Элементы и основные протоколы сетей NGN
Сети следующего поколения
Сети следующего поколения (Next Generation Network, NGN) представляют собой новую концепцию сети, комбинирующую в себе голосовые функции, качество обслуживания (QoS) и коммутируемые сети с преимуществами и эффективностью пакетной сети. Сети NGN означают эволюцию существующих телекоммуникационных сетей, отражающуюся в слиянии сетей и технологий. Благодаря этому обеспечивается широкий набор услуг начиная с классических услуг телефонии и кончая различными услугами передачи данных или их комбинацией.
Архитектура NGN. Основные понятия
Главная архитектурная особенность NGN заключается в том, что передача и маршрутизация пакетов и базовые элементы транспортной инфраструктуры (каналы, маршрутизаторы, коммутаторы, шлюзы) физически и логически отделены от устройств и механизмов управления вызовами и доступом к услугам. Данный тезис является общепризнанным и достаточно подробно раскрыт на страницах «Концептуальных положений».
Перспективная архитектура NGN показана на рис. 1, «позаимствованном» из документа [1]. Здесь отчетливо видна иерархия сетевой инфраструктуры: транспортный уровень (плоскость коммутации), уровень управления коммутацией и передачей информации (плоскость программного управления), наконец, уровень управления услугами (плоскость интеллектуальных услуг и эксплуатационного управления).
Плоскость абонентского доступа, базируется на трех средах передачи: металлическом кабеле, оптоволокне и радиоканалах. В плоскости коммутации решается основная задача транспортного уровня — коммутация соединений и прозрачная передача информации.. В указанной плоскости находится и структура мультисервисных узлов доступа. Над ними располагаются программные коммутаторы (Softswitch), составляющие плоскость программного управления и служащие для обработки сигнальных команд, маршрутизации вызовов и управления потоками . Выше находится плоскость интеллектуальных услуг и эксплуатационного управления. услугами содержащая в себе логику предоставления услуг и доступа к приложениям.
Рис.1. соответствует сегодняшним реалиям операторов, которые работают в условиях, когда 5 - 10 % абонентов желают получить самые современные услуги широкополосного доступа, а некоторая часть абонентов дожидается установки обычного телефона.
Транспортная сеть является опорной сетью в многослойной архитектуре телекоммуникационной сети со свободно надстраиваемыми слоями услуг, поэтому она должна очень надежно работать. Транспортная сеть должна быть высокопроизводительной и строится на основе оптико-волоконных линий связи, что позволяет обеспечить большую скорость обмена и избежать заторов и коллизий при маршрутизации потоков.
Рисунок 1 Архитектура сети следующего поколения
Как отмечается в концептуальных положениях построения сетей NGN [], архитектура сетей NGN предполагает создание мультисервисной сети, причем первой фазой этого процесса является развертывание структуры мультипротокольной коммутации (MPLS). Основные преимущества технологии MPLS заключены в возможности легкой организации виртуальных частных сетей второго и третьего уровней (MPLS VPN), в обеспечении эффективного использования пропускной способности каналов связи и гарантированного качества услуг.
Организация VPN третьего уровня — наиболее востребованный способ применения MPLS. В этом случае для создания персональной таблицы маршрутизации каждого клиента используются так называемые виртуальные маршрутизаторы (Virtual Routing Instance). Протокол BGP обеспечивает взаимодействие клиента с пограничным маршрутизатором MPLS-сети и трансляцию меток, идентифицирующих конкретную VPN. Поскольку маршрутизаторы ядра сети, поддерживающие виртуальные каналы передачи, не обращаются к информации о той или иной VPN, данная архитектура имеет высокую масштабируемость.
Подобные услуги, называемые еще BGP VPN, используются теми подписчиками, которые нуждаются в передаче информации на третьем уровне и предпочитают перепоручить процессы маршрутизации внешнему провайдеру. Существенным плюсом модели BGP VPN является независимость типов абонентских интерфейсов на оконечных устройствах виртуальной сети.
Технология VPN второго уровня позволяет операторам заниматься передачей информации второго уровня через ядро IP-MPLS. Вот основные виды услуг, которые можно развернуть в рамках такой структуры: прозрачная передача различных каналов второго уровня поверх MPLS, услуга виртуального частного канала (которая обеспечивает передачу сигнализации и автоматическое обнаружение пользовательских устройств), объединение LAN с помощью виртуальных коммутаторов (Virtual Switch Instance). Поверх VPN второго уровня обычно передаются каналы Ethernet, ATM, frame relay, PPP и HDLC.
В общем виде мультисервисные сети описываются двухуровневой архитектурой, состоящей из региональной и магистральной (включая межрегиональную) составляющих . На региональном уровне мультисервисная сеть призвана обеспечивать подключение абонентов и предоставление им как транспортных, так и прикладных услуг (Value Added Services). Кроме того, она может стыковаться с инфокоммуникационными службами других региональных сетей. На магистральном уровне создаваемая NGN должна отвечать за прозрачный транзит конвергентного трафика, получаемого от региональных сегментов.
Что представляет собой типичная сетевая инфраструктура современного оператора связи? По сведениям представителей Cisco, самой распространенной является такая ситуация: оператор одновременно эксплуатирует раздельные платформы передачи, относящиеся к ядру сети. Передача голосового трафика осуществляется по каналам TDM, соединения уровня L2 и резервные подключения осуществляются с помощью технологий ATM и FR, а корпоративные сервисы VPN и услуги доступа в Internet предоставляются на базе IP-протокола. Правда, для развертывания последних ряд операторов уже применяет мультипротокольную технологию коммутации MPLS. Но для реализации всех остальных сервисов в качестве транспортной основы обычно служит каналообразующая технология SDH.
Таким образом, IP- и TDM-сети этих операторов наложены на единую инфраструктуру SDH, в которой преобладает информация каналов TDM. Однако, по результатам исследований аналитиков компании, в 2006 году объем передаваемых пакетных данных сравнялся с объемом трафика TDM.
В традиционных системах передачи (SDH или ATM) принципиальной проблемой является их ориентированность на канальные архитектуры (виртуальные или физические). В них отсутствует гибкость, способность к расширению, что приводит к перегрузке сети и трудностям с интеграцией современных интеллектуальных IP-сервисов. В NGN подобных «узких мест» пока не выявлено, за исключением стандартных проблем, связанных с вводом в промышленную эксплуатацию и тестированием новых технологий и оборудования.
Элементы и основные протоколы сетей NGN
Несмотря на то, что любая коммуникационная ступень мультисервисной сети может использовать различную технику для обработки потоков данных и каждая стадия процесса передачи и распределения может осуществляться в своем стандарте, способы построения конвергентных мультисервисных сетей достаточно сильно канонизированы.
Единственно важное требование при проектировании – необходимость приведения потоков информации к единому формату на границе функциональных составляющих сетей при объединении потоков.
Данные задачи выполняются шлюзами трех типов:
Медиа-шлюзы (Media Gatways, MG)обеспечивают взаимодействие между гетерогенными участками сети
Шлюзы сигнализации (Signaling Gatways, SG)служат для преобразования сигнализации и обеспечивает ее прозрачную передачу между TDM и пакетной сетью. Они терминируют сигнализацию и передают сообщения через сеть IP контроллеру медиа-шлюза или другим шлюзам сигнализации.
Контроллеры медиа-шлюзов (Media Gatway Controllers, MGC или Softswitchs)обеспечивают координацию между шлюзами в соответствии сигнальной информацией, которую они получают от шлюзов сигнализации.
На нижеприведенной схеме при водится пример мультисервисной сети NGN, включающей в себя все вышеописанные элементы.
Рисунок 2 Пример сети следующего поколения
Рассмотрим функции этих элементов более подробно.
Медиа-шлюз это один из ключевых элементов в инфраструктуре мультисервисных сетей. В его задачу входит обеспечить взаимодействие сетей разных стандартов.
Основные функции, которые выполняетмедиа-шлюз, заключаются в том, что он
· служит мультисервисным терминатором, например, для цифровых каналов Т1/Е1, сетей Ethernet, ATM и т. п.;
· кодирует/декодирует голос в разных стандартах кодирования (G.723.1, G.729, GSM и т.п.);
· подавляет эхо;
· определяет и генерирует тональную частоту.
Наряду с вышеописанным медиа-шлюз может также включать функциональность для удаленнного доступа, маршрутизации, виртуальных частных сетей, фильтрования трафика TCP/IP и т.п. Все эти функции требуют значительной вычислительной мощности, поэтому такие шлюзы базируются на высокопроизводительных процессорах цифровой обработки сигналов (DSP).
Шлюз сигнализации отвечает за обработку сигнальной информации от сетей с коммутацией каналов (обычно SS7) и передачу ее шлюзуMGC по управляемой IP-сети. Он также позволяет удаленным устройствам в IP-сети обмениваться сообщениями с ТфОП для установки вызова. В дальнейшем преобразованные сигнальным шлюзом потоки могут обрабатываться на MGC, обеспечивая таким образом координацию между шлюзами в соответствии с сигнальной информацией.
Контроллер медиа-шлюза
Еще один ключевой элемент в инфраструктуре мультисервисных сетей. Он служит посредником при обработке сигнальной информации между сетями с коммутацией каналов и коммутацией пакетов. Обрабатывает и управляет вызовами от шлюзов MG, осуществляет управление потоками при передаче голоса и данных. Имя «программный коммутатор» получил потому, что выполняемые им функции реализуются программно. Если говорить об исполнении MGС, то он представляет обычный компьютер серверного типа, на котором функционирует ряд обслуживающих сеть программ. Одной из них является приложение Media Gatway Controller. Не смотря на слово «коммутатор», он в действительности не выполняет никаких коммутирующих функций. Одной из основных функций MGС является управление вызовами которое включает в себя в типичном случае маршрутизацию вызовов, аутентификацию пользователя, установление и разрыв соединения, сигнализацию. В качестве посредника Softswitch должен «понимать» со стороны сетей ТфОП протоколы управления вызовами (SS7, V5, GR-303), со стороны пакетных сетей протоколы H.323, SIP, MGCP, MEGACO.
Каждая сигнальная система имеет свой собственный уникальный набор характеристик, что делает взаимодействие между ними достаточно сложным. Softswitch служит интерфейсом между сетями с разными сигнальными системами, обеспечивая взаимодействие либо прямо, либо с помощью шлюза SG. С точки зрения сети с коммутацией каналов Softswitch заменяет средства управления обслуживанием вызовов АТС. Он может поддерживать протоколы SS7, E-DSS1, R1.5, V5, выполняя функции транзитного пункта сигнализации STP или оконечного пункта SP сети сигнализации ОКС-7. Причем, делать это он может более дешевым, простым и удобным в эксплуатации образом, придуманным рабочей группой SIGTRAN, входящей в IETF. Этой группой разработаны средства транспортировки сообщений SS7 по IP-сетям. Это протокол передачи информации для управления потоками (Stream Control Transmission Protocol, SCTP), поддерживающий перенос сигнальных сообщений между конечными пунктами сигнализации SP в IP-сети; три новых протокола M2UA, M2PA, M3UA для выполнения функций MTP; протокол SUA уровня адаптации для пользователей SCCP, поддерживающий перенос по IP-сети средствами SCTP сигнальных сообщений пользователей SCCP SS7 (например, TCAP или INAP).
Для взаимодействия Softswitch между собой могут применяться два протокола: SIP (IETF) и BICC (ITU-T). Сегодня на роль основного протокола взаимодействия более претендует SIP.
Основными протоколами сигнализации для управления соединениями, используемыми Softswitch, являются SIP, SS7, H.323.
Основными протоколами сигнализации для управления медиа-шлюзами являются MGCP и MEGACO/H.248.
Рисунок 3 Основные протоколы NGN
Литература :
1. В.Михайлов.Шляхи побудови наступного покоління мереж NGN в Україні" ( доповідь на науково-технічній раді Держкомзв'язку ,УНДІЗ ,2003 р.)
2. А.Есауленко. Доказательства в пользу NGN.- Сети # 24 / 2003.
3. Концептуальные положения по построению мультисервисных сетей на ВСС России , Министерство связи России.- (http://www.minsvyaz.ru/img/uploaded/2002020610512757.pdf).
4. Softswitch Научно-исследовательский институт телекоммуникаций. http://www.niits.ru:8100/themes/convergension/convergension.htm
5. NGN сеть в Киеве.- http://siemens-ic.com.ua/news/0302.htm
6. Б.С.Гольдштейн, О.П.Орлов, А.Т.Ошев, Н.А. Соколов. Модернизация сетей в эпоху NGN// Вестник связи - .2003,- №6.
7. Gartner . "В мире телекоммуникаций назрела революционная ситуация".- http://celler.ru/forum/index/forum-22/topic-7420.html