TELECOMMUNICATION HARDWARE AND SOFTWARE COMPLEX AND METHOD FOR ENSURING SEAMLESS INTEGRATION OF COMMUNICATION NETWORKS VIA AN IP NETWORK (VARIANTS)
ТЕЛЕКОММУНИКАЦИОННЫЙ ПРОГРАММНО-АППАРАТНЫЙ КОМПЛЕКС И СПОСОБ ДЛЯ ОБЕСПЕЧЕНИЯ БЕСШОВНОЙ ИНТЕГРАЦИИ СЕТЕЙ СВЯЗИ ЧЕРЕЗ IP СЕТЬ (ВАРИАНТЫ)

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Настоящее техническое решение относится к области вычислительной техники, в частности, к телекоммуникационному программно-аппаратному комплексу для обеспечения бесшовной интеграции сетей связи через IP сеть и вариантам способа для обеспечения бесшовной интеграции сетей связи через IP сеть.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Из уровня техники известно решение, выбранное в качестве наиболее близкого аналога, US 2013332619 A1, опубл. 12.12.2013. В данном решении раскрыт способ передачи данных между программно-определяемой сетью (SDN) и информационно-ориентированной сетью (ICN), при этом способ включает получение запроса от узла SDN для определенного именованного контента, хранящегося в ICN, причем запрос инкапсулируется в пакет Интернет-протокола (IP), осуществляют декапсуляцию IP-пакета с использованием стека IP-протоколов, осуществляют анализ запроса для получения имени определенного именованного контента, осуществляют поиск пути к сетевому устройству ICN, на котором размещен конкретный именованный контент, с использованием имени и пересылают пакет к сетевому устройству ICN по найденному пути.
В приведенном выше решении описывается метод взаимодействия между программно-определяемой сетью и информационно-ориентированной сетью, т.е. осуществляют переход от поиска и взаимодействия сетевых устройств не по IP адресам, а по конкретному содержимому.
Предлагаемое решение направлено на устранение недостатков современного уровня техники и отличается от известных ранее решений тем, что предложенный телекоммуникационный программно-аппаратный комплекс и варианты способа его работы позволяют осуществлять сопряжение комплекса с различными протоколами сопряжения и передачи данных и их дальнейшее сопряжение посредством IP-протокола. Предлагаемое решение дополнительно имеет возможность осуществлять оптимизацию данных под особенности сопрягаемого протокола для оптимального взаимодействия.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Технической задачей, на решение которой направлено заявленное решение, является создание телекоммуникационного программно-аппаратного комплекса для обеспечения бесшовной интеграции сетей связи через IP сеть и способа для обеспечения бесшовной интеграции сетей связи через IP сеть.
Технический результат заключается в упрощении интеграции сетей связи через IP сеть. Дополнительно, технический результат заключается повышении отказоустойчивости, упрощении конфигурирования, а также оптимизации стоимости построения и эксплуатации информационных сетей. Дополнительно, технический результат заключается во взаимной интеграции трафика между всеми возможными системами связи (в различных комбинациях).
Заявленный результат достигается за счет работы телекоммуникационного программно-аппаратного комплекса для обеспечения бесшовной интеграции сетей связи через IP сеть, который содержит:
блок сопряжения, состоящий из интерфейсной ячейки и ячейки управления, выполненный с возможностью сопряжения между различными оборудованиями и сетью Ethernet на физическом уровне, а также с возможностью обработки полученных данных;
по меньшей мере один коммутатор и по меньшей мере один маршрутизатор, выполненные с возможностью передачи IP пакетов на блок сопряжения и на конечные устройства;
протокольные шлюзы, выполненные с возможностью поддержания различных кодеков и протоколов связи и передачи данных, полученных от и на блок сопряжения в режиме реального времени.
В частном варианте реализации предлагаемого решения, комплекс дополнительного содержит по меньшей мере один пульт управления, выполненный с возможностью управления голосовыми соединениями, коммутацией каналов и абонентов, а также управлением некоторыми настройками комплекса.
Заявленный результат также достигается за счет способа для обеспечения бесшовной интеграции сетей связи через IP сеть, который содержит этапы, на которых:
осуществляют сопряжение оборудования через блок сопряжения посредством различных протоколов связи;
блок сопряжения получает данные от сопряженного оборудования;
на интерфейсную ячейку блока сопряжения поступают данные в формате, используемом в сопрягаемом оборудовании, где происходит преобразование полученных данных в унифицированную структуру данных, пригодную для обработки.
передают унифицированные данные по высокоскоростному интерфейсу из ячейки интерфейса блока сопряжения на ячейку управления блока сопряжения;
осуществляют обработку унифицированных данных в ячейке управления блока сопряжения;
осуществляют преобразование обработанных унифицированных данных в IP пакеты в ячейке управления;
оправляют IP пакеты на конечное оборудование, на блок сопряжения по сети Ethernet;
блок сопряжения получает IP пакеты и осуществляет передачу IP пакетов по сети Ethernet на ячейку управления, где происходит доработка данных для оптимальной работы с конечными протоколами и преобразование в унифицированную структуру данных и передача на ячейку интерфейсов;
в ячейке интерфейсов происходит преобразование унифицированных данных в протокол, по которому будет происходить сопряжение с конечным оборудованием.
Заявленный результат также достигается за счет способа для обеспечения бесшовной интеграции сетей связи через IP сеть, который содержит этапы, на которых:
осуществляют сопряжение оборудования через блок сопряжения посредством различных протоколов связи;
блок сопряжения получает данные от сопряженного оборудования;
на интерфейсную ячейку блока сопряжения поступают данные в формате, используемом в сопрягаемом оборудовании, где происходит преобразование полученных данных в унифицированную структуру данных, пригодную для обработки.
передают унифицированные данные по высокоскоростному интерфейсу из ячейки интерфейса блока сопряжения на ячейку управления блока сопряжения;
осуществляют обработку унифицированных данных в ячейке управления блока сопряжения;
осуществляют преобразование обработанных унифицированных данных в IP пакеты в ячейке управления;
оправляют IP пакеты на протокольные шлюзы, в которых происходит декодирование поступивших данных.
протокольные шлюзы отправляют обработанные данные на конечное оборудование по сети Ethernet.
ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Реализация изобретения будет описана в дальнейшем в соответствии с прилагаемыми чертежами, которые представлены для пояснения сути изобретения и никоим образом не ограничивают область изобретения. К заявке прилагаются следующие чертежи:
Фиг. 1 иллюстрирует функциональную схему предлагаемого решения. Поз. 1 – сеть протокольного взаимодействия, поз.2 – IP сеть, поз. 3 – протокольные шлюзы, поз. 4 – интерфейсные шлюзы.
Фиг. 2 иллюстрирует применение предлагаемого решения в телекоммуникациях.  Поз. 5 – оборудование комплекса (протокольные и интерфейсные шлюзы, коммутаторы, маршрутизаторы), поз. 6 – оборудование базовой станции, поз.7 – радиорелейное оборудование, поз. 8 – проводные и волоконно-оптические линии связи.
Фиг. 3 иллюстрирует применение предлагаемого решения в добывающей отрасли. Поз. 8 – трубопровод, поз. 9 – датчики для мониторинга состояния трубопровода, поз. 10, 11 – оборудование комплекса (оборудование для линий передачи данных, IP маршрутизации, протокольные и интерфейсные шлюзы,), поз. 12, 13 – АРМ (автоматизированное рабочее место) оператора, пульты служебной связи, поз.14 – проводные и волоконно-оптические линии связи.
Фиг. 4 иллюстрирует применение предлагаемого решения в промышленности. Поз. 15-17 – производственное оборудование, поз. 18 – оборудование комплекса (протокольные и интерфейсные шлюзы, коммутаторы, маршрутизаторы), поз. 19 – головной офис, поз. 20 – сеть Internet, поз. 21 – филиалы предприятия.
ДЕТАЛЬНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
В приведенном ниже подробном описании реализации изобретения приведены многочисленные детали реализации, призванные обеспечить отчетливое понимание настоящего изобретения. Однако, квалифицированному в предметной области специалисту, будет очевидно каким образом можно использовать настоящее изобретение, как с данными деталями реализации, так и без них. В других случаях хорошо известные методы, процедуры и компоненты не были описаны подробно, чтобы не затруднять излишне понимание особенностей настоящего изобретения.
Кроме того, из приведенного изложения будет ясно, что изобретение не ограничивается приведенной реализацией. Многочисленные возможные модификации, изменения, вариации и замены, сохраняющие суть и форму настоящего изобретения, будут очевидными для квалифицированных в предметной области специалистов.
Задачей предлагаемого технического решения является обеспечение интеграции всех возможных протоколов через IP сеть, то есть осуществляется сокращение необходимого числа шлюзов с факториального уровня до количества, равного числу поддерживаемых технологий. Уникальностью решения является то, что удалось сделать один универсальный шлюз, который легко сконфигурировать для поддержки нового вида сети, который имеет модульную конструкцию и является не дорогим.
Для повышения отказоустойчивости, упрощения конфигурирования, а также оптимизации стоимости построения и эксплуатации информационных сетей, актуальной является задача бесшовной интеграции разнообразных сетей между всеми возможными системами связи (в различных комбинациях).
Технология позволяет обрабатывать трафик в реальном времени, чувствительный к джиттеру и задержкам. Принцип работы заключается в передаче данных между протоколами любого типа через IP-сеть, являющийся наиболее оптимальным способом с гарантированными временными и скоростными параметрами.
На данный момент в рамках многих отраслей (ЖКХ, транспорт, промышленность, связь и т.д.) существует множество специализированных протоколов и стандартов передачи информации и услуг на различных сетевых уровнях. Особенно их число увеличилось с распространением устройств и технологий IoT и smart meters.
Такое разнообразие обусловлено, во-первых, принятыми в различных областях промышленными стандартами, ориентированными на разные физические уровни передачи, видами трафика (телеметрия, управление, данные, голос, видео, сообщения и др.), протоколами предоставления услуг связи различных сетевых уровней (включая доставку и кодирование информации, маршрутизацию, сигнализацию и т.п.), объемами информации. Во-вторых, организационными факторами развития и внедрения технологий связи в отдельных отраслях (например, регуляторные ограничения и контроль доступа).
Например, одних только протоколов (стандартов) промышленной автоматики в настоящее время применяется более 30 штук (HART, Foundation H1, RS-232, CompoNet, CC-Link, RS-485, CAN, DeviceNet, Interbus, Modbus, ProfiBus и т.д.). Количество стандартов, используемых в ТфОП или VoIP, учитывая все сетевые уровни, также несколько десятков. Стандарты интернета вещей: 6LoWPAN, ZigBee, Thread, BLE 4.2, Z-Wave, Bluetooth, Wi-Fi, Ethernet, IPv4, IPv6 и др. Кроме того, в WAN сегменте могут использоваться различные технологии передачи информации, привязанные к существующим линиям связи: xDSL, UTP Ethernet, PON, WLAN и др.
Существуют и другие области применения, где производится генерация, передача, обработка и вывод информации со своими специфичными стандартами и технологиями (например, сети управления реального времени, пожарно-охранные системы и др.).
Каждый интерфейс, линия связи, протокол передачи информации определен группой международных и отечественных стандартов, которые описывают один или несколько сетевых уровней. Вследствие этого возникают четкие требования к медиасреде передачи информации, через которую сопрягаются эти интерфейсы, линии связи и протоколы на каждом сетевом уровне (согласно сетевой модели OSI). В программно-аппаратном комплексе в качестве медиасреды передачи информации используется IP сеть. Оборудование комплекса позволяет оптимально подобрать параметры передачи информации через IP сеть для каждого интерфейса, линии связи и протокола передачи данных.
Основные возможности по оптимизации параметров медиасреды следующие:
приоритезация трафика на канальном уровне (поле PCI в тегированном заголовке VLAN);
приоритезация трафика на сетевом уровне (поле DSCP в заголовке IP пакета);
статическая и динамическая настройка джиттер-буффера;
настройка размера пакета передачи;
настройка полосы пропускания виртуального канала;
оптимальный выбор среды передачи физического уровня (витая пара, ВОЛС, радиоканал);
оптимальный выбор протокола канального уровня (PPP, Ethernet, DSL);
оптимальный выбор протокола сетевого уровня (IPv4, IPv6, IPsec);
оптимальный выбор протокола транспортного и более высоких уровней (UDP, TCP, RTP);
оптимальный выбор способа передачи информации (прозрачная передача, передача с преобразованием информации, потоковая передача, передача с подтверждением, передача по запросу);
настройка параметров медиасреды под общесетевые требования (IS-IS, OSPF, NLSP, HSRP, CARP, OLSR, TBRPF).
Телекоммуникационный программно-аппаратный комплекс, обеспечивает бесшовную интеграцию современных сетей связи, построенных на различных технологиях, множество промышленных и нестандартных отраслевых протоколов передачи данных, речи, телеметрии и других видов информации, тем самым обеспечивая универсальное и недорогое решение вышеуказанных задач.
Телекоммуникационный программно-аппаратный комплекс, содержит: блок сопряжения, состоящий из интерфейсной ячейки и ячейки управления, по меньшей мере один коммутатор и по меньшей мере один маршрутизатор, протокольные шлюзы, а также опционально по меньшей мере один пульт управления.
Пульты управления могут использоваться как операторами, так и администраторами сети для голосовой связи, в качестве оконечного устройства.
Интеграция обеспечивается на всех уровнях сетевого взаимодействия.
Блок сопряжения выполнен с возможностью сопряжения между различными оборудованиями и сетью Ethernet на физическом уровне, а также с возможностью обработки полученных данных.
Коммутаторы и маршрутизаторы осуществляют сопряжение устройств на сетевом и канальном уровне.
Протокольные шлюзы необходимы для поддержания различных кодеков и протоколов связи и передачи данных в реальном времени от и на по меньшей мере один блок сопряжения (RTP, G.711; G.722; G.723; G.726; G.729; PCM16).
Принцип работы комплекса заключается в передаче данных между протоколами любого типа через IP-сеть наиболее оптимальным способом с гарантированными временными и скоростными параметрами.
Разработанный программно-аппаратный комплекс построен на основе программируемых микросхем (FPGA), микроконтроллеров (MCU), цифровых сигнальных процессорах (DSP), а также собственного программного обеспечения, которое позволяет сконфигурировать протокольные шлюзы сопряжения под любой новый протокол, Конфигурирование под новый протокол осуществляется либо путем доработки программного обеспечения, либо если помимо программной доработки требуется аппаратная доработка интерфейсной ячейки. Например, если поддерживался ранее протокол RS-485, то для поддержки протокола RS-422 будет достаточно доработать программное обеспечение. Если необходимо поддержать протокол CAN, то это уже может потребовать незначительных аппаратных доработок.
Использование таких стандартизированных элементов в программно-аппаратном комплексе позволяет обеспечить:
1. модульность, и, как следствие, широкую область применения;
2. низкую стоимость внедрения;
3. безопасность передачи информации и снижение вероятности появления уязвимостей и ошибок при добавлении новых протоколов.
В одном из вариантов реализации предлагаемого решения на первом этапе осуществляют сопряжение с оборудованием через блок сопряжения посредством различных протоколов связи.
Блок сопряжения получает данные от сопряженного оборудования, где на интерфейсную ячейку блока сопряжения поступают данные в формате, используемом в сопрягаемом оборудовании. На интерфейсной ячейке блока сопряжения происходит преобразование полученных данных в унифицированную структуру данных, пригодную для обработки. Преобразование происходит в несколько этапов: сперва при помощи микросхем-драйверов физические параметры сигнала приводятся в состояние, пригодное для обработки микроконтроллером, после чего уже происходит преобразование полученных данных к необходимому формату в микроконтроллере ячейки интерфейсов.
Передают унифицированные данные по высокоскоростному интерфейсу (например, но не ограничиваясь, SPI, USB, I2C) из ячейки интерфейса блока сопряжения на ячейку управления блока сопряжения.
Осуществляют обработку унифицированных данных в ячейке управления блока сопряжения. Обработка различается в зависимости от типа входных данных. Например, для стыка С1-ФЛ происходит разбиение потока данных на блоки, в то время как для телефонии помимо разбиения осуществляется поддержка SIP-сервера, сигнализация и т.д.
Осуществляют преобразование обработанных унифицированных данных в IP пакеты в ячейке управления, а именно происходит разбиение данных на блоки данных и инкапсуляция этих частей в IP пакеты, путем добавления к данным необходимой служебной информации, включающей стартовые биты (преамбулу), заголовки (headers), прицеп (trailer) и полезную нагрузку (payload).
Оправляют IP пакеты на конечное оборудование, на блок сопряжения (например, на другой блок сопряжения) по сети Ethernet.
Блок сопряжения получает IP пакеты и осуществляет передачу IP пакетов по сети Ethernet на ячейку управления блока сопряжения конечного оборудования, где происходит доработка данных для оптимальной работы с конечными протоколами, преобразование в унифицированную структуру данных и передача на ячейку интерфейсов.
В ячейке интерфейсов блока сопряжения конечного оборудования происходит преобразование унифицированных данных в протокол, по которому будет происходить сопряжение с конечным оборудованием.
Такая структура позволяет обеспечить модульность оборудования и скорость обработки с заданными параметрами. Дополнительно, подобная структура позволяет обеспечивать быстрое сопряжение с новыми протоколами в короткие сроки, т.к., в зависимости от оборудования, для сопряжения необходимо либо написание программного драйвера обработки, либо незначительные доработки в ячейке интерфейсов. Дальнейшая обработка унифицированных данных осуществляется в ячейке управления и не зависит от изменений, произведенных в ячейке интерфейсов.
Кроме того, за счет модульной структуры комплекса, где каждый модуль может взаимодействовать друг с другом, получается эффект в наращивании функций.
Фиг.1 иллюстрирует пример варианта способа для обеспечения бесшовной интеграции сетей связи через IP сеть.
На первом этапе осуществляют сопряжение с оборудованием через блок сопряжения посредством различных протоколов связи.
Блок сопряжения получает данные от сопряженного оборудования, где на интерфейсную ячейку блока сопряжения поступают данные в формате, используемом в сопрягаемом оборудовании. На интерфейсной ячейке блока сопряжения происходит преобразование полученных данных в унифицированную структуру данных, пригодную для обработки.
Передают унифицированные данные по высокоскоростному интерфейсу из ячейки интерфейса блока сопряжения на ячейку управления блока сопряжения.
Осуществляют обработку унифицированных данных в ячейке управления блока сопряжения, как описано выше.
Осуществляют преобразование обработанных унифицированных данных в IP пакеты в ячейке управления, как описано выше.
Оправляют IP пакеты на протокольные шлюзы, в которых происходит декодирование поступивших данных (например, протокол SIP).
Протокольные шлюзы отправляют обработанные данные на  конечное оборудование по сети Ethernet.
Отправляют обработанные протоколы по сети Ethernet на конечное оборудование.
Пример бесшовной интеграции сетей связи через IP сеть.
Есть модуль шлюза [RS-232<=>Ethernet/IP].
Добавляем в сеть модуль шлюза [E1<=>Ethernet/IP].
Автоматически, без дополнительных усилий получаем мультиплексор RS-232<=>E1
Устанавливаем в модуль шлюза [E1<=>Ethernet/IP] программную опцию VoIP шлюза
Получаем транковый шлюз SIP<=>EDSS, совмещенный с мультиплексором.
Из примера видно, что общий функционал равен не сумме функций каждого отдельного модуля шлюза, а их произведению. При этом функционал каждого отдельного модуля шлюза также остается доступен.  Все гибко настраивается штатным программным обеспечением. Оборудование работает в широком температурном диапазоне (от -40 до +55°C).
Далее будет описан пример со ссылкой на Фиг.3, которая иллюстрирует применение предлагаемого решения в добывающей отрасли. Телекоммуникационный-программный комплекс, посредством блока сопряжения сопрягается с датчиками для мониторинга трубопровода.
Информация с датчиков для мониторинга состояния трубопровода (поз.9) поступает на интерфейсную ячейку блока сопряжения по интерфейсу CAN.
В интерфейсной ячейке блока сопряжения осуществляют преобразование данных из интерфейса CAN в универсальную структуру данных. Унифицированная структура данных представляет собой двоичный код, содержащий полезную информацию с датчиков и не содержащий различную служебную информацию.
Осуществляют передачу данных на ячейку управления блока сопряжения по высокоскоростному интерфейсу SPI, где осуществляют преобразование полученных данных и инкапсуляцию данных в IP пакеты.
Передают полученные IP пакеты в коммутатор или маршрутизатор. С маршрутизатора/коммутаторы данные поступают на оконечное устройство (АРМ оператора), либо передаются на линии передачи данных (Волоконно-оптические, проводные, радиорелейные и т.д.).
Данный подход заключается в интеграции всех возможных протоколов через IP сеть. Преобразование трафика реализовано на аппаратном уровне с программным управлением и конфигурацией и, за счет этого, происходит в реальном времени. Это позволяет обрабатывать трафик реального времени, чувствительный к джиттеру и задержкам. Модульность обеспечена за счет использования стандартизированных элементов, что помимо широкой области применения обеспечивает низкую стоимость и меньшие сроки проектирования и внедрения относительно конкурентов.
Таким образом, базовая технология позволяет интегрировать любые интерфейсы или протоколы сетей связи между собой. Каждый модуль шлюза является функционально законченным устройством, предназначенным для определенного вида коммутации. Они могут использоваться как отдельно, так и в комплексе – то есть несколько различных модулей при соединении выполняют функции мультиплексора для любого вида взаимной коммутации и образуют единую информационную сеть без дополнительных затрат, что является явным синергетическим эффектом.
В настоящих материалах заявки было представлено предпочтительное раскрытие осуществление заявленного технического решения, которое не должно использоваться как ограничивающее иные, частные воплощения его реализации, которые не выходят за рамки испрашиваемого объема правовой охраны и являются очевидными для специалистов в соответствующей области техники.