Особенности проектирования мультисервисных сетей

А.И. Шопов

ОСОБЕННОСТИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ МУЛЬТИСЕРВИСНЫХ СЕТЕЙ

Ключевые слова: мультисервисные сети, конвергенция, телекоммуникационные операторы, трафик, провайдеры, IP-протокол, IP-коммуникации, инфокоммуникации.

Аннотация

Автор анализирует проблемы 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.

Не секрет, что нынешний этап развития общества характеризуется резким увеличением потоков информации. Так, в корпоративном секторе системы ERP и CRM, в последнее время внедренные на многих предприятиях, требуют обмена своевременной информацией между территориально распределенными подразделениями предприятия, а также между предприятием и поставщиками, смежниками, потребителями продукции. Неполная информация приводит к тому, что работа таких систем оказывается неэффективной. Для полного внедрения данных систем необходимы надежные, безопасные и обладающие достаточной полосой пропускания каналы связи.

На многих предприятиях организованы центры обработки информации (ЦОД) и Call-центры, все большей популярностью пользуются системы видеонаблюдения, IP-телефония, видеоконференцсвязь.

Среди домашних пользователей растет интерес к видеосвязи, IP-TV, более дешевой IP-телефонии. Да и требования к полосе пропускания возросли, так как с удешевлением стоимости трафика и появлением безлимитных тарифных планов появилась возможность «скачивать» большие объемы информации (кинофильмы, музыка, аудиокниги и т.д.).

В то же время существенно возросла конкуренция между операторами и Интернет -провайдерами, предоставляющими телекоммуникационные услуги.

Телекоммуникационным операторам приходится удовлетворять потребности клиентов в передаче разнообразного трафика и предоставлении большого спектра услуг, таких как:

• передача традиционного трафика телефонии;

• организация доступа в Интернет;

• передача трафика корпоративных сетей;

• объединение корпоративных сетей;

• организация видеоконференций;

• передача трафика ГР-телефонии;

• ГР-ТВ;

• видео по запросу.

Между тем стоит отметить, что каналы передачи данных, подходящие для предоставления одной услуги, не всегда подходят для предоставления другой. Увеличение объемов предоставляемых услуг заставляет операторов и провайдеров параллельно развивать несколько различных сетей. Это требует больших затрат и часто сопряжено со значительными техническими трудностями.

Растущие спрос и конкуренция на рынке телекоммуникаций заставляют операторов связи искать новые решения, которые позволят расширить спектр предлагаемых услуг, снизить расходы на сопровождение сети, повысить прибыльность и привлечь новых клиентов. Такие решения должны обеспечивать хорошую масштабируемость, быть

рассчитаны на быстрый рост клиентской базы и внедрение новых приложений, требующих поддержки функций качества обслуживания и значительной полосы пропускания.

Сегодня мировая телекоммуникационная отрасль находится в состоянии реконструкции, связанной с конвергенцией информационных и телекоммуникационных технологий, с переосмыслением базовых понятий и моделей. Единым знаменателем процесса зарождения и развития новой «инфокоммуникационной» отрасли является утверждение семейства IP-протоколов как единой технологической платформы.

Переход от сетей коммутации каналов к IP-сетям и превращение телекоммуникаций в IP-коммуникации (инфокоммуникации) трансформируют рынок связи в рынок инфокоммуникационных услуг, насыщенный большим количеством сервисов.

Термин «конвергенция» в данном случае означает смешение технологий по принципу «два, три... десять в одном».

Построение мультисервисных сетей (МСС) с интеграцией различных услуг является одним из наиболее перспективных направлений развития сетей связи, способным решить проблемы конвергенции информационных и телекоммуникационных технологий.

Основная задача МСС 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. То есть мультисервисная сеть - это инфраструктура, использующая единый канал связи для передачи разных типов трафика.

МСС позволяет провайдерам:

• уменьшить разнообразие типов оборудования;

• применять единые стандарты и единую кабельную систему;

• централизованно управлять коммуникационной средой;

• расширить спектр услуг;

• повысить прибыльности сети;

• сократить срок окупаемости сети;

• уменьшить совокупную стоимость владения сетью.

Для потребителей (абонентов) использование мультисервисных сетей означает:

• работу с единым провайдером;

• широкий спектр сервисов;

• удобное управление набором услуг;

• единая служба технической поддержки;

• единый счет оплаты услуг;

• и т.д.

При проектировании МСС разработчики сталкиваются с рядом трудностей, рассмотрим самые основные.

Во-первых, специфика операторской деятельности заключается в сохранении инвестиций и невозможности отказа от существующей телекоммуникационной инфраструктуры в пользу новых сред и технологий. Иными словами, новая мультисервисная технология должна легко адаптироваться под уже существующие инфраструктуры оператора, либо предусматривать возможность постепенной модернизации или перехода на новую инфраструктуру.

Во-вторых, при заключении договора с абонентом оператор берет на себя определенные обязательства по обеспечению оговоренного качества соединения и предоставляемых сервисов. То есть оператор должен обеспечивать определенный уровень качества обслуживания (QoS). Но так как разнородный трафик в мультисервисных сетях предъявляет различные требования к качеству обслуживания, то сеть оператора связи

должна поддерживать несколько уровней QoS, каждый из которых имеет набор нормированных параметров.

Третья проблема, которую необходимо решить провайдеру при внедрении МСС, -это разнородность среды передачи данных. Абонент должен получать заказанные сервисы с определенным качеством, не зависимо от того, где он находится и какая технология (xDSL, Ethernet, Wi-Fi и т.д.) используется им для доступа к сети провайдера.

Взаимное проникновение сетей различного назначения путем использования единых компонентов и совмещения выполняемых функций уже имеет достаточно богатую историю и часть проблем, стоящих перед проектировщиками МСС уже решены.

Среди традиционных технологий, которые призваны обеспечить интеграцию разнородного трафика в единых телекоммуникационных инфраструктурах прошлых лет, в первую очередь следует отметить технологии: ISDN (Integrated Services Digital Network), FR (Frame Relay) и ATM (Asynchronous Transfer Mode). И хотя сегодня эти технологии можно считать морально устаревшими, большинство основополагающих принципов и технических решений, которые были в них использованы впервые, остаются по-прежнему актуальными. Именно на их базе строятся современные мультисервисные сети.

Для реализации современных мультисервисных сетей необходима совершенно новая инфраструктура (рис. 1), состоящая из сетей доступа, сетей агрегации, транспортной сети (магистрали), головной станции, а также оконечных (клиентских) устройств и специализированного программного обеспечения.

Рисунок 1 - Схема инфраструктуры мультисервисных сетей

Магистраль

• Существующая кабельная инфраструктура - коаксиальный кабель, витая пара, телефонная проводка, оптическое волокно и т. д.

Если сеть доступа разворачивается на участках, где невозможно использовать существующую кабельную инфраструктуру, нужно серьезно задуматься о выборе технологии. Магистральные соединения предназначены для обеспечения высокоскоростной передачи данных между узлами мультисервисных сетей. В мультисервисных ЛВС вопросам построения эффективных магистральных соединений придается очень большое значение. Во многом это связано с тем, что характерными признаками МСС являются большие объемы передаваемых данных и высокие требования к скорости и надежности их доставки.

Мультисервисная транспортная магистраль должна отвечать следующим требованиям:

• масштабируемость, обеспечение развития сети с учетом возможного значительного роста;

• высокая скорость передачи данных;

• управляемость;

• надежность и возможность резервирования;

• безопасность информации;

• обеспечение требуемой полосы пропускания;

• обеспечение требуемого качества обслуживания (QoS) клиентов.

Важной характеристикой магистрали является ее протяженность. Поэтому для обеспечения необходимой полосы пропускания и устранения затухания сигнала наиболее предпочтительной средой передачи является оптический кабель. Впрочем, в некоторых случаях, возможно, более эффективно будет использование радиорелейных и инфракрасных линий.

Для обеспечения повышенной надежности и резервирования в транспортных сетях широко применяется топологическая модель кольца. Но при необходимости можно использовать и топологию типа "звезда" с резервированием каналов связи.

Базовыми магистральными технологиями на сегодняшний день являются следующие технологии:

• DWDM

• SDH

• ATM

• POS

• DPT

• Fast/Gigabit Ethernet

Сеть доступа

В сеть доступа инвестируется от 50% до 80% средств, поэтому правильный выбор технологий и вариантов построения сети чрезвычайно важен. Выбор той или иной технологии абонентского доступа зависит от многих факторов:

• Стоимость подключения в расчете на одного абонента.

• Простота подключения - фактор, определяющий доступность и быстроту подключения абонентов.

• Достаточная для абонента полоса пропускания или скорость передачи данных.

• Обеспечение требуемого качества обслуживания клиентов.

• Существующая кабельная инфраструктура - коаксиальный кабель, витая пара, телефонная проводка, оптическое волокно и т. д.

Если сеть доступа разворачивается на участках, где невозможно использовать существующую кабельную инфраструктуру, нужно серьезно задуматься о выборе технологии "последней мили". Основными технологиями, используемыми в сети доступа, являются:

• xDSL

• PON

• HFC

• LMDS/MMDS

• ИК-связь

• Ethernet/Fast Ethernet

Чаще всего для магистрали используется технология Gigabit Ethernet, для сети доступа - xDSL и Ethernet/Fast Ethernet.

Популярность этих технологий объясняется их следующими достоинствами:

• Относительно низкая стоимость оборудования.

• Высокая пропускная способность: 1/10 Гбит/с (Gigabit Ethernet) в транспортной магистрали и 8 Мбит/с (ADSL), 50 Мбит/с (VDSL) в сети доступа.

• Возможность использования существующей кабельной инфраструктуры в сети доступа.

• Высокая степень интеграции с существующими клиентскими сетями.

Следует отметить, что главным достоинством технологии ADSL, используемой в сети доступа, является возможность использования существующей кабельной инфраструктуры. Но при этом она имеет и ряд недостатков: не стабильное соединение, привязанность к устаревшей кабельной системе, относительно низкая пропускная способность (до 8 Мбит/с), слабая управляемость. Поэтому операторы стараются переключить своих абонентов на технологию Ethernet/Fast Ethernet, имеющую стабильное соединение, полосу пропускания до 100 Мбит/с и более гибкую в управлении.

Уже существуют и активно внедряются мультисервисные решения, позволяющие обеспечить сосуществование разнородных коммутационных подсистем в одной транспортной системе. Среди данных решений наиболее успешными и популярными являются сети Triple Play и Metro Ethernet.

Triple Play

Суть технологии «Triple Play» проста: подключившись единожды по каналу широкополосного доступа, абонент получает сразу три сервиса: высокоскоростной Интернет, цифровое телевидение и телефонию, или TCP/IP+IP-TV+VoIP. Три услуги -один провайдер, единый счет и единый сервисный центр в случае неполадок. При этом абонент может одновременно смотреть телевизор, по которому будет показываться или заказанный фильм, или любая из сотен существующих ТВ-программ, «бродить» по Сети и разговаривать по телефону. И все это - по одному проводу или радиоканалу.

Triple Play позволяет не останавливаться на каких-то одних сетях (например, на базе DSL) и определяется только доступом. Пользователи смогут получать данные как через проводные сети, так и через сети сотовой и спутниковой связи, Wi-Fi и т. д.

Решение содержит следующие основные компоненты:

• Магистраль - ядро сети, работающее на основе технологии IP/MPLS. Это обеспечивает поддержку услуг VPN, максимальную производительность сети, а также механизмы обеспечения ее отказоустойчивости.

• Сервисный узел - точка (точки) предоставления услуг.

• Сеть доступа - коммутируемая сеть доступа второго уровня. В настоящий момент проработаны решения на основе Ethernet-технологии (Ethernet-to-the-home, DSL-мультиплексоры с транковыми каналами Ethernet, LRE и т. д.).

• Клиентские устройства - включают в себя Ethemet-коммутаторы с поддержкой 802.1q и терминальные устройства (ПК, IP-телефоны, шлюзы, Set-top-box).

На рисунке 2 представлена общая схема сети Triple Play.

Магистраль состоит из совокупности высокопроизводительных маршрутизаторов, работающих по технологии IP/MPLS. Для обеспечения отказоустойчивости магистраль должна быть построена по топологически избыточной схеме (кольцо, частичная или полная связность).

Применение технологии MPLS на магистрали дает возможность организовывать и предоставлять услуги виртуальных частных сетей (VPN). Кроме клиентских VPN, на сети организованы служебные VPN, в частности для предоставления услуг IP-телефонии и Интернет.

Модель QOS на магистрали предполагает четырехуровневую структуру трафика:

1. VOICE-трафик реального времени. Включает клиентский голосовой (включая сигнальный) трафик, а также сетевой управляющий трафик оператора (BGP, OSPF, LDP). Выделяется полоса strict priotity в 20 % полосы магистрального канала;

2. VIDEO-трафик с гарантированной полосой и низким уровнем потерь (видео, мультикаст). Выделяется полоса bandwidth в 40-50 % полосы магистрального канала;

3. DATA-STD - клиентский приоритетный трафик с негарантированной полосой. Делит оставшуюся полосу с best-effort трафиком (см. п. 4). Включен WRED на основе DSCP, что позволяет клиенту использовать биты loss priority;

4. BE - интернетовский и клиентский неприоритетный трафик, а также трафик, превышающий разрешенные полосы вышеуказанных классов при входном полисинге.

Включен WRED на основе DSCP, что делает вероятность сброса этого класса большим, чем STD.

Но если говорить о конечном пользователе, очевидно, в условиях нашего рынка услуги видео, голоса и данных, объединенные в одном пакете от единого поставщика, еще трудно отнести к наиболее востребованным. В настоящее время самыми перспективными и продаваемыми широкополосными услугами в рамках Triple Play специалисты называют IP-телевидение и различные сервисы доставки по требованию - по сути, компонент IPTV.

Рисунок 2 - Общая схема сети Triple Play

MetroEthernet

Сети MetroEthernet предназначены для предоставления нового спектра коммерческих услуг передачи данных как для корпоративных, так и для домашних пользователей с максимальной зоной охвата в пределах города.

Технология, лежащая в основе архитектуры MetroEthernet, позволяет операторам связи предлагать наиболее широкий на сегодняшний день спектр услуг и быстро внедрять новые сервисы по мере их появления. Так, на рынке домашних абонентов это единственная технология, которая позволяет не только реализовать концепцию, объединяющую в одном пакете доступ в Интернет, IP-телефонию и интерактивное телевидение (IP TV), но и обладает достаточным запасом роста для внедрения перспективных услуг (например, услуги с самостоятельным управлением).

Для корпоративных клиентов, включая бюджетные организации, на базе архитектуры Metro Ethernet могут быть предложены такие услуги, как: видеонаблюдение, видеоконференция, высокоскоростной доступ в Интернет, услуги IP-телефонии, в том числе голосовые виртуальные частные сети и аренда виртуальной УПАТС, видеоуслуги и удаленное обучение.

Решение Metro Ethernet обеспечивает:

• мультисервисность и высокую надежность инфраструктуры, обеспечивающие поддержку соглашений об уровне обслуживания, необходимых для критичных приложений;

• низкую стоимость развертывания сети;

• исключительно низкую цену за Гбит/с;

• стандартный интерфейс с возможностью предоставления пакета услуг на одном клиентском порту (мультиплексирование сервисов);

• модульность и высокую плотность агрегации - решение рассчитано на быстрое внедрение в районах с высокой плотностью клиентов;

• отличную масштабируемость по количеству портов, производительности узлов и скорости каналов (до 80Гбит/с);

• единую технологию, механизмы сигнализации и управления для всей сети;

• максимальную автоматизацию управления сетью и активации услуг, поддержку средств самообслуживания клиентов.

Разработкой и стандартизацией технологий, используемых в архитектуре MetroEthernet, занимается одноименная организация Metro Ethernet Forum (MEF). Рассмотрим сервис-модель, предлагаемую MEF.

Транспортные технологии уровня магистрали:

• SONET/SDH

• ATM

• POS

• EoSDH

• WDM

• DPT/RPR

• Ethernet

Базовые контрольно-управляющие технологии.

• VLAN

• Q-in-Q

• STP

• OSPF

• MPLS

Традиционной физической средой передачи данных по магистральным сетям является оптическое волокно. Способы его применения классифицируют по названию точки сопряжения с потребителем и объединяют названием FTTx - оптоволокно до точки "x". Чаще всего применяется: FTTB (Fiber To The Building) - оптика до административного здания, FTTC (Fiber To The Curb) - до распределительного шкафа, FTTH (Fiber To The Home) - до жилого дома, FTTR (Fiber To The Remote) - до абстрактного выносного модуля.

На уровне сети доступа основой является Metro Ethernet Network (MEN) -городская Ethernet сеть, принадлежащая провайдеру. Клиентское оборудование Customer Equipment (CE) подключается к сети с помощью интерфейса User Network Interface (UNI), который представляет собой стандартный Ethernet.

Рисунок 3 - Схема уровня доступа сети Metro Ethernet

Для потребителя существует только Ethernet интерфейс (UNI), которым он подключается к провайдеру услуг. Транспортные технологии, обеспечивающие работу Metro Network, для него скрыты. Клиент получает проверенное, гибкое и масштабируемое решение.

Ключевым элементом модели является виртуальное соединение Ethernet - Ethernet virtual connection (EVC). EVC определяется как соединение двух и более UNI, по которым проходят данные в виде Ethernet фреймов.

MEF определяет два типа EVC: один-к-одному (point-to-point) и многие-ко-многим (multipoint-to-multipoint).

Также MEF определяет два типа базовых Ethernet сервисов: Ethernet Line service type (E-Line) и Ethernet LAN service type (E-LAN).

E-Line - обеспечивает соединения point-to-point (рис. 4). Аналог физических выделенных каналов или виртуальных выделенных каналов Frame Relay.

MEN

б)

СЕ Н

Рисунок 4 - Схема сервиса E-Line

E-LAN - поддерживает multipoint соединения (рис. 5). Подобен услуге прозрачных локальных сетей (TLS).

СЕ

Рисунок 5 - Схема сервиса E-LAN

Следует отметить, что применение технологий сети Intemet и Ethemet для построения МСС является далеко не бесспорным и отнюдь не безальтернативным, при создании этих популярных технологий в очень малой степени учитывалась возможность их использования для передачи специфических форм трафика МСС. Однако присущая технологиям сети Интернет и Ethemet возможность масштабирования, а также постоянно растущий объем инвестиций в соответствующие области телекоммуникационной индустрии обеспечивают возможность постоянной модернизации этих технологий и внедрения новых технических решений, расширяющих область их применения.