.), а также способа доступа.
Сеть NGN - это
единая транспортная инфраструктура на
базе протокола IP, поддерживающая полную
или частичную интеграцию услуг
передачи речи, данных и мультимедиа.
Ее основу составляет универсальная
транспортная среда с распределенной
коммутацией пакетов. Кроме традиционных
сетевых узлов (мультиплексоров, коммутаторов
и маршрутизаторов) в состав такой
сети могут входить контроллеры
сигнализации и шлюзовое оборудование
различного назначения. Доступ к услугам
NGN, предоставляемым с помощью
специализированных серверов, осуществляется
через оконечные и оконечно-
Экономическая эффективность инвестиций должна быть обеспечена за счет широкого использования услуг.
1.1. Принципы построения традиционных телефонных сетей
Сети с
коммутацией каналов имеют
При коммутации
каналов коммутационная сеть образует
между конечными узлами непрерывный
составной физический канал из последовательно
соединенных коммутаторами
В сети с коммутацией каналов перед передачей данных всегда необходимо выполнить процедуру установления соединения, в процессе которой и создается составной канал. И только после этого можно начинать передавать данные.
Можно выделить
следующие достоинства
- Постоянная и известная скорость передачи данных по установленному между конечными узлами каналу. Это дает пользователю сети возможности на основе заранее произведенной оценки необходимой для качественной передачи данных пропускной способности установить в сети канал нужной скорости.
- Низкий и постоянный уровень задержки передачи данных через сеть. Это позволяет качественно передавать данные, чувствительные к задержкам (называемые также трафиком реального времени) — голос, видео, различную технологическую информацию.
Наряду с достоинствами, сети с коммутацией каналов имеют ряд недостатков, которые в условиях современного рынка постепенно отодвигают их на задний план.
1.3. Общие принципы построения сетей NGN
Для сетей NGN можно выделить пять характерных особенностей:
- использование в транспортной сети пакетных технологий для передачи всех видов информации;
- применение систем коммутации с распределенной архитектурой, которые отличаются от традиционных (функционально ориентированных) телефонных станций;
- отделение функций, касающихся поддержки услуг, от коммутации и передачи;
- обеспечение возможности широкополосного доступа для любого пользователя;
- реализация функций эксплуатационного управления (в том числе делегированных пользователям) за счет Web технологии.
Примечательно, что для оборудования распределения информации не сделан такой же категоричный вывод об использовании пакетных технологий, как для транспортной сети. Некоторые специалисты не исключают возможность появления некой новой технологии распределения информации. Возможно, что она будет более всего похожа на технологию «коммутация каналов».
Стандартизацией
NGN занимаются несколько международных
организаций. Определенный вклад вносят
МСЭ и ETSI (Европейский институт телекоммуникационных
стандартов). Активно разрабатывает
свои стандарты Международный
Ниже представлена архитектура NGN, предложенная МСЭ в рекомендации Y.1001.
Медиа-шлюз выполняет
достаточно простые функции преобразования
информационных потоков. Слева от медиа-шлюза
показан RTP-поток, который формируется
при использовании
Медиа-шлюз управляется соответствующим контроллером - MGC (Softswitch). Контроллеры могут быть связаны между собой, что показано на рис.1 пунктирной линией с надписью MGC/MGC. Контроллер взаимодействует также с интеллектуальной базой данных (Intelligent Database ID).
Архитектура NGN (по рек.Y.1001)
Рис. 1.3.1
Над контроллером MGC показан шлюз сигнализации (SG). В сторону ТфОП (или сотовой сети) шлюз сигнализации передает и принимает информацию по сети общих каналов сигнализации (ОКС). В российской сети ОКС применяется подсистема пользователя ЦСИО - ISUP. Взаимодействие с контроллером MGC осуществляется через интерфейс, обозначенный как SG/MGC. Для связи с интеллектуальной базой данных определен интерфейс ID/SG. Для поддержки услуг ИС используется прикладной протокол интеллектуальной сети - INAP.
На рис.2 приведена уровневая архитектура, предложенная компанией Lucent Technologies для объяснения концепции NGN. Эта архитектура отличается от аналогичных моделей, используемых в сетях телефонной связи и обмена данными.
Уровень услуг выделяется в самостоятельный элемент архитектуры сети. Он занимает верхнюю плоскость в рассматриваемой модели. В какой-то мере, выделение самостоятельного уровня услуг подобно решению, которое предложено в концепции интеллектуальной сети (ИС).
Уровень управления
располагается на второй плоскости.
В модели NGN этот уровень включает
совокупность функций по управлению
всеми процессами в телекоммуникационной
системе, а также начисление платы
за услуги связи и техническую
эксплуатацию. Для реализации функций,
которые выполняет этот уровень,
производители
Уровневая архитектура NGN
Рис. 1.3.2
Уровень среды обмена информацией находится на третьей плоскости. Функции, выполняемые этим уровнем, включают процедуры установления соединений между пользователями сети и межсетевое взаимодействие. Типичным примером оборудования, которое реализует эти функции в сети NGN, служат аппаратно-программные средства Media Gateway (медиа-шлюза).
Уровень доступа и транспорта располагается на четвертой плоскости. Основные функции этого уровня - перенос информации между конечными пользователями сети NGN. В качестве средств доступа в концепции сети NGN рассматриваются практически все используемые в настоящее время варианты, основанные на различных технологиях.
Термин «Softswitch»
можно перевести на русский язык
как «коммутатор с программным
управлением», что не отражает его
функционального назначения, поэтому
чтобы более точно определить
данный термин лучше воспользоваться
нестрогим переводом «
В сети NGN предполагается
применять только открытые (стандартные)
протоколы, которые позволяют при
необходимости легко менять выполняемые
функции. Особенность коммутационных
станций ТфОП состоит в том, что
они, как правило, имеют стандартные
интерфейсы на входе и выходе. Практически
все внутренние процессы в коммутационной
станции, как в «черном ящике»,
поддерживались фирменными (нестандартными)
протоколами, разработка которых осуществлялась
производителем соответствующих аппаратно-
Рисунок 3 иллюстрирует различия в архитектуре коммутационных станций ТфОП и Softswitch (NGN). Открытые протоколы и интерфейсы прикладного программирования (API) — неотъемлемая особенность архитектуры Softswitch (NGN).
Архитектура коммутационных станций ТфОП и Softswitch
Рис. 1.3.2
Для сети NGN определен ряд новых протоколов, часть из которых была разработана ранее. Целесообразно выделить пять следующих протоколов:
- Протокол Н.323. Рекомендация МСЭ Н.323 была разработана для обеспечения установления соединения и передачи голосового и видео трафика по пакетным сетям, в частности Интернет и intranet, которые не гарантируют качества обслуживания (QoS). Используется протокол RTP, разработанный IETF (инженерная группа по проблемам Интернет), а также стандартные кодеки, отвечающие требованиям МСЭ, которые изложены в рекомендациях серии G. Протокол Н.323 был первым в технологии IP-телефонии, но сейчас он начал уступать позиции разработанному IETF протоколу SIP (инициирование сеансов связи), который оказался проще и лучше масштабировался.
- Session Initiation Protocol. Это протокол прикладного уровня, с помощью которого осуществляются такие операции, как установление, изменение и завершение мультимедийных сессий или вызовов по IP-сети. В мультисервисных сетях SIP выполняет функции, аналогичные тем, которые реализованы в протоколе Н.323. Сессии SIP могут включать мультимедийные конференции, дистанционное обучение, Интернет-телефонию и другие подобные приложения. Сегодня SIP рассматривается многими участниками инфокоммуникационного рынка как международный стандарт.
- Media Gateway Control Protocol. Протокол MGCP используется для управления шлюзами MG. Он разработан для архитектуры, в которой вся логика обработки вызовов располагается вне шлюзов, и управление выполняется внешними устройствами, такими, как MGC или агенты вызовов. Модель вызовов MGCP рассматривает медиа-шлюзы как набор конечных точек, которые можно соединить друг с другом.
- MEGACO/H.248. Этот протокол, по всей видимости, заменит MGCP в качестве стандарта для управления медиа-шлюзами. MEGACO служит общей платформой для шлюзов, устройств управления многоточечными соединениями, а также устройств интерактивного голосового ответа.
- Протокол
SignallingTransport (SIGTRAN). Это набор протоколов
для передачи сигнальной информации по
IP-сетям. Он используется как в обоих видах
шлюзов, так и в Softswitch. SIGTRAN реализует функции
протокола SCTP (
SimpleControlTransportProtocol ) и уровней адаптации (AdaptationLayers). SCTP отвечает за надежную передачу сигнальной информации, осуществляет управление сигнальным трафиком, обеспечивает безопасность. В функции AdaptationLayers входит передача сигнальной информации от соответствующих сигнальных уровней, использующих услуги SCTP. Эти протоколы ответственны за сегментацию и пакетирование пользовательских данных, защиту от имитации законного пользователя, изменения смысла передаваемой информации и ряд других функций.
Ниже, на рисунке 4 представлен пример обобщенной схемы построения сети NGN:
Построение NGN
Рис. 1.3.3
2.1. Классификация оборудования
Схема классификации оборудования для NGN представлена на рис. 2.1.
Классификация типов оборудования NGN
Рис. 2.1.1
В соответствии с рисунком основными классами являются:
Гибкий коммутатор (SoftSwitch)- реализует функции по логике обработки вызова, доступу к серверам приложений, доступу к ИСС, сбору статистической информации, тарификации, сигнальному взаимодействию с сетью ТфОП и внутри пакетной сети, управлению установлением соединения и др. Гибкий коммутатор является основным устройством, реализующим функции уровня управления коммутацией и передачей информации.
В оборудовании гибкого коммутатора должны быть реализованы следующие основные функции:
- функция управления базовым вызовом, обеспечивающая прием и обработку сигнальной информации и реализацию действий по установлению соединения в пакетной сети;
- функция аутентификации и авторизации абонентов, подключаемых в пакетную сеть как непосредственно, так и с использованием оборудования доступа ТфОП;
- функция маршрутизации вызовов в пакетной сети;
- функция тарификации, сбора статистической информации;
- функция управления оборудованием транспортных шлюзов;
- функция предоставления ДВО. Реализуется в оборудовании гибкого коммутатора или совместно с сервером приложений;
- функция ОАМ&Р: эксплуатация, управление (администрирование), техническое обслуживание и предоставление той информации, которая не нужна непосредственно для управления вызовом и может передаваться к системе управления элементами через логически отдельный интерфейс;
- функция менеджмента: обеспечивает взаимодействие с системой менеджмента сети.
Дополнительно в оборудовании гибкого коммутатора могут быть реализованы следующие функции:
- функция SP/STP сети ОКС7;
- функция предоставления расширенного списка ДВО. Реализуется самостоятельно или с использованием серверов приложений;
- функция взаимодействия с серверами приложений;
- функция SSP;
- другие.
Рассмотрим основные характеристики гибкого коммутатора.
Производительность- как максимальное количество обслуживаемых базовых вызовов за единицу времени (как правило, за час). Производительность гибкого коммутатора является одной из главных характеристик, на основе которой должен проводиться выбор оборудования и проектирование сети. Следует понимать, что гибкий коммутатор обслуживает вызовы от различных источников нагрузки, каковыми являются:
- вызовы от терминалов, предназначенных для работы в сетях NGN (терминалы SIP и Н.323, а также 1Р-УПАТС);
- вызовы от терминалов, не предназначенных для работы в сетях NGN (аналоговые и ISDN терминалы) и подключаемых через оборудование резидентных шлюзов доступа;
- вызовы от оборудования сети доступа, не предназначенного для работы в сетях NGN (концентраторы с интерфейсом V5) и подключаемого через оборудование шлюзов доступа;
- вызовы от оборудования, использующего первичный доступ (УПАТС) и подключаемого через оборудование шлюзов доступа;
- вызовы от сети ТфОП, обслуживаемые с использованием сигнализации ОКС7, с включением сигнальных каналов ОКС7 либо непосредственно в гибкий коммутатор, либо через оборудование сигнальных шлюзов;
- вызовы от других гибких коммутаторов, обслуживаемые с использованием сигнализации SIP-T.
Функциональная
схема гибкого коммутатора
Производительность оборудования гибкого коммутатора различна при
обслуживании вызовов
от различных источников, что объясняется
как различным объемом и
Функциональная схема гибкого коммутатора
Рис. 2.1.2
При проектировании сети NGN в части возможностей гибкого коммутатора важно иметь наиболее полную информацию о производительности для различных видов нагрузки, а также для смешанных типов нагрузки при различных долях каждого из видов.
Надежность- свойство объекта сохранять во времени и в установленных пределах значения всех параметров и способность выполнять требуемые функции в заданных режимах и условиях применения. Требования по надежности к оборудованию гибкого коммутатора характеризуются средней наработкой на отказ, средним временем восстановления, коэффициентом готовности, сроком службы. При проектировании сети следует понимать, что выход из строя гибкого коммутатора приведет к пропаже всех видов связи в обслуживаемом сетевом фрагменте (домене); поэтому должны быть предусмотрены меры по обеспечению дублирования и защиты оборудования,
Поддерживаемые протоколы.Обору
- При взаимодействии с существующими фрагментами сети ТфОП:
- непосредственное взаимодействие: ОКС7 в части протоколов МТР, ISUP и SCCP;
- взаимодействие через сигнальные шлюзы: M2UA, M3UA, М2РА для
передачи сигнализации ОКС7 через пакетную сеть; V5UA для передачи сигнальной информации V5 через пакетную сеть; ША для передачи сигнальной информации первичного доступа ISDN через пакетную сеть;
- MEGACO (H.248) для передачи информации, поступающей по системам сигнализации по выделенным сигнальным каналам (2ВСК). В настоящее время известны подобные реализации в части системы сигнализации R1; требований и приме ров реализации MEGACO для поддержки российской системы сигнализации R1.5 не существует.
- При взаимодействии с терминальным оборудованием:
- непосредственное взаимодействие с терминальным оборудованием пакетных сетей: SIP и Н.323;
- взаимодействие с оборудованием шлюзов, обеспечивающим подключение терминального оборудования ТфОП: MEGACO (H.248) для передачи сигнализации по аналоговым абонентским линиям; IUA для передачи сигнальной информации базового доступа ISDN.
- При взаимодействии с другими гибкими коммутаторами: SIP-T.
- При взаимодействии с оборудованием интеллектуальных плат форм (SCP): ШАР.
- При взаимодействии с серверами приложений: в настоящее время взаимодействие с серверами приложений, как правило, базируется на внутрифирменных протоколах, в основе которых лежат технологии JAVA, XML, SIP и др.
- При взаимодействии с оборудованием транспортных шлюзов:
- для шлюзов, поддерживающих транспорт IP или IP/ATM: H.248, MGCP, IPDC и др.;
- для шлюзов, поддерживающих транспорт ATM: BICC.
Подробно характеристики и особенности используемых протоколов
определены в п. 2.6.
Поддерживаемые интерфейсы.Как правило, оборудование гибкого коммутатора поддерживает следующие виды интерфейсов:
- интерфейс Е1 (2048 кбит/с) для подключения сигнальных каналов ОКС7, включаемых непосредственно в гибкий коммутатор;
- интерфейсы семейства Ethernet для подключения к IP сети. Через Ethernet-интерфейсы передается сигнальная информация в направлении пакетной сети.
Шлюзы (Gateways) - устройства доступа к сети и сопряжения с существующими сетями. Оборудование шлюзов реализует функции по преобразованию сигнальной информации сетей с коммутацией пакетов в сигнальную информацию пакетных сетей, а также функции по преобразованию информации транспортных каналов в пакеты IP/ячейки ATM и маршрутизации пакетов IP/ячеек ATM. Шлюзы функционируют на транспортном уровне сети.
Для реализации
возможности подключения к
- транспортный шлюз [Media Gateway (MG)] - реализация функций преобразования речевой информации в пакеты IP/ячейки ATM и маршрутизации пакетов IP/ячеек ATM;
- сигнальные шлюзы [Signalling Gateway (SG)] - реализация функции преобразования систем межстанционной сигнализации сети ОКС7 (квазисвязный режим) в системы сигнализации пакетной сети [SIGTRAN (MxUA)];
- транкинговый шлюз [Trunking Gateway (TGW)] - совместная реализация функций MG и SG;
- шлюз доступа [Access Gateway (AGW)] - реализация функции MG и SG для оборудования доступа, подключаемого через интерфейс V5;
- резидентный шлюз доступа [Residential Access Gateway (RAGW)] - реализация функции подключения пользователей, использующих терминальное оборудование ТфОП/ЦСИС, к мультисервисной сети.
Оборудование транспортного шлюза должно выполнять функции устройства, производящего обработку информационных потоков среды передачи.
Оборудование транспортного шлюза должно реализовывать следующий перечень обязательных функций:
- функцию адресации: обеспечивает присвоение адресов транспортировки IP для средства приема и передачи;
- функцию транспортировки: обеспечивает согласованную транспортировку потоков среды передачи между доменом IP и доменом сети с коммутацией каналов, включая, например, выполнение процедур преобразования кодировок и эхокомпенсации;
- функцию трансляции кодека: маршрутизирует информационные транспортные потоки между доменом IP и доменом сети с коммутацией каналов;
- функцию обеспечения секретности канала среды передачи: гарантирует секретность транспортировки информации в направлении к шлюзу и от шлюза;
- функцию транспортного окончания сети с коммутацией каналов: включает реализацию процедур всех низкоуровневых аппаратных средств и протоколов сети;
- функцию транспортного окончания сети пакетной коммутации: включает реализацию процедур всех протоколов, задействованных в распределении транспортных ресурсов, на сети пакетной коммутации, включая процедуры использования кодеков;
- функцию обработки транспортного потока с пакетной коммутацией/ коммутацией каналов: обеспечивает преобразование между каналом передачи аудио информации, каналом передачи факсимильной информации или каналом передачи данных на стороне сети с коммутацией каналов и пакетами данных (например, RTP/UDP/IP или ATM) на стороне сети пакетной коммутации;
- функцию предоставления канала для услуги: обеспечивает такие услуги, как передача уведомлений и тональных сигналов в направлении к сети с коммутацией каналов или к сети пакетной коммутации;
- функцию регистрации использования: определяет и/или регистрирует информацию о сигнализации и/или информацию о приеме или передаче сообщений, передаваемых в транспортных потоках;
- функцию информирования об использовании: сообщает внешнему объекту о текущем и/или зарегистрированном использовании (ресурсов);
- функцию ОАМ&Р: эксплуатация, управление (администрирование), техническое обслуживание и предоставление той информации, которая не нужна непосредственно для управления вызовом и может передаваться к системе управления элементами через логически отдельный интерфейс;
- функцию менеджмента: обеспечивает взаимодействие с системой менеджмента сети.
Оборудование сигнального шлюза должно выполнять функции посредника при сигнализации между пакетной сетью и сетью с коммутацией каналов.
Оборудование сигнального шлюза сигнализации должно реализовывать следующий перечень обязательных функций:
- функцию окончания протоколов уровня, располагающегося ниже уровня протокола управления вызовом сети с коммутацией каналов;
- функцию секретности сигнальных сообщений: обеспечивает секретность сигнальных сообщений в направлении к шлюзу и от шлюза;
- функцию ОАМ&Р: эксплуатация, управление (администрирование), техническое обслуживание и предоставление той информации, которая не нужна непосредственно для управления вызовом и может передаваться к системе управления элементами через логически отдельный интерфейс;
- функцию менеджмента: обеспечивает взаимодействие с системой менеджмента сети.
Основными характеристиками шлюзов являются следующие:
Емкость, определяемая как в направлении ТфОП, так и в направлении к пакетной сети.
В направлении
к ТфОП емкость определяется количеством
подключаемых потоков Е1 в направлении
сети ТфОП для транспортных шлюзов,
а также количеством аналоговых
абонентских линий и
В направлении к пакетной сети емкость определяется количеством и типом
интерфейсов. Например, емкость в направлении пакетной сети может составлять один интерфейс Ethernet 100BaseT или пять интерфейсов IMA с использованием потоков ЕЗ.
Производительность. Как правило, производительность является достаточной для обслуживания потоков вызовов, определяемых емкостными показателями оборудования.
Протоколы. Оборудование шлюзов может поддерживать следующие протоколы.
- Для транспортных шлюзов:
- в направлении к гибкому коммутатору: Н.248, MGCP, IPDC для управления вызовами при использовании транспортной технологии IP; BICC для управления вызовами при использовании транспортной технологии ATM;
- в направлении к другим шлюзам или терминальному оборудованию пакетной сети: RTP/RTCP при использовании транспортной технологии IP; PNNI или UNI при использовании транспортной технологии ATM.
- Для сигнальных шлюзов:
- в направлении к сети ТфОП: в зависимости от реализации возможна поддержка уровня МТР2 или МТРЗ системы сигнализации ОКС7. В первом случае сигнальный шлюз должен терминировать уровень МТР2 и передавать всю «вышестоящую» информацию в направлении гибкого коммутатора с использованием протокола M2UA. Во втором случае сигнальный шлюз должен терминировать уровень МТРЗ и передавать «вышестоящую» информацию в направлении гибкого коммутатора с использованием протокола M3UA;
- в направлении к гибкому коммутатору: в зависимости от используемых механизмов обработки ОКС7 могут поддерживаться M2UA или M3UA.
