3 Анализ технологий и протоколов систем сигнализации ngn

3.1 Протоколы сетей NGN

Сети NGN можно рассматривать в качестве сетевых решений, объединяющих фрагменты различных существующих сетей с применением свойственных этим сетям технологий. Соответственно, в NGN применяются как протоколы Интернет, так и протоколы ТфОП. Кроме того, некоторые протоколы NGN являются перспективными, прямо или косвенно затрагивая принципы взаимодействия сетей Интернет и ТфОП в рамках создания мультисервисной сети. Протоколы NGN с некоторой долей условности можно классифицировать следующим образом [13]:

– базовые протоколы сети Интернет: IP, ICMP, TCP, UDP;

– транспортные протоколы: RTP, RTCP;

– сигнальные протоколы: SIP, H.323, SIGTRAN, MEGACO/H.248, MGCP, RSVP, SCTP, ISUP, BICC, SCCP, INAP;

– протоколы маршрутизации: RIP, IGRP, OSPF, IS-IS, EGP, BGP, IDRP, TRIP;

– протоколы информационных служб и управления: SLP, OSP, LDAP, SNMP;

– протоколы услуг: FTP, SMTP, HTTP, кодеки G.xxx, H.xxx, факс Т.37, Т.38, IRP, NNTP.

Рассмотрим более подробно технологии сигнализации ОКС №7 и сигнализации IP-технологии – H.323, SIP.

3.2 Назначение системы ОКС №7

Система общеканальной сигнализации (ОКС №7) представляет собой стандартизованную на международном уровне общецелевую систему сигнализации, предназначенную для осуществления обмена сигнальной информацией в цифровых сетях связи с цифровыми программно-управляемыми станциями [13,14]. Система оптимизирована для работы по цифровым каналам со скоростью 64 кбит/с и позволяет осуществлять управление установлением соединения, а также передачу информации техобслуживания и эксплуатации. Она может также быть использована как надежная транспортная система для передачи других видов информации между станциями и специализированными центрами в сетях телекоммуникаций. Система ОКС №7 применяется на международных и национальных сетях и взаимодействует с другими системами сигнализации. Система применяется для обслуживания соединений ТфОП, включая ISDN, на сетях подвижной связи, для целей техэксплуатации и техобслуживания сетей; осуществляет взаимодействие с сетевыми базами данных и узлами систем управления сетями электросвязи; наличие системы сигнализации №7 является обязательным условием реализации интеллектуальной сети связи. Система сигнализации ОКС №7 является ключевым элементом построения современных сетей электросвязи.

ОКС №7 – это система сигнализации, при которой информация управления установлением соединения (сигнализация) для всех разговорных каналов и/или каналов передачи данных, которое передается в виде блоков данных (сигнальных сообщений) по одному общему каналу сигнализации, он может быть организован в любом временном интервале (кроме нулевого) одного из первичных трактов импульсно-кодовых модуляций (Pulse Code Modulation, PCM), входящих в пучок, соединяющий напрямую две взаимодействующие АТС [15].

Общеканальная сигнализация может рассматриваться как особый тип передачи данных, специализированный для передачи сигнализации и информационного обмена между процессорами узлов связи различного назначения. Для обеспечения надежности, требуемой в телефонных сетях общего пользования, система ОКС №7 обладает функциями обнаружения и коррекции ошибок, вызванных воздействием помех на средства передачи, и автоматической реконфигурации маршрутов в случае отказов сетевых элементов.

Как правило, для повышения надежности в другом PCM – тракте пучка, организуется резервный канал для передачи данных ОКС№7. Все остальные временные интервалы системы передачи (кроме нулевых) при использовании ОКС №7 могут быть задействованы для передачи речи или данных пользователя. Один канал ОКС №7 может обслуживать около 4000 разговорных каналов.

Архитектура системы ОКС №7 устроена так, что множество всех функций системы представлено в виде совокупности функциональных блоков (именуемых подсистемами), определенным образом взаимодействующих между собой и поддерживающих друг друга.

Первоначально спецификация ОКС №7 базируется на требованиях управления телефонными каналами. Чтобы удовлетворить эти требования, система ОКС №7 специфицирована в четырех уровнях – подсистем переноса сообщений, охватывающая уровни 1-3, и подсистемы-пользователи, как уровень 4 (рис. 3.1). Когда возникли новые требования, например, для обмена информацией с базами данных, система ОКС №7 была расширена новыми функциями.

Основными подсистемами ОКС №7 являются [13, 15]:

– подсистема переноса сообщений (Message Transfer Part, MTP);

– подсистемы-пользователи (User Part, UP) услуг MTP.

Подсистема MTP формирует и предоставляет услуги переноса сигнальной информации в виде сигнальных сообщений от пункта-отправителя через сеть ОКС к пункту-адресату.

Рисунок 3.1 – Уровни модели ОКС №7

Пользователи услуг MTP – это подсистемы, которые, в свою очередь, предоставляют свои услуги либо подсистемам, расположенным выше, либо непосредственно пользователям системы ОКС №7, каковыми являются разнообразные прикладные процессы узлов сети связи (это, в частности, процессы управления коммутацией, процессы управления предоставлением тех или иных дополнительных услуг, процессы эксплуатационного управления).

Два первых уровня модели ОКС №7, выполняющих функции звена передачи данных и сигнального звена, обеспечивают обмен сигнальной информацией между двумя смежными пунктами сигнализации.

Три нижних уровня модели ОКС №7 образуют подсистему переноса сообщений MTP. В подсистеме MTP реализован в третий уровень – сетевой. Для переноса сообщений по сети ОКС №7 подсистема MTP использует дейтаграммный способ с эмуляцией работы по виртуальному каналу. Чтобы повысить надежность передачи сообщений по виртуальному каналу, сетевой уровень MTP предусматривает ремаршрутизацию сообщений при перегрузке или при отказе основного маршрута или смежного узла.

Для поддержки новых услуг (в том числе, услуг интеллектуальной сети и мобильной связи) и для реализации недостающих функций сетевого уровня OSI в модель ОКС №7 введена подсистема управления сигнальными соединениями (Signaling Connection Controlpart, SCCP). Подсистемы MTP и SCCP совместно образуют подсистему сетевых услуг (Network service part, NSP). Используя услуги МТР, подсистема SCCP обеспечивает организацию в сети ОКС №7 виртуальных соединений и может предоставлять сетевые услуги как ориентированные на такие соединения, так и не требующие их создания.

Возможности МТР в области адресации являются ограниченными, так как эта подсистема может направлять сообщения только в те логические точки пункта сигнализации, адреса которых указаны в четырехбитовом поле индикатора службы октета SIO. Подсистема SCCP имеет расширенные возможности, рассматривая всех своих локальных пользователей подсистемы (обращение к которым происходит путем использования их номеров) и применяя при адресации сообщений совокупность кода пункта назначения с номером подсистемы. Для идентификации конкретного адреса может обеспечиваться вычисление кода пункта сигнализации и номера подсистемы из так называемого глобального адреса (Global Title, GT).

Глобальный адрес может содержать телефонный или ISDN-номер, номер терминала сети передачи данных или номер любой другой специализированной сети. Услуги вычисления (перевода) адресной информации из GT могут применяться, например, в случае обращения к дублированным базам данных интеллектуальной сети. Там, где базы данных функционируют в режиме с резервированием, исходящей АТС неизвестно, какая именно из них в данный момент является рабочей. В этом случае запрос с GT направляется в SCCP, ближайшей к необходимой паре баз данных и имеющей сведения об их статусе. Эта SCCP затем может дополнить (заменить) глобальный адрес на код пункта назначения и номер подсистемы той базы данных, которая активна в этот момент времени.

В дополнение к расширенным возможностям адресации подсистема SCCP предоставляет четыре, различные по надежности, класса обслуживания (режима доставки сообщений), которые могут быть затребованы вышестоящей подсистемой. Такое разделение функций между двумя подсистемами оправдывается следующими соображениями:

­ во-первых, далеко не для всех протоколов сигнализации нужны расширенные функциональные возможности SCCP в отношении адресации и режимов повышенной надежности доставки сообщений;

­ во-вторых, благодаря выделению функций SCCP в отдельную подсистему оказалось возможным оптимизировать характеристики уровня 3 подсистемы МТР. Необходимость же применения SCCP вызвана тем, что многие приложения, использующие систему ОКС №7, не требуют одновременного установления речевой связи, использование для них подсистем-пользователей является неэффективным.

Четвертый уровень модели ОКС №7 образуют подсистемы-пользователи услугами MTP и/или SCCP, такие как:

– подсистема-пользователь, поддерживающая сигнализацию телефонной сети (Telephone User Part, TUP);

– подсистема-пользователь поддерживающая сигнализацию сети передачи данных (Data User Part, DUP);

– подсистема-пользователь поддерживающая сигнализацию (ISDN User Part, ISUP) телефонной сети, сети передачи данных и цифровой сети интегрального обслуживания (ISDN);

– прикладная подсистема поддержки транзакций (Transaction capabilities application part, TCAP);

– подсистема-пользователь, поддерживающая сигнализацию широкополосной ISDN (B–ISDN User Part, B–ISUP);

– прикладная подсистема-пользователь, поддерживающая сигнализацию сетей подвижной связи (Mobile Application Part, MAP);

– прикладная подсистема интеллектуальной сети (Intelligent Network Application Part, INAP);

– прикладная подсистема эксплуатационного управления (Operation, maintenance and administration part, OMAP).

Подсистемы-пользователи и прикладные подсистемы получают от MTP услуги по доставке информации в сети. В частности, MTP предоставляет транспортную услугу без предварительного установления сигнального соединения, но с упорядоченной последовательностью передачи сообщений.

Подсистема ISUP предназначена для установления, поддержания и освобождения соединений в телефонных сетях и сетях ISDN с целью передачи речи и данных пользователя. Подсистема пришла на смену подсистемам TUP и DUP, которые предназначались для выполнения тех же задач, но индивидуально в телефонных сетях и в сетях передачи данных. Кроме управления соединениями и каналами, ISUP поддерживает предоставление основных и дополнительных услуг ISDN, таких как переадресация вызовов по различным условиям, передачу данных, видеоконференции.

Подсистема TCAP совместно с SCCP применяется при обмене транзакциями для запроса выполнения операций в удаленных базах данных. При этом подсистема SCCP предоставляет для TCAP услуги управления логическими соединениями сигнализации и возможности маршрутизации сообщений на основе логических адресов. В функции TCAP входит установление связи с удаленной базой данных, выполнение запроса операции, выборка данных из базы и их передача в сообщении TCAP в узел, инициировавший запрос.

Протокол MAP используется совместно с TCAP и SCCP для обеспечения механизмов запроса и передачи информации идентификации и текущего местоположения абонента в сети из базы данных одной сети в другую.

Подсистема INAP используется в интеллектуальных сетях для поддержки взаимодействия между прикладными процессами исходящей АТС/АМТС с функциями узла коммутации услуг и узлом управления услугами.

Подсистема OMAP также использует услуги TCAP и SCCP и предназначена для удаленного эксплуатационного управления узлами сети ОКС №7 из одного центра.

Подсистема B – ISUP используется для установления, поддержания и освобождения широкополосных соединений в цифровых сетях интегрального обслуживания, основанных на принципах АТМ.

3.3 Архитектура H.323

H.323 охватывает технические требования к передачи речи, видео и данными по пакетным сетям, а также к связи с сетями, которые базируются на коммутации каналов (PSTN/ISDN/GSM для речевой коммуникации и ISDN для видео телефонии). Рекомендация также определяет архитектуру сети H.323. Главные элементы сетей H.323 [15]:

– H.323 терминал;

– H.323 шлюз (gateway);

– H.323 контроллер зоны или привратник (gatekeeper);

– модуль управления многосторонней конференцией (Multipoint Control Unit, MCU);

– H.323 разграничитель (border element).

Терминал H.323 основной и обязательный элемент сети H.323. Возможно функционирование сети H.323 состоящей только из терминалов H.323, так как можно установить непосредственную коммуникацию между двумя терминалами без помощи других элементов сети H.323. Терминал H.323 может быть реализован как программное приложение на персональном компьютере, а также и как самостоятельное устройство.

Терминал H.323 это элемент сети, который обеспечивает возможность двусторонней коммуникации речью, видео или данными с другим терминалом в реальном времени. Кроме коммуникации с другим терминалом, H.323 терминал может взаимодействовать и со шлюзом H.323, или с модулем управления многосторонней конференцией. Коммуникацию с межсетевым шлюзом, модулем MCU и другими терминалами H.323 терминал осуществляет, обмениваясь с ними сообщениями протокола управления вызовом (H.225.0 – CS) и протокола H.245, а с модулем управления, кроме упомянутых сообщений, обменивается и сообщениями H.225.0 – RAS.

Межсетевой шлюз H.323 это элемент локальной сети, который обеспечивает возможность двусторонней мультимедийной коммуникации терминала H.323, межсетевого шлюза H.323 или модуля MCU с ITU терминалом в сети с коммутацией каналов (Switched Circuit Network, SCN), в узкополосной или широкополосной ISDN сети, или с другим межсетевым шлюзом H.323. Межсетевой шлюз не обязательный элемент сети H.323. Например, если коммуникация осуществляется исключительно внутри сети H.323, межсетевой шлюз не требуется. Функцией межсетевого шлюза H.323 является преобразование сигнализационных протоколов, способа передачи, процедур коммуникации и способа кодирования. Таким образом, межсетевой шлюз H.323 обеспечивает возможность взаимодействия пользователей разных технологий.

Рекомендация Международного союза электросвязи (МСЭ-Т) Н.323 определяет основы процесса передачи аудио, видео и данных по сетям с коммутацией пакетов, например по сетям IP. В ней описаны объекты, необходимые для мультимедийной связи, их функции и способы взаимодействия, в частности алгоритмы формирования пакетов, сжатия аудио- и видеоинформации.

Для выполнения действий сигнализации между шлюзами и контроллер зоны H.323 в соответствии с Рекомендацией МСЭ-Т Н.323 должны использоваться следующие протоколы [13,15]:

– сигнализация RAS (Registration, Admission, Status);

– сигнализация Q.931 (согласно Н.225.0);

– протокол управления Н.245.

1. Сигнализация RAS.

Протокол сигнализации RAS (регистрации, подтверждения и состояния) применяется для передачи служебных сообщений между терминалами и контроллером зоны Н.323. RAS-сообщения служат для регистрации терминалов, допуска их к сеансу связи, изменения используемой полосы пропускания, информирования о состоянии сеанса и его прекращении. В отсутствии контроллера зоны протокол RAS не задействуется.

Функции сигнализации RAS используют сообщения протокола Н.225.0. Канал сигнализации RAS не зависит от канала управления вызовом и канала управления Н.245.

С помощью сигнализации RAS осуществляться:

– нахождение контроллер зоны (gatekeeper), на котором возможна регистрация оконечного оборудования;

– регистрация оконечного устройства;

– определение географического положения оконечного устройства;

– указание необходимой полосы пропускания;

– изменение полосы пропускания.

Передача сообщений RAS осуществляется в дейтаграммах (User Datagram Protocol, UDP). Для адресации RAS должна использоваться адресная информации, в которую входят:

– сетевой адрес оборудования;

– идентификатор TSAP (Transport Layer Service Access Point);

– мнемонический адрес (Alias Address).

Сетевой адрес является адресом в формате, используемом в сети с коммутацией пакетов, например, адрес в форматах IPv4, IPv6, IPX, NetBIOS.

Рисунок 3.2 ­ Положение H.225.0 в стеке протоколов H.323

Идентификатор TSAP используется для идентификации информационных потоков, отправленных с одного сетевого адреса. Для gatekeeper выделены постоянные значения идеyтификатора TSAP: 1718 (для поиска gatekeeper) и 1719 (для передачи сообщений сигнализации RAS).

Alias Address служит для адресации оконечного оборудования в удобной пользователю форме. Адресом может быть на пример, телефонный номер в формате ЕЛ 64, телефонный номер в корпоративной сети, адрес электронной почты. Gatekeeper не имеет мнемонического адреса.

2. Сигнализация H.225.0 (Q.931) и протокол управления Н.245.

Стандарт H.225 описывает протоколы сигнализации и формирования пакетов в системах пакетной передачи мультимедийного трафика. Канал управления вызовами H.225.0 используется для установления и разрыва соединений между двумя терминалами H.323, а также между терминалом и шлюзом. Служебные сообщения этого протокола передаются поверх TCP или UDP (рис. 3.2). Соответствующий механизм H.225.0 основан на протоколе Q.931, который был разработан для сетей ISDN. Он обеспечивает предоставление целого ряда дополнительных видов обслуживания и возможность взаимодействия с сетями, базирующимися на коммутации каналов. Канал управления вызовом не зависит от канала RAS и канала управления Н.245.

Рекомендация Н.245 определяет синтаксис и семантику терминальных сигнальных сообщений, а также процедур, которые используются для передачи их в полосе разговора в начале или в течение сеанса связи. Определены процедуры подтверждения сигнальной информации для обеспечения гарантии надежной передачи аудиовизуальной информации и данных.

Протокол управления мультимедийной передачей Н.245 обеспечивает:

– согласование возможностей компонентов;

– установление и разрыв логических каналов;

– передачу запросов на установление приоритета;

– управление потоком (загрузкой канала);

– передачу общих команд и индикаторов.

3. Сигнализация Н.450.

Дополнительные услуги в сетях IP-телефонии определяет семейство рекомендаций Н.450. Так, 450.1 описывает протокол сигнализации между двумя компонентами сети, позволяющий предоставлять дополнительные услуги, а 450.2 — механизмы услуги трансформации вызова, благодаря которой соединение между терминалами А и Б преобразуется в соединение между Б и В. Дополнительная услуга переадресация вызова, которую определяет рекомендация Н.450.3, предоставляет возможность переадресовать вызов в тех случаях, когда вызываемый абонент занят, не отвечает или когда предварительно установлен соответствующий параметр.

3.4 Сигнализация на основе протокола SIP

Протокол SIP (Session Initiation Protocol) является протоколом прикладного уровня, разработанным рабочей группой по управлению многоточечными сеансами мультимедиа-связи (Multiparty Multimedia Session Control, MMUSIC) организации IETF (Рекомендация RFC). Он позволяет организовать и провести такой сеанс, обеспечивая его установление, модификацию и завершение.

При организации мультимедийного сеанса используется два основных метода для нахождения и информирования заинтересованных участников [15, 16]:

– уведомление о сеансе с использованием разных средств — электронной почты, новостных групп, Web-страниц или специального протокола (Session Announcement Protocol, SAP);

– приглашение к участию в сеансе с помощью протокола SIP.

Для установления сеансов одноадресного вещания, которое характерно при IP-телефонии, основным протоколом установления соединений является протокол SIP. Он работает по схеме клиент-сервер (рис. 3.3): клиент запрашивает определенный тип сервиса, а сервер обрабатывает его запрос и обеспечивает предоставление сервиса. Согласно протоколу SIP, пользовательская система может не только формировать, но и принимать запросы.

Обработка вызовов осуществляется сервером SIP, который может работать в режиме непосредственного установления связи или в режиме переадресации. В обоих режимах сервер принимает запросы на определение местоположения нужного пользователя, но если в первом режиме он сам доводит вызов до адресата, то во втором — возвращает адрес конечного пункта запрашиваемому клиенту.

Рисунок 3.3 ­ Схема сигнализации по протоколу SIP

Обработка вызовов осуществляется сервером SIP, который может работать в режиме непосредственного установления связи или в режиме переадресации. В обоих режимах сервер принимает запросы на определение местоположения нужного пользователя, но если в первом режиме он сам доводит вызов до адресата, то во втором — возвращает адрес конечного пункта запрашиваемому клиенту.

В протоколе SIP определены два вида сигнальных сообщений — запрос и ответ. Они имеют текстовый формат (кодировка символов согласно RFC 2279) и базируются на протоколе HTTP (синтаксис и семантика определены в RFC 2068). В запросе указываются процедуры, вызываемые для выполнения требуемых операций, а в ответе — результаты их выполнения. Определены шесть процедур:

– INVITE — приглашает пользователя принять участие в сеансе связи (служит для установления нового соединения; может содержать параметры для согласования);

– BYE — завершает соединение между двумя пользователями;

– OPTIONS — используется для передачи информации о поддерживаемых характеристиках (эта передача может осуществляться напрямую между двумя агентами пользователей или через сервер SIP);

– АСК — используется для подтверждения получения сообщения или для положительного ответа на команду INVITE;

– CANCEL — прекращает поиск пользователя;

– REGISTER — передает информацию о местоположении пользователя на сервер SIP, который может транслировать ее на сервер адресов (Location Server).

Оба протокола SAP и SIP используют механизм сетевого протокола (Session Description Protocol, SDP) для описания характеристик сеанса: время проведения, требуемые ресурсы. SDP используется исключительно для текстового описания сеанса и не имеет ни транспортных механизмов, ни средств согласования требуемых для сеанса параметров. Эти функции должны выполнять протоколы, применяемые для передачи информации SDP.