Особенности построения сетей доступа на базе технологии Ethernet для реализации различных сервисных моделей предоставления услуг

Особенности построения сетей доступа на базе технологии Е!Ьегпе! для реализации различных сервисных моделей предоставления услуг

Ключевые слова: надежность сети, резервирование, сервисная модель, каскад коммутаторов, уровень доступа, топология сети.

Узкое место современных домовых сетей — не скорость, низкий уровень сервиса или недостаточная безопасность, а недостаточная надежность, поэтому именно этот параметр можно назвать основным в оценке качества услуг Е!Ьете!-провайдера. Ключевым рассматриваемым вопросом является повышение надежности путем резервирования оборудования доступа. В основе метода лежит отказоустойчивость кольцевой топологии, которая применяется при построении высокоскоростных сетей уровня мегаполиса, или метро-сетей. Надежность сети для конечного пользователя определяется еще и надежностью сети уровня доступа, и чаще всего, отказы оборудования или повреждения оптических и медных кабелей происходят именно на этом уровне. Например, отсутствие какого-либо резервирования при отказе коммутатора или повреждении кабеля на первом коммутаторе в каскаде из нескольких устройств ведет к прерыванию связи на всех последующих устройствах. Этого можно избежать, соединив последний коммутатор одного каскада с последним коммутатором другого каскада доступа в том же районе. Для определения топологии и исключения петель предполагается использование стандартов 1ЕЕЕ 802.^ и 1ЕЕЕ 802.1<1 Такая схема применима как для сервисной модели Б-УЬДЫ, так и для модели С-УЬДЫ.

Кудрявцев К.В.,

Аспирант ФГУП ЦНИИС

Ярлыкова С.М.,

к.т.н., директор по науке ФГУП ЦНИИС Введение

Основным направлением развития большинства современных операторов связи и поставщиков услуг является переход от предоставления традиционных услуг высокоскоростного доступа к Интернету к новым приложениям. Переход к таким услугам требует обеспечить гарантированное выполнение установленных параметров QoS. Таким образом, новые услуги предъявляют определенные функциональные и технические требования к построению сетям связи. Необходимость реализации данных требований вынуждает операторов связи осуществлять миграцию существующих сетей, в том числе и сетей доступа, в направлении мультисервисной архитектуры сетей NGN.

При этом для обеспечения доступа к базовым и инфокоммуни-кационным услугам оператор связи должен владеть инфраструктурой, необходимой и достаточной для оказания таких услуг. Кроме того должна обеспечиваться техническая возможность подключения абонентов к сети связи, и инфраструктуры оператора сети доступа к иным сетям связи.

Для реализации доступа к инфокоммуникационным услугам связи требуется полоса пропускания, достаточная для передачи мультимедийного, "тяжелого" трафика. Поэтому требования к необходимой ширине полосы пропускания на уровне абонентского доступа определяются исходя из потребностей конкретных приложений, предоставляемого пакета услуг и числа пользователей, совместно использующих одно широкополосное подключение.

В рекомендациях ITU-T отмечается, что скорость передачи в широкополосном канале должна быть не ниже чем 2 Мбит/ с. Всем этим требованиям наилучшим образом отвечает технология Ethernet.

Кроме того, актуальность проблем, связанных с построением и эксплуатацией сетей доступа Ethernet, объясняется следующими факторами: во-первых, технические характеристики не могут обес-

печить современные требования к надежности связи и к качеству передачи информации; растут эксплуатационные расходы, и наконец, сети доступа становятся "узким горлом" при оказании новых видов инфокоммуникационных услуг, которые предполагают расширение пропускной способности.

1. Принципы сервисных моделей предоставления услуг в сетях доступа на базе технологии Ethernet

В современных сетях широкополосного доступа (ШПД) выбор наиболее подходящей модели доставки услуг, как правило, имеет далеко идущие последствия и во многом определяет величину капитальных и операционных затрат оператора на развитие сети, а так же, соответственно, ее последующую эксплуатацию.

Ethernet относится к классу широкополосных технологий доступа и обеспечивает скорость передачи данных от10 до 100 Мбит/с. Причем Ethernet в сочетании с VPN и VLAN применяется не только для подключения к Интернету, но и для создания распределенных корпоративных сетей.

Виртуальный сегмент локальной сети VLAN определяет границы широкополосного сети доступа Ethernet, изолирует доступ абонентов друг к другу, а также служит для снижения трафика в сети [1]. Для предоставления услуг могут применяться сервисный и клиентский VLAN.

Сервисный VLAN или S-VLAN используется для доставки отдельного сервиса всем подписчикам.

Клиентский VLAN или C-VLAN используется для доставки множества сервисов отдельному подписчику.

Эти методы! могут комбинироваться, например, для доставки трафика групповой рассылки IPTV используется S-VLAN, в то время как весь unicast-трафик доставляется каждому подписчику в рамках отдельного C-VLAN. В модели сервисного VLAN существует отдельный VLAN для каждой из услуг, например, для доступа в Интернет, IP-телефонии (VoIP), IP-телевидения (IPTV) и видео по запросу (VoD) [1].

Важной проблемой обслуживания VLAN в данном случае является то, что ни один сетевой элемент не может контролировать суммарный трафик в направлении отдельного абонента. Вместо этого фиксированная полоса пропускания должна быть выделена под

каждую услугу. Сервисная модель не позволяет менять заранее установленную схему распределения трафика на абонента, например, использовать дополнительную емкость полосы для скачивания данных вместо доставки SDTV-канала. Она также не позволяет использовать для просмотра дополнительного HDTV видеоканала полосу, выделенную для передачи данных, что может являться существенным недостатком, если принять во внимание растушую популярность формата HD. Все это ведет к необходимости построения надежных сетей доступа с достаточной полосой пропускания. Под надежностью понимают свойство сети выполнять заданные функции, в пределах требуемого промежутка времени и при соблюдении правил технического обслуживания. Соответственно, чем выше надежность, тем меньше число отказов связи для конечного пользователя.

2. Особенности построения сетей доступа на базе технологии Ethernet

Рассмотрим методы повышения надежности путем изменения топологии каскадов сетей доступа на базе технологии Ethernet.

Отметим, что для применения метода необходимо использование протокола распределенного связующего дерева. При появлении дополнительных коммутаторов или мостов для обеспечения резервирования соединений и повышения надежности сети, а так же зашиты от сбоев могут возникнуть кольцевые маршруты, следствием которых будет возникновение так называемой широковещательной лавины (broadcast storm) — чрезмерного количества широковещательных фреймов в сети. Чтобы избежать подобной ситуации, коммутаторы используют специальный протокол для взаимодействия друг с другом. Коммутатор посылает специальное сообщение, которое называется модулем данных мостового протокола (Bridge Protocol Data Units — BPDU), чтобы проинформировать остальные коммутаторы в сети о своем существовании. Коммутаторы используют алгоритм распределенного связующего дерева (Spanning Tree Algorithm — STA) для поиска и отключения резервных маршрутов. В результате обнаружения и исключения кольцевых маршрутов образуется иерархическое дерево без петель, однако альтернативные пути по-прежнему существуют на случай, если они понадобятся. В результате использования протокола STP создается режим работы коммутаторов и маршрутизаторов, который называется режимом с предотвращением кольцевых маршрутов.[3]

Сегмент концентрации сети доступа может быть построен несколькими способами. Базовый способ построения сети доступа предполагает использование классического каскада из коммутаторов доступа (см. рис. 1).

В данной ситуации при отказе коммутатора или повреждении кабеля на первом коммутаторе в каскаде ведет к потере связи на всех последующих устройствах.

Если взглянуть на проблему масштабнее, то можно расположить коммутаторы доступа таким образом, что последний коммутатор одного каскада можно будет соединить с последним коммутатором другого каскада, образовав петлю (рис. 2).

Рис. 2. Кольцевая топология каскадов

В случае невысокой плотности задействования портов на коммутаторах доступа, в целях экономии дорогостоящих портов BSR (РЕ маршрутизаторов, на которых терминируются абонентские подключения), можно построить иерархическую структуру, объединяя сегменты концентрации по схеме с объединением сегментов концентрации. (рис. 3).

При такой схеме подключения каскадов повышение надежности будет не столь значительным, как в при предыдущей, однако экономическая эффективность возрастет. При повышении в ходе эксплуатации утилизации оборудования, указанную схему можно трансформировать в предыдущую, переключая uplink порты коммутаторов концентрации непосредственно в BSR.

Смоделируем аварийную ситуацию: пропал линк между первым и вторым коммутатором доступа в одном из каскадов. В применяемом методе трафик поведет себя следующим образом. Трафик с коммутаторов, оказавшихся отрезанными от граничного коммутатора своего каскада будет направлен в сторону второго граничного коммутатора в том же кольце, тем самым связь с этими устройствами будет сохранена (рис. 4).

Обеспечение отказоустойчивости в кольце при авариях обеспечивается механизмами RSTP [IEEE 802.1w] и MSTP [IEEE 802.1s], таким образом, что при выходе из строя любого одного коммутатора или кабельного соединения между любыми двумя коммутаторами в каскаде, остальные коммутаторы остаются в работе и перерыв сервиса составляет не более нескольких секунд, требующихся на перестроение топологии каскадов.

При построении сети на базе сервисной модели C-VLAN на всех транзитных коммутаторах каскада настраивается протокол

Выводы

Показано, что, например, отсутствие какого-либо резервирования при отказе коммутатора или повреждении кабеля на первом коммутаторе в каскаде из десяти устройств ведет к прерыванию связи на всех десяти устройствах.

Как видим, отказоустойчивость может обеспечиваться за счет применения кольцевой топологии. Рассмотренные методы повышения надежности позволят эффективно повысить отказоустойчивость сетей и применимы в различных сервисных моделях предоставления услуг пользователям.

Литература

1. Модели доставки IPTV/Multiplay услуг в современных сетях широкополосного доступа. — http://www.linkc.ru/ar1ide.php?id=231.

2. Возможности современных коммутаторов по организации виртуальных сетей. http://www.compress.ru/article.aspx?id=10522&iid=430.

3. Программа сетевой академии Cisco CCNA 1 и 2. Вспомогательное руководство. Cisco Press Core Series. Вильямс, 2007.

4. Олифер НА., Олифер В.Г. Средства анализа и оптимизации локальных сетей. Центр Информационных Технологий, 1998.

5. Олифер В.Г, Олифер НА. Основы компьютерных сетей. — СПб.: Питер, 2009. — 352 с.

6. Филин Б.П. Методы анализа структурной надежности сетей связи. М.: Радио и связь, 1988.

7. Definitions of Managed Objects for Bridges with Traffic Classes, Multicast Filtering and Virtual LAN Extensions. RFC 2674, IETF, 1999.

8. ANSI/IEEE 802.1D-2004 standard, Institute of Electrical and Electronic Engineers, INC, 2004.

Features of building access networks based on Ethernet technology for the implementation of various service delivery models

Kudryavtsev K.V., Graduate student ZNIIS Yarlykova S.M., Ph.D., Director of Science ZNIIS

Abstract

The bottleneck of modern home networks — not speed, low level of service, or the lack of security and lack of reliability, so this parameter can be called the ultimate in assessing the quality of Ethemet-provider. A key issue under consideration is to improve reliability by reserving access equipment. The method is based fault tolerance ring topology, which is used in the construction of high-speed network-level metropolis or metro networks. Network reliability for the end user is also defined by the level of reliability of network access, and most often, equipment failure or damage to the optic and copper cables are taking place at this level. For example, the absence of a reservation failure the switch or cable fault in the first stage of switch devices lead to a termination of all subsequent communications devices. This can be avoided by connecting the switch last one stage to the last stage of another access switch in the same area. To determine the topology and avoid loops supposed to use standard IEEE 802.1w and IEEE 802.1d. This scheme is applicable to both the service model S-VLAN, and the model C-VLAN.

Keywords: network reliability, redundancy, service model, the cascade switches, access level, and network topology.

Рис. 4. Направление трафика при разрыве связи

GVRP (GARP VLAN Registration Protocol). В результате требования к сети VLAN распространяются по всей сети, что позволяет автоматически конфигурировать устройства, совместимые с протоколом GVRP, для групп сетей VLAN на основании одних только запросов хоста.[2] Таким образом пропадает необходимость в ручной конфигурации коммутаторов каскада при изменении топологии в результате аварии, что делает возможным использование рассмотренного метода как в сервисной модели Service-VLAN, так и в сервисной модели Customer-VLAN.