Абонентское сетевое устройство с виртуализированными сетевыми функциями

Полезная модель относится к системам передачи данных, в частности к системам с использованием виртуализации абонентских сетевых устройств (vCPE).
Операторы связи ищут новые пути генерации потоков прибыли, более гибкой организации предоставления услуг, сокращения затрат на обслуживание инфраструктуры и автоматизации управления. Ответом на подобные потребности является концепция NFV (Network Function Virtualization) - виртуализация сетевых функций. Разработчики решений пытаются предложить операторам новые бизнес-кейсы, которые бы сделали применение технологии экономически эффективным. Среди потенциально привлекательных кейсов выделяется vCPE (virtual Customer Premises Equipment или «виртуализация абонентских сетевых устройств»).
Одним из основных подходов к внедрению vCPE является Edge модель, где все виртуальные функции размещаются на стороне клиента на недорогом устройстве (микро-сервере с достаточным количеством Ethernet-портов), который является локальной NFV инфраструктурой (NFVI) для конкретного заказчика. При использовании подхода с созданием небольшой виртуальной инфраструктуры на клиентских устройствах не нужно огромного пула ресурсов и затраты появляются только в тот момент, когда клиент заказывает услугу.
Наиболее близким техническим решением, отвечающим требованиям виртуализации абонентских сетевых устройств, является устройство, описанное в статье «Оценка эффективности архитектур сетевых процессоров» (Грищенко В.И., Ладыженский Ю.В., Юнис М. Основные направления развития современных сетевых процессоров / Д.Д. Моргайлов, Ю.В. Ладыженский, М. Юнис // Науковi працi ДонНТУ. - Донецк, 2011. - (Серия «Iнформатика, кiбернетика та обчислювальна технiка»). - №14 (188). - с. 123-127.) - прототип.
Данное устройство содержит микроконтроллер, постоянное запоминающее устройство, оперативное запоминающее устройство, связанные шиной с микроконтроллером, порты ввода информации, соединенные шиной адреса и данных с микроконтроллером.
Цель полезной модели - расширение функций устройства и обеспечение его безопасности.
Поставленная цель достигается тем, что в устройство, содержащее микроконтроллер, постоянное запоминающее устройство, оперативное запоминающее устройство, связанные шиной с микроконтроллером, порты ввода информации, соединенные шиной адреса и данных с микроконтроллером, дополнительно введены
блок Wi-Fi, блок индикации, GPS Tracker, соединенные шиной адреса и данных с микроконтроллером,
датчик температуры окружающей среды, датчик температуры системы охлаждения, выходы которых соединены с входами соответствующих портов ввода информации,
модуль высокоскоростной обработки пакетных данных с неблокируемой высокоскоростной матрицей коммутации на базе ПЛИС (FPGA), первый вход/выход которого связан шиной с микроконтроллером,
приемо-передающие модули Ethernet, первые входы/выходы которых соединены шиной со вторыми входами/выходами модуля высокоскоростной обработки пакетных данных с неблокируемой высокоскоростной матрицей коммутации на базе ПЛИС (FPGA),
порты ввода/вывода информации, первые входы которых соединены со вторыми входами/выходами приемопередающих модулей Ethernet, а вторые входы/выходы являются входами/выходами устройства.
Сравнение с прототипом показывает, что заявляемое устройство отличается наличием новых блоков и их связями между ними. Таким образом, заявляемая система соответствует критерию «новизна».
Сравнение заявляемого решения с другими техническими решениями показывает, что перечисленные элементы, используемые в блоках, являются известными, однако их введение в указанной связи с остальными элементами приводит к расширению функциональных возможностей устройства. Это подтверждает соответствие технического решения критерию «существенные отличия».
На фиг. 1 представлена блок-схема предлагаемого устройства, на фиг. 2 - раскрыта структура GPS Tracker.
Устройство включает: микроконтроллер 1, модуль высокоскоростной обработки пакетных данных с неблокируемой высокоскоростной матрицей коммутации на базе ПЛИС (FPGA) 2, постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) 3, оперативное запоминающее устройство (ОЗУ) 4, порты ввода информации 5, блок Wi-Fi 6, шину адреса и данных 7, блок индикации 8, GPS Tracker 9 в составе: GPS антенны 9-1, GSM антенны 9-2, GPS-модуль приема и определения координат 9-3, GSM-приемопередающего модуля 9-4, блока контроля и памяти 9-5, считывателя SIM-карты 9-6, порта программирования 9-7, датчика вскрытия 9-8; датчик температуры окружающей среды 10, датчик температуры системы охлаждения 11, приемопередающего модуля Ethernet 12, 13; портов ввода/вывода информации 14.
Предлагаемое устройство работает следующим образом.
Для подключения удаленных офисов, подразделений и т.п., имеющих собственную локальную сеть, с применением сервисов точка-точка, точка-многоточка и многоточка-многоточка необходима установка специального оборудования, размещаемого на стороне заказчика, однако обслуживаемого централизованно (например, поставщиком услуги или центральным офисом). В этом случае наиболее современным подходом является внедрение концепции SDN/SD-WAN и поддержка сервисов NFV, внедряемых централизованно (например, в дата-центре оператора) или распределено (как на vCPE, так и на опорной сети, и в дата-центре).
Внедрение NFV позволит операторам и крупным корпоративным заказчикам трансформировать сетевую инфраструктуру за счет отказа от использования специализированного сетевого оборудования в пользу полностью программных и виртуализированных решений.
Для применения технологии NFV необходима виртуализация абонентского оборудования путем использования vCPE. При подключении нового клиента, помимо установки демаркационного устройства, которое разделяет сеть клиента и сеть оператора, перед сервис-провайдером часто возникает задача реализации дополнительных функций - например, для контроля и управления соединениями и трафиком, решения бизнес-задач клиента и т.д. Так, многим корпоративным заказчикам требуются такие дополнительные функции, как межсетевой экран (Firewall), поддержка VPN и защита от DDoS.
Для того чтобы реализовать такие сервисы сегодня, нужно доставить, установить, настроить, а затем еще и обслуживать соответствующее оборудование на стороне клиента. NFV помогает решить эту задачу гораздо более эффективным образом, а именно за счет виртуализации сетевых функций в программных приложениях, которые можно запустить как на обычных серверах, так и на виртуальных машинах, работающих на этих серверах. В этом случае оператор может, используя лишь одно сетевое интерфейсное устройство для разграничения трафика, «разместить» все остальные функции, такие как межсетевой экран, на своей территории, а для упрощения сети и управления ею, в частности для построения цепочек сервисов, внедрить SDN.
Основное назначение предлагаемого устройства - построение сети архитектуры SD-WAN операторами связи и для корпоративных сетей. Для этого используются устройства vCPE, устанавливаемые на стороне сети заказчика и позволяющие реализовывать SDN подход к управлению сетями и внедрению сервисов согласно идеологии NFV.
Для реализации абонентского сетевого устройства с виртуализированными сетевыми функциями (vCPE) взята известная структура построения сетевых процессоров (прототип) с центральным процессором (CPU) 1, связанным шиной адреса и данных 7 с портами ввода информации 5, и шинами с постоянным запоминающим устройством (ПЗУ) 3 и оперативным запоминающим устройством (ОЗУ) 4. CPU 1 также связан шиной с неблокируемой высокоскоростной матрицей коммутации на базе ПЛИС (FPGA) 2. Использование микросхем FPGA 2 дает необходимую гибкость при разработке аппаратной логики обработки сетевого трафика, а также возможность реализации дополнительного функционала при изменении конкурентной среды без изменения архитектуры устройства.
Входы портов ввода информации 5 (фиг. 1) соединены с датчиками температуры окружающей среды 10 и температуры системы охлаждения vCPE 11, что позволяет контролировать через CPU 1 температурный режим работы устройства. Кроме этого, шина адреса и данных 7 соединена с блоком Wi-Fi 6, обеспечивающим беспроводный мониторинг состояния устройства, с блоком индикации 8 и с GPS Tracker 9, предназначенным для фиксирования несанкционированных действий с устройством (взлом, кража и т.п.). Работу этой части устройства контролирует CPU 1.
Приемопередающие модули Ethernet (PHY) 12, 13 - интегральная схема, предназначенная для выполнения функций физического уровня сетевой модели OSI.
Микросхемы PHY позволяют другим микросхемам канального уровня, называемыми MAC, подключиться к физической среде передачи, такой как оптическое волокно или медный кабель. Стандартный микрочип PHY включает в себя модули подуровня физического кодирования (PCS, Physical Coding Sublayer) и подуровня среды передачи (PMD, Physical Medium Dependent). Модуль подуровня физического кодирования выполняет функции кодирования и декодирования передаваемого и принимаемого потока данных. Целью кодирования является упрощение процесса восстановления потока данных приемником.
Работа GSM Tracker 9.
GSM Tracker монтируется в абонентский коммутатор. Он относится к системам тревожной сигнализации и применяется при поиске и контроле за несанкционированным перемещением устройства vCPE (например, кража).
Используются глобальная система позиционирования GPS и система мобильной связи GSM.
Общие принципы работы GSM Tracker следующие: GPS-приемник 9-3 принимает информацию со спутников глобальной системы позиционирования, эта информация обрабатывается блоком вычисления координат и поступает в микропроцессорный блок контроля и памяти 9-5. По командам блока контроля и памяти 9-5 с помощью GSM-приемопередатчика 9-4 сообщение о несанкционированном перемещении коммутатора передается по сети мобильной связи в центр мониторинга и контроля. Информация передается в виде SMS сообщений или в режиме передачи данных (Data Transfer Mode), а идентификация автономных абонентских коммутаторов производится по SIM-карте (Subscriber Identification Module). С точки зрения минимизации затрат на функционирование системы наиболее целесообразно использовать службу GPRS (General Packet Radio Service).
Модуль GSM 9-4 предназначен для передачи информации о координатах абонентского коммутатора, полученных с модуля GPS 9-3, на мобильный телефон или компьютер комплексного центра мониторинга и контроля. Модуль работает в 4-х диапазонах частот: 850/900/1800/1900 МГц.
В случае несанкционированного использования устройства срабатывает датчик вскрытия и в центр мониторинга и контроля поступает тревожная информация.
GPS Tracker позволяет определить текущее местоположение абонентского коммутатора с точностью до 2,5 метров, а также просмотреть через специальное интернет-приложение пройденный объектом путь за определенный отрезок времени.
GPS Tracker оснащается несколькими модулями, обеспечивающими его эффективную работу. К основным конструктивным элементам относятся:
1. Приемник спутникового сигнала от навигационных систем GPS (США) и/или ГЛОНАСС (Россия) 9-3, позволяющий определить пространственные координаты объекта.
2. Приемопередающий модуль GSM 9-4, обеспечивающий пакетную отправку данных обычно посредством GPRS-соединения или SMS сообщений.
3. Блок контроля и памяти 9-5, в котором хранятся данные.
4. Встроенная антенна GPS 9-1 и GSM 9-2.
5. Считыватель SIM карты 9-6.
6. Порт программирования 9-7.
7. Датчик несанкционированного доступа 9-8.
Эффективный контроль обеспечивается целым комплексом аппаратных и программных средств.
Таким образом, предлагаемое сетевое устройство с виртуализированными сетевыми функциями осуществляет выполнение виртуализации абонентского оборудования и контроль его безопасности.