Глава 9.

Базовые сети телекоммуникационных систем

Во 2-й главе была приведена модель телекоммуникационной системы (рисунок 9). Одну из ее составляющих — сеть доступа — мы рассмотрели в предыдущей главе. В этой главе будет рассмотрена другая составляющая модели — базовая сеть.

В базовой сети обычно выделяют три слоя: слой среды переда­чи; слой передачи; слой коммутации (маршрутизации).

Слой среды передачи представляет собой преимущественно оптическую транспортную сеть OTN (Optical Transport Network). Основная технология слоя передачи — оптические технологии пере­дачи. Перспективы развития волоконной оптики и оптических техно­логий передачи достаточно подробно рассматривались выше. Из приведенной в главе 6 информации можно сделать вывод, что про­пускная способность слоя передачи достигает сотен терабит в секун­ду. При таких больших пропускных способностях стоимость единицы трафика становится практически независимой от расстояния (стои­мость пропорциональна расстоянию в степени 0,156). В литературе эту тенденцию часто называют «феномен смерти расстояний» [42].

В этой главе мы более подробно остановимся на коммутации (маршрутизации) цифровых потоков в базовых сетях телекоммуника­ционных услуг.

Известно, что потребности большинства пользователей не пре­вышают 8 Мбит в секунду. Поэтому, на первый взгляд, кажется, что достаточно обеспечить коммутацию этих потоков в единой оптической системе, и все проблемы решены. На самом деле все обстоит значи­тельно сложнее. Во-первых, пока не созданы промышленные оптиче­ские коммутаторы большой емкости. Во-вторых, до полностью опти­ческой транспортной сети еще очень и очень далеко. В-третьих, и, наверное, это самое главное, очень широко распространилась ком­мутации пакетов, технологии которой стали основой слоя коммута­ции (маршрутизации). Наиболее востребованными сегодня являются технология коммутации ячеек (ATM) и технология, базирующаяся на стеке IP-протоколов.

Технология ATM (Asynchronous Transfer Mode) представляет собой технологию, основанную на формировании, передаче и комму-

тации коротких пакетов постоянной длины, именуемых ячейками [15]. Технология ATM использует асинхронное мультиплексирование разделенных временных интервалов. Базовым транспортным элементом протокола ATM является информационный блок фиксиро­ванной длины ячейки. Ячейка содержит заголовок (5 байт) и инфор­мационное поле. Основное назначение заголовка — идентифициро­вать ячейки, принадлежащие конкретному виртуальному каналу вну­три мультиплексированных временных интервалов. Технология ATM позволяет унифицировать доступ к транспортной сети различных источников информации, гибко использовать сетевые ресурсы, осу­ществлять автоматическую коммутацию и маршрутизацию потоков информации, обеспечить динамическое выделение полосы пропуска­ния по запросу.

Сеть ATM может сочетать в себе функции первичной и вторич­ной сетей, поддерживать функции коммутации и маршрутизации нагрузки. На базе сети могут создаваться различные телематические службы, ориентированные на предоставление услуг конкретным пользователям. Назовем основные преимущества этой технологии: предсказуемость характеристик, справедливое распределение полосы пропускания, возможность установления QoS, большой выбор оборудования различных производителей.

В настоящее время технология ATM нашла применение в раз­личных странах, но взрывного распространения не получила по ряду причин, в том числе из-за высокой стоимости.

Технология IP (Internet Protocol) сегодня осуществляет триумфаль­ное шествие по всему миру, активно вытесняя другие технологии, в том числе и технологию ATM. IP-протоколам и возможностям технологии посвящено огромное количество литературы, но новые решения возни­кают быстрее, чем книги и журналы выходят из печати. Рожденные для сети Интернет, протоколы семейства IP сегодня применяются во всех сетевых сегментах, используются как в фиксированных, так и мобиль­ных сетях. Технология IP поддерживает национальные и международ­ные службы передачи данных, предоставляет пользователям возмож­ность обмена различными видами трафика (данные, речевая и видео­информация, мультимедийные приложения и т.д.).

Основным в данной технологии является стек протоколов TCP/IP (Transmission Control Protocol/Internet Protocol), который непрерывно совершенствуется и модифицируется на протяжении более чем трид­цати лет. Известна дата, когда началось его практическое применение

— 1 января 1983 года. Именно с этого дня предшественница сети Интернет, сеть ARPANET, была полностью переведена с протокола Net­work Control Protocol (NCP) на протокол TCP/IP Стек протоколов TCP/IP отражает современную сетевую философию: открытость протоколов, распределенный и децентрализованный подход к построению, гиб­кость и демократичность в управлении. Технологии ATM и IP в опреде­ленной степени можно считать антиподами: несмотря на использова­ние принципов пакетной коммутации качество передачи в сети ATM определяется средствами самой сети (на сетевом уровне), а в IP-сети за счет протокола транспортного уровня TCP.

Протоколы стека TCP/IP [109] приведены на рисунке 29, а соот­ветствие модели сети, построенной на этом протоколе, эталонной модели OSI приведено в главе 2 на рисунке 8.

Самый нижний уровень соответствует физическому и канально­му уровням модели OSI. Этот уровень в модели системы TCP/IP не регламентируется, но поддерживает все протоколы физического и канального уровня. При появлении новой технологии локальных и глобальных сетей она может быть быстро включена в стек TCP/IP за счет инкапсуляции в неё пакетов IP.

В качестве основного протокола уровня межсетевого взаимодей­ствия в стеке используется протокол IR Изначально он создавался как протокол передачи пакетов в составных сетях, состоящих из большого количества локальных сетей. Поэтому протокол IP хорошо работает в сетях со сложной топологией, рационально используя наличие в них подсистем и экономно расходуя пропускную способность низкоско­ростных линий связи. Протокол IP является дейтаграммным протоко­лом и не гарантирует доставку пакетов до узла назначения. Протокол ICMP (Internet Control Message Protocol) используется для передачи

информации о проблемах уровня IP и получения значений параметров IP. Протокол IGMP (Internet Group Management Protocol) предназначен для управления групповой рассылкой. Остальные протоколы этой груп­пы относятся к протоколам маршрутизации.

На транспортном уровне кроме протокола TCP используется протокол UDR обеспечивающий негарантированную доставку паке­тов.

На верхнем уровне модели за долгие годы работы накопилось большое количество протоколов и сервисов прикладного уровня. Они позволяют поддерживать различные услуги: электронную почту и обмен новостями, виртуальный терминал, справочные службы, услуги, базирующиеся на технологии WWW (World Wide Web) и другие. На этом же уровне находятся протоколы, обеспечивающие предо­ставление услуг передачи речевой информации (телефонии). Приве­дем информацию о некоторых протоколах.

Протокол Telnet предоставляет пользователю возможность пря­мого выполнения терминальных операций в сети. При использовании сервиса Telnet пользователь может управлять удаленным компьюте­ром так же, как и локальный пользователь, поэтому такой вид досту­па требует хорошей защиты.

Протокол пересылки файлов FTP (File Transfer Protocol) реализу­ет удаленный доступ к файлу. Для того чтобы обеспечить надежную передачу, FTP использует в качестве транспорта протокол с уста­новлением соединений — TCP Кроме пересылки файлов, протокол FTP предлагает и другие услуги. Так, пользователю предоставляется возможность интерактивной работы с удаленным компьютером, например, он может распечатать содержимое его каталогов. Нако­нец, FTP выполняет аутентификацию пользователей. Прежде чем получить доступ к файлу в соответствии с протоколом, пользователи должны сообщить свое имя и пароль. Для доступа к публичным ката­логам FTP-архивов парольная аутентификация не требуется.

Протокол FTP предлагает наиболее широкий набор услуг для работы с файлами, однако он является и самым сложным для про­граммирования. Приложения, которым не требуются все возможно­сти FTP, могут использовать другой, более экономичный протокол — простейший протокол пересылки файлов TFTP (Trivial File Transfer Protocol). Этот протокол реализует только передачу файлов, причем в качестве транспорта используется более простой, чем TCP, прото­кол без установления соединения — UDP

Протокол SNMP (Simple Network Management Protocol) исполь­зуется для организации сетевого управления. Изначально протокол SNMP был разработан для удаленного контроля и управления марш­рутизаторами. С ростом популярности протокол SNMP стали приме­нять и для управления сетевыми устройствами.

Развитие технологий пакетной передачи и коммутации, и в пер­вую очередь, технолоши IP, привело к коренному изменению подхо­дов к построению телекоммуникационных сетей. Если ранее они соз­давались традиционно для пропуска речевого (телефонного) трафи­ка, а передача данных предусматривалась в дополнение к передаче разговорной информации, то сегодня речь и данные поменялись местами. Эту мысль иллюстрирует диаграмма, приведенная на рисунке 30.

Рост речевого трафика осуществляется по линейному закону, а трафик данных растет по экспоненте. В начале XXI века эти величины сравнялись в большинстве высокоразвитых стран. Однако непосред­ственное использование сетей передачи данных с пакетной коммута­цией для передачи разговорного трафика (да и некоторых других видов трафика) оказалось затруднительным. Прежде всего, это свя­зано с самим режимом передачи речи — не только в реальном мас­штабе времени, но и с ограничениями, определяемыми физиологи­ческими особенностями человека. Применительно к сетям пакетной коммутации это означает:

• задержка в передаче пакетов более 400 мс неприемлема, а более 250 мс означает весьма низкое качество. Задержка скла­дывается из задержки, связанной с пакетированием сигналов, применения дополнительных алгоритмов обработки сигнала (сжатие), задержки прохождения по сети передачи данных («буферизация» пакетов, т.е. наличие очереди в различных буфе­рах обработки информации на промежуточных узлах), задержки при обработке пакетов на приемном узле (восстановление голо­сового сигнала из пакета) и т.д. Суммарное время задержки будет определяться двумя составляющими: постоянной и переменной. Величина постоянной составляющей определяется технологией пакетирования голосового трафика, процедурами обработки голосовых пакетов в сети, а также технологией восстановления речевого сигнала из пакетов. Переменная составляющая зависит от текущей загрузки сети и характера передаваемого в это время трафика;

• джиттер не должен превышать 50 мс. Джиттер (его еще назы­вают вариацией задержки) представляет собой разность во времени прохождения в сети последовательных пакетов одного соединения. Джиттер приводит к специфическим искажениям речи, восприни­маемым как трески и щелчки. Джиттер подавляется путем включения буферов-накопителей, в которых восстанавливается исходная последовательность. Таким образом, увеличивается общее время задержки;

• потери более 2% пакетов недопустимы, т.к. возникают паузы в речи.

В сетях передачи данных с технологией IP предусмотрены меха­низмы повторной передачи пакетов в случае их потери. При переда­че речевой информации в реальном масштабе времени такой меха­низм только ухудшает ситуацию.

Для передачи речевой информации в сетях передачи данных применяются специальные протоколы, называемые «голос поверх технологии» (например, Voice over IP — VoIP или Voice over ATM — VoATM). Протокол VoIP иногда называют протоколом IP-телефонии.

Результаты сравнительного анализа [24] применения различных технологий пакетной коммутации для передачи речевой информации приведены на рисунке 31.

Для устранения недостатков, присущих технологии IP при пере­даче речевой информации, появились новые решения. Назовем некоторые из них: многопротокольная коммутация по меткам MPLS (Multiprotocol Label Switching}, протокол резервирования ресурсов RSVP (Resource Reservation Protocol), дифференциальное обслужи­вание разнотипного трафика DittServ (Ditterentiated Services), а также протокол SIP (Session Initiation Protocol) в различных модификациях.

Идея протокола RSVP состоит в том, что по требованию пользова­теля резервируются ресурсы сети, указываемые в маршрутных табли­цах. Разновидностью этого протокола является протокол DiffServ,

Протокол MPLS предусматривает добавление к IP-пакету спе­циальной метки, указывающий маршрутизаторам путь прохождения пакетов одного сообщения. По значению метки пакета определяется его принадлежность к определенному классу на каждом из участков коммутируемого маршрута. Главная особенность MPLS — отделение процесса маршрутизации пакета от необходимости анализа IP-адре­сов в его заголовке. Такой способ позволяет значительно ускорить прохождение пакетов по сети, а также выделение соответствующей полосы пропускания, т.е. обеспечить требуемые показатели QoS для трафика реального времени.

К сожалению, сети передачи данных, построенные на техноло­гии пакетной коммутации, обладают значительно более низкими

показателями надежности, чем традиционные телефонные сети. У телефонных сетей надежность составляет 99,999% (как говорят, «пять девяток»), что соответствует суммарному простою сети не более 5,5 мин. в год. У сетей передачи данных такая надежность составляет 98,5% — допускается простой более 5 дней в году. Харак­терные причины низкой надежности сетей пакетной коммутации, по данным University of Michigan (США), приведены на рисунке 32.

Для обеспечения качества обслуживания речевой и других видов информации в IP-сетях установлены нормы качества. Они при­ведены в таблице 15.

Продолжение таблицы 15

1	2	3	4	5	6
1	Интерактивные приложения в реальном масштабе времени, чувствительные к	400 мс	50 мс	1x103	0,1x103
2	вариации задержки (VoIP) Данные транзакции,	100 мс		1x103	0,1x10 =
3 4	данные сигнализации Данные транзакции Передача больших объемов данных,	400 мс 1000мс	-	1x103 1x103	0,1x10 = 0,1х10:
5	потоков видео Традиционные приложения существующих IP-сетей	-	-	-	-

Существует четыре сценария IP-телефонии:

• компьютер — компьютер;

• компьютер — телефон;

• телефон — компьютер;

• телефон — телефон.

Для первого сценария сегодня предлагается множество про­грамм, например, Net2Phone или AIM. В последнее время получила распространение программа Skype. Главное — чтобы на компьютерах пользователей были установлены одинаковые или совместимые про­граммы. Однако, если соединения VoIP реализуются с использованием сетевых протоколов и технологий, то программы, аналогичные Skype, обеспечивают возможность передачи речевой информации только за счет программного обеспечения, установленного в компьютерах поль­зователей. В последнем случае, пользователь лишен возможностей влиять на качество передачи речи, и оно становится величиной случай­ной, существенно зависящей от изменений нагрузки на сеть.

В некоторых странах (например, в Омане, ОАЭ, Китае²⁸) подоб­ный сервис запрещен [26]. В мае 2006 года в Интернете появилось

²* В Интернете промелькнуло сообщение, что владельцы программы Skype договорились с Правительством Китая о возможности использования данной программы при условии, что определенные слова будут заглушаться или искажаться.

сообщение, что белорусские власти используют меры уголовного преследования к пользователям, передающим речевые сообщения при помощи программ аналогичных Skype.

Второй сценарий также реализуется на базе программного обеспечения VoIP или других программ, только соединение устана­вливается до узла (шлюза), обеспечивающего стыковку традицион­ной телефонной сети с сетью передачи данных. Первый такой шлюз был разработан в 1995 г. фирмой VocalTec (Израиль).

В 2002 году был создан принципиально новый узел для сетей IP-телефонии — пограничный контроллер сеанса связи SBC (Session Border Controller). Контроллер SBC является единственной точкой входа в операторскую сеть как для пакетов сигнализации, так и для медиа-потоков, что позволяет управлять маршрутизацией вызовов.

Третий сценарий реализуется при применении специального оконечного терминала (например, SIP-терминалов). В январе 2006 года компаниями D-Link и Skype разработан специальный телефон­ный адаптер USB DPH-50U, подключаемый к персональному компью­теру и обычному телефону.

Четвертый сценарий реализуется операторами сетей без участия пользователей.

Сегодня в разработке программных средств и оборудования IP и IP-телефонии преуспело большое количество компаний, среди которых Cisco Systems, VocalTec, Dialogic, Ascend Communications, IBM, Motorola, 3Com, Nortel Networks, Lucent Technologies и многие другие.

Автору представляется, что развитие базовых сетей будет осу­ществляться как в направлении новых решений в протоколах пакет­ной коммутации, так и в направлении развития оптической коммута­ции. Возможно появление в будущем новейших технологий, бази­рующихся на принципиально новых решениях, например, биотехно­логиях.