ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время построение мультисервисных сетей с интеграцией различных услуг является одним из наиболее перспективных направлений развития телекоммуникационных сетей. Основная задача мультисервисных сетей 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.

В настоящее время на рынке услуг связи, в том числе и на белорусском, наблюдаются значительные изменения, оказывающие существенное влияние на дальнейшее развитие всех операторов, предлагающих телекоммуникационные услуги. Эти изменения характеризуются разными факторами (рыночными, техническим, законодательными и другими), основными из которых на сегодняшний день являются:

• значительный рост спроса на услуги широкополосного доступа и передачи данных, и как следствие, конкуренция со стороны поставщиков услуг Интернета;

• замещение услуг телефонной связи услугами подвижной сотовой связи, передачи данных и другими;

• прекращение ведущими производителями производства оборудования с коммутацией каналов;

• реализация ведущими зарубежными операторами масштабных проектов по модернизации сетей связи на базе пакетных технологий;

• внедрение универсальных информационных систем, направленных на автоматизацию и централизацию технической эксплуатации оборудования, и как следствие, на оптимизацию численности персонала.

Мультисервисные сети связи (МСС) предоставляют широкий спектр услуг:

• услуги телефонии – услуги передачи голоса. Они подразделяются на услуги фиксированной и мобильной телефонной связи. Кроме того, из данного типа услуг в настоящее время постепенно происходит выделение услуг передачи видео (видеотелефонии), частным видом которых является, например, услуга видеоконференцсвязи (как альтернатива телефонной конференцсвязи);

• услуги передачи данных – услуги IP, ATM, FR, X.25 и другие, в зависимости от протокола, на основании анализа заголовков пакетов которого производится соединения абонента с адресатом (коммутация);

• широковещательные услуги – однонаправленная передача информации одновременно большому кругу клиентов. Это услуги теле- и радиовещания. В последнее время происходит расширение спектра этих услуг за счет таких направлений, как, например, интерактивное телевидение;

• услуги выделенных каналов – предоставление канала с тарифной политикой, не зависимой от типа и количества передаваемого трафика и степени использования канала.

Перечисленные выше факторы, а также необходимость повышения привлекательности услуг связи за счет снижения их себестоимости и обеспечения доступа к новым услугам, объединяющим возможности сетей фиксированной, широкополосной и беспроводной связи, не позволяют операторам избежать процесса модернизации сетей и перехода к сетям нового поколения.

Уже сегодня в Беларуси эксплуатируется фрагмент мультисервисной сети, построенной в Витебске с использованием технологии NGN и гибкого коммутатора (Softswitch), составившего альтернативу системам управления традиционных АТС как по цене и функциональным возможностям, так и по масштабируемости, качеству обслуживания, габаритам, энергопотреблению и стоимости технической эксплуатации, а построение мультисервисной сети связи по всей республике планируют завершить в третьем квартале 2010 года.

ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ И АРХИТЕКТУРА МУЛЬТИСЕРВИСНОЙ СЕТИ СВЯЗИ

Развитие телекоммуникационных сетей определяется тремя факторами: ростом трафика, потребностью общества в новых услугах и достижениями в области технологий. Эти факторы не являются независимыми, однако каждый из них определяет идеологию развития электросвязи.

Трафик фиксированных сетей растет с высокой и постоянной скоростью с начала 1980-х годов. Так, мировой трафик Интернет рос в мире в последние годы на 60-80% ежегодно, а число абонентов широкополосных сетей увеличивалось со средней скоростью 60%.

Потребности общества в новых услугах, рост трафика приводят к изменению идеологии построения сетей примерно каждые 10 лет. Так, в 1980-х годах появились оптические технологии; аналоговые беспроводные сети; широко распространились сети на основе стандарта X.25. В 1990-х годах активно развивались оптические технологии, основанные на мультиплексировании с разделением и уплотнением по длине волны; разрабатывались и внедрялись мобильные сети 2-го поколения; началось использование Интернет в коммерческих приложениях.

Сегодня же мы говорим о сетях следующего поколения (Next Generation Network, NGN). В [1] NGN определена как «концепция построения сетей связи, обеспечивающих предоставление неограниченного набора услуг с гибкими возможностями по их управлению, персонализации и созданию новых услуг за счет унификации сетевых решений, предполагающая реализацию универсальной транспортной сети с распределенной коммутацией, вынесение функций предоставления услуг в оконечные сетевые узлы и интеграцию с традиционными сетями связи». NGN может быть охарактеризована как мультисервисная сеть связи с децентрализованным управлением услугами.

Создание мультисервисных сетей связи должно основываться на максимально эффективном использовании уже построенной цифровой инфраструктуры [2].

Рассмотрим технологии, пользуясь которыми можно было строить сети, объединяющие оборудование различных производителей. Была разработана группа протоколов, самыми популярными из которых стали протокол Х.25 и предложенный примерно в это же время TCP/IP. В протоколе X.25 изначально была заложена высокая надежность. Когда X.25 создавался, преобладали аналоговые системы передачи данных и медные линии связи. Стремясь нивелировать невысокое качество каналов того времени, стандарт использует систему обнаружения и коррекции ошибок, что существенно повышает надежность связи, но зато замедляет общую скорость передачи данных. Кроме того, каждый коммутатор, через который проходит пакет информации, выполняет анализ его содержимого, что также требует времени и больших процессорных мощностей. С появлением оптоволоконных сетей столь высокие требования надежности, реализуемые X.25, стали излишни – достоинство протокола превратилось в его недостаток. Скорость передачи по протоколу Х.25 не превышает 64 Кб/с.

Протокол TCP/IP был задуман так, чтобы обеспечивать устойчивую передачу даже в случае обрыва на одной или нескольких линиях. В сущности, IP – это протокол без установления соединения. Каждый пакет данных имеет свой собственный адрес и отсылается независимо от других. Блоки информации передаются в соответствии с таблицами маршрутизации в узлах сети, содержание которых обновляется каждым узлом при изменении сетевой топологии.

Основное достоинство TCP/IP - это его многофункциональность и гибкость. Однако широкие возможности сети TCP/IP не отменяют ее недостатки. Основные из них – это проблемы безопасности и гарантии качества связи. И если задачу по обеспечению безопасности IP-сети еще можно решить, используя различные механизмы шифрования и защиты, то проблема отсутствия гарантированной скорости передачи данных, которую требуют такие чувствительные к задержкам приложения, как системы передачи голоса и видео, пока остается нерешенной. Протоколом, призванным исправить недостатки X.25 стал Frame Relay. Он использует тот же принцип виртуальных каналов, однако анализ ошибок осуществляется только на пограничных точках сети, что привело к существенному увеличению скорости (в настоящее время – до 45 Мб/с). Существенным достоинством протокола стала возможность приоритезации разнородного трафика (включая данные, голос и видео), то есть пакетам различных приложений могут предоставляться различные классы обслуживания, благодаря чему пакеты с более высоким приоритетом доставляются «вне очереди». Эти преимущества Frame Relay были развиты при создании технологии асинхронной передачи (АТМ).

Протокол ATM разбивает весь трафик на пакеты строго фиксированной длины (ячейки), которые асинхронно мультиплексируются в единый цифровой тракт в соответствии с присвоенным приоритетом. Благодаря малой длине ячеек (53 байта) можно организовать одновременную передачу потока данных сразу нескольких служб, критичных ко времени доставки – ячейки с данными различных приложений будут вставляться в поток попеременно, обеспечивая каждому приложению необходимую скорость обмена данными. Технология ATM обеспечивает совместный пропуск трафика на скоростях от 1,5Мб/с до 40 Гб/с.

Как Frame Relay так и ATM обеспечивают высокую степень безопасности. Однако, из-за того, что построение сети на основе протокола ATM является и само по себе достаточно дорогой технологией, сейчас этот протокол используется в основном для предоставления услуг на магистральном уровне, для передачи больших объемов информации, а также в локальных сетях. Так как до 90% от информации, пересылаемой в сетях Frame Relay и ATM, составляет IP-трафик, абсолютно логичной выглядит идея объединить в одной технологии те преимущества, что дает протокол IP, одновременно предоставляя гарантию качества и надежность протоколов ATM и Frame Relay. Итак, мы приблизились к технологии MPLS (Multiprotocol Label Switching). Ее основная идея состоит в том, чтобы реализовать возможность передачи трафика по наименее загруженным маршрутам IP-сети и обеспечить легкость конфигурирования VPN с одновременной поддержкой гарантии качества передачи, а также присвоения приоритетов различным видам трафика. Это позволяет добиться высокой скорости передачи информации по MPLS-сети, которая достигает 10 Гб/с [3].

Итак, реализация и предоставление современных, высокотехнологичных, инфокоммуникационных услуг является сложным, затратным процессом, предъявляющим высокие требования ко всем уровням организации процессов разработки, внедрения, предоставления, обеспечения доступа и получения услуг. Для крупного оператора, предлагающего услуги разнотехнологичных сетей связи в этих условиях критичной является конвергенция существующих сетевых ресурсов, объединяющая сети фиксированной, широкополосной, подвижной и беспроводной связи - создание мультисервисной сети связи.

В соответствии с [1]: «Мультисервисные сети – это сети связи, построенные в соответствии с концепцией сети связи следующего поколения и обеспечивающие предоставление неограниченного набора услуг».

Рассмотрим основные требования, которые предъявляются к построению данной сети

• мультисервисность - независимость технологий предоставления услуг от транспортных технологий;

• широкополосность - возможность гибкого и динамического изменения скорости передачи информации в широком диапазоне в зависимости от текущих потребностей пользователя;

• мультимедийность - способность сети передавать многокомпонентную информацию (речь, данные видео, аудио) с необходимой синхронизацией этих компонент в реальном времени и использованием сложных конфигураций соединений;

• интеллектуальность - возможность управления услугой, вызовом и соединением со стороны пользователя или поставщика услуг;

• инвариантность доступа - возможность организации доступа к услугам независимо от используемой технологии;

• многооператорность - возможность участия нескольких операторов в процессе предоставления услуги и разделение их ответственности в соответствии с их областью деятельности [1].

На сегодняшний день основной платформой, позволяющей объединить передачу голоса, мультимедиа и данных в рамках единой пакетной сети с разделением управления вызовами и передачи мультимедийного трафика, роумингом вызовов является подсистема IP-мультимедиа (IP Multimedia Subsystem, IMS).

1Общие сведения

1. Структурная организация мультисервисной сети

Под топологией сети принято понимать конфигурацию связей графа, интерпретирующего структуру сети. При анализе топологии сети принято оперировать понятиями "вершина", "ребро", "маршрут", "средняя длина маршрута", "диаметр'' графа, ''связность'' и т.п. [1].

Под маршрутом понимают конечную последовательность инцидентных ребер, соединяющих рассматриваемые вершины i и j .

Средняя длина маршрута (среднее расстояние между вершинами графа) представляет собой отношение суммарной (в числе ребер) длины всех маршрутов к числу маршрутов.

Последняя величина для неориентированного графа равна n(n-1)/ 2 и для ориентированного графа n (n-1), где n - число вершин графа. Кратчайший маршрут ( КрМ) - тот, для которого сумма весов, составляющих его ребер принимает наименьшее значение. В зависимости от задачи в качестве весов могут быть выбраны стоимость, длина, число транзитов и т.д. Диаметр графа - длина наибольшего (в числе ребер) КрМ для данного графа. Связность графа (в данной работе) - число непересекающихся по вершинам маршрутов между любой парой вершин.

Существует большая группа структурных характеристик , включающая вероятность:

- нарушения связи (средневзвешенная) между каждой парой узлов;

- распада графа на изолированные фрагменты;

- существования хотя бы одного пути между парой вершин в условиях воздействия препятствующих факторов (отказов, повреждений, перегрузок и т.п.).

Поскольку часть показателей и модели для их расчета применимы как к ПС, так и ВС, будем говорить о сети связи (СС). Определим понятия надежности и живучести, которые связаны с работоспособностью СС во времени. Их различия обусловлены

прежде всего различиями причин и факторов, нарушающих нормальное функционирование сети, и характером нарушений.

Надёжность СС – свойство обеспечивать связь, сохраняя во времени значения установленных показателей качества в заданных условиях эксплуатации. Надёжность отражает влияние на работоспособность сети главным образом внутрисистемного фактора – случайных отказов техники, вызываемых физико-химическими процессами старения аппаратуры, дефектами технологии её изготовления или ошибками обслуживающего персонала.

Живучесть характеризует СС против действия внешних причин.

Различия в причинах нарушения связи обуславливают существенные отличия в проявлении, характере и масштабности нарушений связи, их продолжительности, путях и способах устранения и повышения устойчивости системы. Если поток случайных отказов техники приводит к нарушению лишь отдельных связей и обладает свойством ординарности (когда вероятность одновременного отказа нескольких связей пренебрежимо мала), то нарушения работы системы указанными выше факторами живучести обладают существенно иными свойствами.

Следует иметь в виду и неодинаковую погрешность исходных данных для оценки надёжности и живучести СС. По эксплуатационно-техническим отказам техники и линий связи имеется сравнительно обширный материал, но научных основ прогнозирования стихийных факторов недостаточно. И хотя достоверность исходных данных по надёжности техники связи представляет пока известную проблему, их точность несравненно выше точности исходных данных для анализа живучести СС может быть лишь приближенной, ориентировочной.

В практике топологического проектирования принято разделять древовидные, распределённые и иерархические топологии сетей.

Древовидные сети интерпретируются графами без петель и циклов. Для n - вершинного дерева имеется (n-1) ребро. Последнее обстоятельство упрощает проектирование древовидных сетей, поскольку в них между каждой парой вершин существует единственный путь. Различают корневые и бескорневые деревья. Примером первого может служить радиальная связь (РС) ("звезда"), а последнего - кратчайшая связывающая сеть (КСС) (рис.1).

Сети с распределённой структурой представляются произвольными связными графами, описывающими широкий спектр структур, начиная с петлевой (ПСт) и кончая полносвязной сетью (ПСС). К этому классу могут быть отнесены решетчатые структуры (РШ), сотовые структуры и т. п. Реальные МСС имеют обычно структуры, являющиеся комбинацией некоторых элементарных.

Сейчас общепризнанно, что экономично построенная сеть большого масштаба является иерархической. Иерархическая МСС представляется композицией внутриуровневых и межуровневых подсетей обозначенных индексами соответственно. Изображённая на рис.2 ИКС имеет в правой ступени иерархии телефонные аппараты (ТА), абонентские пункты (АП) и ЭВМ.

Организация структуры по иерархическому принципу позволяет: упростить описание сети, способствующее в свою очередь упрощению их оптимизации; обеспечить для каждой зоны максимальное замыкание нагрузки; уменьшить общее число узлов и сократить протяжённость сети; достичь определённой экономии стоимостных ресурсов [1].

Однако при оптимизации иерархических ИКС приходится сталкиваться с проблемами поиска компактных форм описания данных о месторасположении оконечных пунктов (ОП) и тяготении между ними; сложности учёта дополнительного влияния на процесс доставки со стороны подсистем технического обслуживания (ТО) и управления; поиска эффективных алгоритмов оптимизации иерархических структур. Это объясняется сложностью проведения декомпозиции и группирования, дискретным характером и взаимосвязанностью частных задач, многопараметричностью, многоэкстремальностью и большой размерностью исследуемых функционалов.

1.2 Укрупненная модель МСС

Изучение зарубежного опыта разработок и эксплуатации сетей показывает, что основными причинами низкого качества разработок и, в первую очередь, планирования ими являются недооценка роли исследований и аналитической работы на этапе проектирования и недостаточный опыт моделирования сетей.

Практика показывает, что одни части системы, мало способствующие достижению цели, моделируются преувеличенно точно, в то время, как другие части системы необоснованно упрощаются или вообще игнорируются.

Выходом из этого положения является применение методологии системного подхода и системных моделей (СМ). Системный подход при анализе МСС позволяет выделить главные цели проектирования, освободить исследуемый объект от второстепенных факторов и деталей, предоставить возможность изучения и анализа общесистемных альтернатив, а в конечном счёте - повысить качество проектных решений.

СМ являются необходимым инструментом получения проектных обоснований, оптимизации сетей и выявления направлений их дальнейшего развития. Полнота факторов учитываемых в СМ, обеспечивает "качественное видение" будущего функционирования МСС и подсказывает, где могут возникнуть "узкие места".

Первой фазой построения СМ является представление модели МСС в виде "чёрного ящика" (рис.4). Подобная формализация необходима для определения конечного числа входов и выходов модели сети, декомпозиции общей задачи проектирования на частные задачи и перехода от внешнего описания сети к описанию внутреннего строения.

Оперируя относительно небольшим числом переменных, являющихся обычно агрегатами, т. е. некоторыми функциями параметров ИКС, выделяются следующие выходы: объёмно-временные характеристики “О” потоков передаваемой информации, N ОП (с разбивкой по классам), технико-экономические характеристики (стоимость, надёжность, производительность) предполагаемого к использованию оборудования Т, допустимые к использованию дисциплины обслуживания заявок D.

Интегральные и дифференциальные параметры проекта сети интерпретируются выходами "чёрного ящика". Поскольку сети связи характеризуются стоимостью и показателем, определяющим основной эффект сети, в качестве выходов СМ целесообразно избрать:

а) приведённые затраты П(X), однозначно связанные с капитальными вложениями К(X) через нормативный коэффициент сравнительной экономической эффективности E_н и с эксплуатационными расходами Э(X) [1]

П(X) = Е_нК(X) + Э(X) (1)

б) среднюю сквозную (терминал - терминал) задержку Т_j (X) пакета данных для j-ого маршрута;

в) вероятность доставки Q_j(X) речевого пакета за время, не превышающее заданное t₃;

г) живучесть сети;

д) надёжность сети;

е) дифференциальные показатели, представляющие собой распределение соответствующих интегральных по отдельным ступеням иерархии, подсетям, каналам и узлам.

Индекс j обозначает номер маршрута, , аJ - общее число маршрутов передачи информации в МСС. Структура обозначена вектором X, компонентами которого являются структурные параметры, потоковые характеристики, пропускные способности ТСС и характеристики подсистемы ТО.