Технологические основы реализации телекоммуникационных технологий
3.1. Основные системно-технические принципы построения транспортной компоненты ТКС
Формирование единой российской телекоммуникационной инфраструктуры сопровождается созданием межрегиональных компаний (MPK). По мнению MPK ключевыми элементами информационной инфраструктуры (ИИ) должны стать мультисервисные сети связи MPK и ОАО «Ростелеком». При разработке принципов построения сетей MPK и их взаимодействия с другими сетями большую роль играет выбор технологической платформы [68].
Среди требований, предъявляемых операторами к возможностям базовой технологии построения мультисервисной сети, на первый план вышло наличие гибких механизмов обеспечения гарантированного QoS для всех видов трафика. За ними, в порядке снижения приоритетов, следуют совместимость оборудования различных производителей с сохранением QoS; механизмы сквозного управления сетью; обеспечение взаимодействия различных сетей на канальном уровне; прозрачное взаимодействие различных сетей на уровне сервисов; масштабируемость сети.
Самой перспективной технологической основой сети операторы считают связку IP — MPLS — АТМ (рис. 3.1). В категории IP — MPLS — «другая технология канального уровня» ATM отмечены IP — MPLS — DPT (фирменная реализация компании Cisco
Systems) и IP — MPLS — Gigabit Ethernet.
Выбор связки IP — MPLS — АТМ можно считать компромиссным решением в спорах между сторонниками «чистых» сетей IP и приверженцами технологии ATM. Если еще недавно многие операторы стремились выделить единственную технологию
для мультисервисных сетей, то сейчас в понятие «мультисервисная сеть» вошел термин «мультипротокольная сеть» — это означает признание права нескольких технологий на сосуществование в рамках одной сети. Однако доминирующие позиции технологии ATM в спектре транспортных технологий для мультисервисных сетей связи отмечены большинством респондентов.
Рост числа пользователей российского сегмента Интернета и, как следствие, увеличение объема трафика IP требуют эффективного метода переноса и маршрутизации этого трафика. Среди механизмов, реализующих перенос IP-трафика в рамках региональной сети связи, лидируют МРОА, IP over SDH (по 45 %) и MPLS (37,5 %). В категорию «Фирменная реализация» вошли технологии MPLS — DPT и MPLS- Gigabit Ethernet (5 %).
Механизм МРОА, который разрабатывался с целью обеспечения полной интеграции сетей с маршрутизацией пакетов и сетей с коммутацией ячеек, является хорошо стандартизированным, проверенным в работе средством. Однако, он в основном ориентирован на использование в сетях корпораций или в городских сетях.
Популярность решения IP over SDH обусловлена его относительной дешевизной — отсутствие уровня АТМ в стеке протоколов при переносе IP-трафика снижает процент служебной нагрузки.
Протокол MPLS сочетает в себе производительность канального уровня с возможностями установления соединений и предоставления услуг на сетевом уровне. В числе его достоинств — независимость от протоколов канального и сетевого уровня, используемых в сети. До недавнего времени темпы внедрения MPLS на сетях сдерживала несовместимость оборудования различных производителей, обусловленная недостаточной стандартизацией технологии. Активная работа IETF по выработке единых подходов в реализациях MPLS с целью обеспечения совместимости увенчалась успехом, и весной 2001 г. ряд ведущих производителей (фирмы Alcatel, Cisco Systems, Nortel Networks и др.) после проведенных испытаний анонсировал совместимость своего оборудования с оборудованием других производителей, поддерживающим функции MPLS.
Как показало анкетирование, региональные операторы не случайно отдали предпочтение технологической цепочке IP — MPLS — ATM. Именно АТМ позволяет оптимально решать задачи объединения сетей, построенных с использованием различных технологий передачи данных, обеспечения необходимого уровня качества обслуживания и др.
Если рассматривать построение мультисервисных сетей как процесс трансформаций существующих сетей связи, то необходимо обеспечить и сохранить преемственность услуг традиционных сетей и прежде всего классической телефонии, несмотря на то что в настоящее время интенсивно развиваются технологии пакетной передачи речи.
Высокодоходная пакетная передача речи с помощью протокола IP сегодня активно используется в корпоративных и ведомственных сетях связи.
Услуга IP-телефонии предлагается альтернативными операторами связи и Интернет-провайдерами в качестве дешевой альтернативы традиционной услуги междугородной и международной телефонной связи. Однако качество этой услуги порой оставляет желать лучшего, поэтому в дальнейшем операторы планируют развивать технологии VoATM и VolP. Можно предполагать, что при условии должной координации со стороны Минсвязи России в долгосрочной перспективе технология «речь через АТМ» займет доминирующие позиции среди технологий пакетной передачи речи на региональных сетях РФ. Это создает основу для построения опорной сети систем мобильной связи 3G.
Наметившиеся тенденции внедрения новых технологий среди российских операторов не противоречат общемировым и европейским подходам к технологической модернизации сетей связи (рис 3.2). Результаты исследований компании Baskerville Communications показывают, что группа технологий IP — MPLS — АТМ признается зарубежными операторами перспективной и с успехом внедряется на магистральных сетях связи.
Основная конкуренция ожидается между технологиями АТМ и MPLS. По прогнозам зарубежных экспертов АТМ будет использоваться на магистральных сетях еще как минимум пять лет. Несмотря на то что MPLS пока не готова взять на себя роль и все функции АТМ, многие операторы предсказывают победу MPLS на магистральных сетях. Около 50% зарубежных операторов считают, что идеальный вариант сети следующего поколения должен базироваться на технологической цепочке IP — MPLS — DWDM.
Российские операторы готовы к построению как региональных, так и межрегиональных мультисервисных сетей связи. Но прежде необходимо выработать общую стратегию построения сетей МРК с учетом подходов операторов, входящих в состав компании. Большинство операторов избрали подход, ориентированный на использование группы технологий IP — MPLS — АТМ. Обобщенные данные по технологиям на сетях МРК представлены в табл. 3.1.
Анализ этих данных позволил выявить интересную тенденцию среди MPK относительно методов переноса регионального IP-трафика. Большинство MPK склоняются к двум вариантам — IP over SDH и MPOA. На первых этапах развертывания сети в рамках каждой MPK может использоваться любой из указанных методов переноса IP-трафика, лишь бы он был экономически оправдан. На последующих этапах проблемой может стать обеспечение совместимости на уровне сервисов сетей MPOA и MPLS. В этой связи при выборе решений по профилю протоколов верхних уровней необходимо учитывать характер и состав мобильных приложений.
Возможное решение по передаче сервисов через сеть АТМ — FR приведено на рис. 3.3.
Что касается технологии многопротокольной коммутации на основе меток (Multiprotocol Label Switching, MPLS), то она относится к технологиям многоуровневой коммутации и может быть использована «поверх» любой технологии канального уровня (и АТМ, и FR). Появление методов многоуровневой коммутации и в конечном счете MPLS — это один из шагов на пути эволюционного развития сети Интернет в сторону упрощения ее инфраструктуры путем интеграции функций второго (коммутация) и третьего (маршрутизация) уровней.
Все методы многоуровневой коммутации, в том числе и MPLS, базируются на двух основных принципах:
• разделение функций пересылки пакетов и управления этим процессом;
• пересылка с использованием последовательных меток. Многоуровневая коммутация предполагает четкое разделение всех функций по две компоненты: пересылка пакетов и управление (рис. 3.4). Управляющая компонента задействует стандартные протоколы маршрутизации (OSPF, IS-IS, BGP-4) для обмена информацией с другими маршрутизаторами. На основе этой информации формируется и модифицируется сначала таблица маршрутизации, а затем, с учетом информации о смежных системах на каждом интерфейсе, — таблица пересылки пакетов. Когда система получает новый пакет, пересылающая компонента анализирует информацию, содержащуюся в его заголовке, ищет соответствующую запись в таблице пересылки и направляет пакет на выходной интерфейс.
Отделение управляющей компоненты от пересылающей позволяет разрабатывать и модифицировать каждую из них независимо. Единственное обязательное требование состоит в том, чтобы управляющая компонента могла передавать информацию пересылающей компоненте через таблицу пересылки пакетов. Благодаря этому становится возможным применение очень простых алгоритмов пересылки, например, алгоритма, базирующегося на использовании последовательных меток.
Пересылающая компонента практически всех систем многоуровневой коммутации, включая и системы MPLS, основана на использовании последовательных меток пакетов (именно этот алгоритм применяется для пересылки ячеек АТМ и кадров Frame Relay). Метка — это короткое поле фиксированной длины в заголовке пакета. Она определяет принадлежность пакета к определенному классу эквивалентной пересылки (Forwarding Equivalence Class, FEC). По существу, метка играет ту же самую роль идентификатора соединений, что и идентификаторы виртуального пути или виртуального канала (VPI/VCI) в сетях АТМ или идентификаторы DLCI в сетях Frame Relay. Класс FEC представляет собой совокупность пакетов, направляемых в сеть по одному и тому же маршруту, — при этом конечные адресаты этих пакетов могут быть разными.
Алгоритм пересылки на основе последовательных меток требует классификации каждого пакета на входе в сеть и присвоения ему первоначальной метки. Предположим, входной коммутатор сети получил непомеченный пакет с адресом назначения 192.4.2.1 (рис. 3.5). Он классифицирует этот пакет (относит к классу FEC 192.4/16), присваивает ему метку 5 и передает смежному устройству на маркированном маршруте LSP (Label-Switched Path).
Маршрут LSP функционально эквивалентен виртуальному каналу, поскольку определяет путь через всю сеть — от входа в нее до выхода из нее. По этому пути следуют все пакеты, отнесенные к определенному классу FEC. Первый из поддерживающих метки коммутаторов на этом пути называется входным (ingress, или head-end), а последний коммутатор, завершающий данный LSP, — выходным (egress, или tail-end).
Внутри ядра сети коммутаторы игнорируют информацию сетевого уровня в заголовках пакетов и определяют дальнейший маршрут их следования исключительно на основе меток. Когда коммутатор получает помеченный пакет, его пересылающая компонента ищет в таблице пересылки нужную запись (по номеру входного порта и входной метке), извлекает из нее выходную метку, выходной интерфейс и адрес следующего смежного устройства. Затем коммутатор заменяет входную метку выходной (эта процедура называется label swapping) и передает пакет на выходной интерфейс для дальнейшего продвижения по маршруту LSP. Когда пакет достигает конца маршрута LSP, выходной коммутатор тоже обращается к своей таблице пересылки. Но, поскольку на следующем шаге пакет должен быть передан уже на устройство, не поддерживающее метки, коммутатор удаляет метку и отправляет пакет, используя обычный алгоритм IP-маршрутизации.
Механизм последовательных меток обладает целым рядом преимуществ по сравнению с традиционной пошаговой маршрутизацией на сетевом уровне. Начнем с того, что использование меток предоставляет поставщику сетевых услуг чрезвычайную гибкость в классификации пакетов. В простейшем случае входной коммутатор сети можно сконфигурировать так, чтобы он относил пакет к тому или иному классу FEC
исключительно на основе адреса назначения. Однако для выбора FEC можно использовать и множество других критериев: адрес источника пакета, тип приложения, точку входа в сеть с поддержкой меток и точку выхода из нее, класс обслуживания, указанный в заголовке IP-пакета, или любое сочетание этих параметров.
Поставщики сетевых услуг могут конструировать специальные LSP- маршруты, удовлетворяющие требования тех или иных приложений. Маршруты можно построить таким образом, чтобы, например, минимизировать число транзитных узлов, обеспечить определенную полосу пропускания или обойти потенциальные точки перегрузки.
Важное преимущество алгоритма пересылки с использованием последовательных меток состоит в том, что он позволяет выделить любой тип пользовательского трафика, ассоциировать его с определенным классом FEC и направить весь трафик этого класса по LSP-маршруту, специально построенному так, чтобы удовлетворить требования данного типа трафика.
Все первоначально предложенные технологии имели своей целью совместить достоинства IP-маршрутизации и АТМ- коммутации, оставаясь при этом ориентированными на применение в IP-сетях. Основной их принцип состоял в том, чтобы, использовав управляющее программное обеспечение (ПО) традиционного IP маршрутизатора, интегрировать его с высокопроизводительной аппаратурной АТМ коммутацией и на этой основе разработать быстродействующий и недорогой для своего класса IP- маршрутизатор.
В качестве управляющей компоненты предлагалось использовать стандартные средства IP-маршрутизации (на основе протоколов OSPF, IS-IS или BGP-4) в сочетании с фирменным механизмом присвоения меток. Программное обеспечение маршрутизации позволяло многоуровневым коммутаторам обмениваться информацией третьего уровня о топологии и состоянии сети. Механизм присвоения меток кодировал маршруты третьего уровня метками (а именно идентификаторами VPI/VCI сети АТМ) и сообщал эти метки смежным устройствам для формирования LSP-маршрутов через ядро сети. Использование протоколов маршрутизации не только на периферии, но и в ядре сети имело ряд преимуществ: была решена проблема квадратичного роста сложности сети по мере увеличения числа PVC (эта проблема серьезно ограничивала масштабируемость решений IP-over-АТМ); благодаря уменьшению числа смежных узлов для каждого маршрутизатора снижалась нагрузка, создаваемая протоколами IGP; появилась возможность использовать информацию о реальной физической топологии сети, собранную процедурами маршрутизации на сетевом уровне.
В качестве коммутирующей компоненты многоуровневых коммутаторов служила обычная инфраструктура АТМ-коммутаторов. Однако при этом управляющие процедуры для назначения меток, обмена метками между узлами сети и построения таблиц пересылки использовали фирменные протоколы на основе IP вместо протоколов, оговоренных спецификациями Форума АТМ (как было в модели IP-over-АТМ).
Исключение протоколов маршрутизации и сигнализации, свойственных сетям АТМ, несколько упростило сетевое решение, поскольку позволило обойтись без координации и взаимного отображения двух различных архитектур — АТМ и IP. Но большинство систем многоуровневой коммутации этого поколения сохранило прежнее принципиальное ограничение: они могли функционировать только на основе инфраструктуры АТМ, в то время как Интернет-сообщество однозначно взяло ориентацию на использование пакетов.
Применение АТМ-подобных меток для пересылки данных в ядре сети позволило оптимизировать ее производительность за счет преимуществ аппаратной коммутации.
Хотя между различными разработками в области многоуровневой коммутации было много общего, в них использовались два принципиально разных подхода к назначению и распределению меток при установлении LSP-маршрутов.
Модель «от данных». В этой модели, реализованной, например, в технологиях IP Switching (Ipsilon) и CSR (Toshiba), назначение меток происходит при поступлении пакетов данных от пользователя. Модель использует понятие потока — последовательности пакетов, имеющих одинаковые IP-адреса и номера портов источника и получателя. Многоуровневый коммутатор может назначить метку либо сразу же при получении первого пакета потока, либо дождавшись получения заданного порогового числа пакетов. В последнем варианте гарантируется, что поток будет достаточно длинным, а значит, накладные расходы на присвоение метки и рассылку ее смежным устройствам оправдаются.
Несмотря на определенные достоинства (например, метка устанавливается только тогда, когда под нее действительно имеется поток), модель «от данных» содержит ряд серьезных ограничений. Для идентификации отдельных потоков многоуровневый коммутатор должен обладать сложным и высокопроизводительным механизмом классификации пакетов. Более того, поскольку между обнаружением первого пакета потока и присвоением метки соответствующему потоку, как правило, имеется некоторая задержка, каждый многоуровневый коммутатор должен выполнять традиционную маршрутизацию во время начальной фазы (в противном случае произойдет потеря пакетов, относящихся к еще не классифицированному потоку).
При использовании модели «от данных» объем служебного трафика, необходимого для обмена метками, прямо пропорционален количеству потоков трафика, наличие же большого числа относительно короткоживущих потоков может создавать высокую нагрузку на сеть. В общем, эта модель не обладает достаточной степенью масштабируемости для применения в ядре Интернета, где одновременно присутствует огромное число отдельных потоков. Поэтому разработчики технологии MPLS и не взяли ее на вооружение, а сделали ставку на другую модель назначения меток.
Модель «от управления». В этой модели назначение и распределение меток происходит при поступлении соответствующей управляющей информации. В частности, метки создаются при обработке сообщений протоколов маршрутизации, протоколов управления (таких, как RSVP) или в результате статической конфигурации. Среди схем, работающих по такому принципу, следует упомянуть Tag Switching (Cisco Systems), IP Navigator (Ascend/Lucent) и ARIS (IBM). Эта же концепция легла в основу стандарта MPLS.
Модель назначения меток «от управления» обладает рядом преимуществ, существенных для магистралей сетей крупных Интернет-провайдеров. Во-первых, метки создаются и согласовываются между смежными узлами до начала поступления пользовательских данных. Поэтому, если требуемый маршрут содержится в таблице пересылки, то ему уже присвоена метка и поступающий трафик может быть немедленно передан с этой меткой (исключается начальная пауза, присущая модели «от данных»). Во-вторых, масштабируемость системы значительно выше, чем при назначении меток «от данных», поскольку количество помеченных маршрутов пропорционально числу записей в таблице пересылки, а не числу индивидуальных потоков трафика. Присвоение меток на основе первых полей IP-адреса, а не индивидуально для каждого потока, позволяет выделять крупные классы FEC, действительно представляющие те или иные категории трафика, вместо множества мелких, характеризующих, по существу, отдельный поток. И, наконец, в-третьих, при постоянной топологии сети объем служебного трафика оказывается значительно меньше, чем при назначении меток «от данных». Установление и переустановление маркированных маршрутов происходит только при изменении топологии сети или получении соответствующей управляющей информации, а не при поступлении каждого нового потока трафика.
Несмотря на ряд схожих черт, системы многоуровневой коммутации первого поколения использовали различные фирменные протоколы и поэтому не могли взаимодействовать друг с другом. Это и стало основным препятствием на пути их практического внедрения в сетях Интернет-провайдеров. Кроме того, большинство решений требовало наличия транспортной инфраструктуры АТМ и не могло быть применено в разнородных транспортных средах на основе Frame Relay, PPP, SONET, технологий ЛВС. Для широкого внедрения многоуровневой коммутации было необходимо выработать единый отраслевой стандарт, применимый к любому типу технологий канального уровня.
Такой стандарт с использованием ряда фирменных решений был разработан под эгидой IETF. Управляющая компонента MPLS (рис. 3.6, см. с. 90) построена вокруг протокола IP, точно также как и в более ранних фирменных решениях, однако она использует новые стандартные протоколы сигнализации и обмена метками в IP-сетях, а также дополнения к существующим протоколам. Такая стандартизация обеспечивает совместимость аппаратуры разных производителей. Технологии MPLS не требуется никаких протоколов Форума АТМ для сигнализации и маршрутизации, тем самым устраняется необходимость координации двух различных архитектур. Благодаря этому она гораздо лучше приспособлена для применения в пакетном мире Интернет.
Пересылающая компонента MPLS базируется на механизме последовательных меток, а процедура назначения меток и обмена ими между смежными узлами для формирования маркированных маршрутов
LSP инициируется по принципу «от управления». Если транспортная технология второго уровня предусматривает поле для метки (например, VPI/VCI в АТМ или DLCI во Frame Relay), то метка MPLS включается в это поле. Если же в заголовке второго уровня такое поле отсутствует, то метка MPLS записывается в стандартизированный заголовок MPLS, который вставляется между заголовками канального и сетевого уровней (рис. 3.7). Таким образом, MPLS позволяет применять метки в сетях, где используются любые технологии канального уровня, и прокладывать маркированные маршруты через неоднородные сетевые инфраструктуры.
Едва успев появиться, стандарт MPLS дал повод для целого ряда заблуждений относительно своей роли в построении ядра Интернета. Некоторые специалисты восприняли его как стандарт, разработанный для того, чтобы позволить производителям превратить АТМ- коммутаторы в высокопроизводительные магистральные маршрутизаторы. Это действительно было одной из целей при разработке первого поколения многоуровневых коммутаторов в середине 90-х годов, однако последние достижения в области специализированных микросхем позволили аппаратным IP- маршрутизаторам достичь практически такого же быстродействия, которое характерно для коммутаторов на основе MPLS или АТМ VPI/VСI. Технология MPLS действительно позволят увеличить скорость пересылки пакетов в программных маршрутизаторах, однако это было далеко не главной целью ее разработки.
Основная польза от технологии MPLS состоит в том, что она создает основу для развертывания новых типов услуг, не поддерживаемых традиционной маршрутизацией. Это особенно актуально в условиях нынешней жесткой конкуренции, когда провайдерам необходимо постоянно предлагать пользователям новые услуги, отсутствующие у конкурентов. Одновременно MPLS позволяет уменьшить себестоимость и улучшить качество базовых услуг.
MPLS расширяет возможности маршрутизации, позволяя учитывать многие факторы (а не только адрес назначения пакета). Предположим, что хосты А и Б отправляют пакеты хосту В через сеть, в которой поддерживается технология MPLS (рис. 3.8). При традиционной маршрутизации — по принципу кратчайшего пути — пакеты и от хоста А, и от
хоста Б будут направлены по пути №1 выбранному средствами IGP в качестве кратчайшего. Теперь предположим, что сетевой администратор, проанализировав статистику загрузки сети, решил установить правила управления трафиком для того, чтобы уменьшить нагрузку на маршрутизатор LSR 2. Для этого ему необходимо перенаправить часть трафика по другим маршрутам, скажем, трафик от хоста Б к хосту В перевести на путь № 2 (а для трафика хоста А оставить прежний путь № Ц. Осуществить такое разделение средствами традиционной маршрутизации было бы невозможно, поскольку она принимает во внимание только адрес назначения пакета, одинаковый в обоих случаях. Но в нашем примере маршрутизаторы в ядре сети поддерживают MPLS, поэтому реализовать такие правила достаточно просто. Для этого нужно сконфигурировать два маркированных маршрута так, чтобы маршрутизатор LSR 1 направлял весь трафик от А к В по пути № 1, а от Б к В — по пути № 2. Возможность классифицировать трафик по множеству параметров и направить трафик каждого класса по выбранному и, возможно, специально оптимизированному пути позволяет администратору точно управлять потоками трафика.
Таким образом, при надлежащем планировании маршрутов и правил технология MPLS обеспечивает поставщикам сетевых услуг беспрецедентный для существующих IP-сетей уровень контроля над трафиком. Это означает более эффективную работу сетей, более предсказуемое качество услуг и большую гибкость, позволяющую адаптироваться к изменяющимся потребностям пользователей. Набор критериев, которые могут применяться в системах MPLS для классификации пакетов, чрезвычайно широк. Очевидно, в первых реализациях MPLS будет использоваться только часть этих критериев, а остальные станут вовлекаться в работу по мере появления необходимого ПО для управляющей компоненты MPLS.
Если провайдер намеревается внедрить новый тип услуг, ему нет необходимости заменять всю MPLS-совместимую инфраструктуру. Достаточно всего лишь изменить управляющую составляющую, чтобы присвоить некоторой категории пакетов специальный FEC-класс, и затем указать для него специально спроектированный LSP-маршрут. Например, пакеты можно классифицировать по сочетанию подсети назначения
и типа приложения или сетей источника и назначения, по специфическим требованиям к качеству услуг QoS, по принадлежности к группе многоадресной IP-рассылки, по идентификатору виртуальной частной сети (VPN). Далее сетевой администратор может конфигурировать LSP- маршруты таким образом, чтобы удовлетворить специфические требования данного класса трафика: минимизировать число транзитных узлов, обеспечить заданную полосу пропускания, направить трафик через определенные узлы и т.д. Заключительный шаг по внедрению новой услуги состоит в том, чтобы сконфигурировать входной LSR -маршрутизатор соответствующим образом. Он должен идентифицировать пакеты, подпадающие под определение данного класса, и направлять их по пути, специально предназначенному для трафика этого класса. Из описания технологии MPLS следует, что она эффективна для глобальных сетей.
3.2. Интегральные сети доступа к ресурсам транспортной сети связи
В настоящее время недостаточно обеспечить абонента ТКС качественной и надежной телефонной связью. Все более востребованы новые услуги, например, передача данных навигации, опознавания, цифровой картографии, мультимедийных данных и др. Добиться этого в области мобильного управления (с колес) можно только за счет обеспечения плавного перехода от существующих систем второго поколения (2G) к системам третьего поколения (36) [68].
Как ответ на требования потребителей была разработана концепция UMTS (Universal Mobile Telecommunication System) — система связи, которая объединяет и использует уже существующие технологии. Она позволяет сблизить мир телекоммуникаций и информационных технологий и дает возможность абоненту использовать услуги широкополосной связи независимо от времени и места его нахождения. Кроме того, может быть создан личный (в соответствии с уровнем должностного или иного приоритета) пакет услуг, учитывающий индивидуальные потребности пользователя.
Разработчиком концепции UMTS в Европе является Европейский институт стандартов связи (ETSI). Кроме ETSI в процессе стандартизации участвует японская ассоциация ARIB. В результате взаимодействия EST1 и ARIB в декабре 1998 г. была создана Ассоциация 3GPP, которая занимается разработкой общих стандартов для системы UMTS.
Одной из особенностей системы UMTS по сравнению с GSM является использование абсолютно нового радиоинтерфейса UTRA (интерфейс радиодоступа системы UMTS).
К середине 1997 г. уже существовали пять вариантов радиоинтерфейса UTRA. В дальнейшем эти варианты совершенствовались, что позволило ETSI в середине 1998 г. утвердить два варианта радиоинтерфейса для использования в системе UMTS: UTRA FDD и UTRA TDD,
которые рекомендованы для совместного применения в Европе. Данные интерфейсы реализуют два различных режима передачи: TDD (дуплексный с временным разделением каналов) и FDD (дуплексный с частотным разделением каналов).
Режим FDD позволяет передавать данные со скоростью до 384 кбит/с и обладает преимуществами при передаче симметричного трафика, а также при покрытии больших территорий (макросот) с высокой скоростью передвижения абонентов.
Режим TDD, напротив, прежде всего предназначен для передачи асимметричного трафика и применения в пико или микросотах, т.е. там, где абонент передвигается с невысокой скоростью в ограниченном пространстве. Ориентация на асимметричный трафик важна, так как многие из распространенных применений, например, доступ к информационно- справочным и другим системам Интернета используют частотный ресурс сети в основном в одном направлении. Эффективное использование радиоканалов достигается путем асинхронного распределения полосы частот на радиоинтерфейсе в направлениях «вверх» и «вниз». Другим преимуществом режима TDD является более высокая скорость передачи (до 2 Мбит/с).
Режимы FDD и TDD дополняют друг друга (рис. 3.9), что позволяет более эффективно распределять частотный ресурс при покрытии больших территорий и сот с высоким объемом трафика.
Сеть UMTS включает в себя две основные составляющие: базовую сеть и сеть радиодоступа.
Сеть радиодоступа UTRAN (UMTS Terrestrial Access Network) состоит из контроллеров сети радиодоступа RNC (Radio Network Controller) и приемопередающих базовых станций Node В, которые стандартизированы
в рамках Ассоциации 3GPP. Задачи RNC и Node в сети UMTS сходны с задачами, возложенными на BSC и BTS соответственно, в сети GSM. Основные функции выполняемые RNC и Node В перечислены в табл. 3.2.
Контроллер RNC выполняет большинство функций, связанных с процедурой эстафетной передачи в сети UMTS, и обеспечивает мобильность оборудования пользователя (User Equipment UE). Взаимодействие между RNC осуществляется с помощью интерфейса lur, который используется для связи с коммутатором. Соединение с Node В выполняется через интерфейс lub. Все используемые интерфейсы базируются на ATM-технологии и стандартизированы в рамках 3GPP. На рис. 3.10 показаны структура сети и принципы взаимодействия между ее узлами в соответствии со спецификациями 3GPP R99.
В будущем в соответствии со спецификациями 3GPP R4 (R00) вся сеть радиодоступа будет использовать соединения, базирующиеся на технологии IP. Один из рекомендованных путей внедрения IP в сети радио-
доступа включает в себя три этапа: Первый этап (рис. 3.11) — внедрение технологии IP на уровне транспортной системы в интерфейсах lu и lur.
На втором этапе (рис. 3.12) происходит постепенное внедрение технологии IP в интерфейс lub. Сначала технологию IP целесообразно внедрять в сотах с высоким уровнем трафика и в сотах, где уже существует инфраструктура сетей IP, что более выгодно, чем создание новой инфраструктуры АТМ. На этом этапе возможно совместное использование как IP, так и АТМ-технологий для реализации интерфейса lub.
Финальной стадией внедрения технологии IP в сети радиодоступа является создание сети с распределенной структурой (рис. 3.13).
Функции, которые до этого были возложены на RNC, теперь будут физически распределены по трем уровням: контроля, пользователя и передачи данных. Уровень контроля состоит из серверов радиоконтроля (Radio Controller Servers, RCS) и включает в себя все функции, связанные с контролем и сигнализацией, такие как управление радиоресурсами и мобильностью пользователя внутри сети радиодоступа. Уровень пользователя включает в себя серверы уровня пользователя (User Plane Servers,
UPS) и выполняет в основном шлюзовые функции между протоколами уровней пользователя радиоинтерфейса и проводного интерфейса сети радиодоступа. Транспортный уровень включает в себя функции передачи данных. Нужно отметить, что Node В может быть связан с UPS либо напрямую, либо посредством транспортной сети на базе IP или АТМ.
Разделение уровней пользователя, контроля и передачи данных открывает возможность независимого расширения их функций в зависимости от нагрузки сети, что необходимо для создания сети, поддерживающей самый широкий спектр услуг от передачи голоса до полного набора мультимедийных услуг.
Базовая сеть включает в себя часть, ориентированную на коммутацию каналов (3G-MSC), и часть, ориентированную на пакетную коммутацию (3G-SGSN).
Очевидно, что одновременно невозможно обеспечить сплошное покрытие сети UMTS. В ближайшие годы будут параллельно применяться сети мобильной связи как второго, так и третьего поколения, и при организации новой сети необходимо максимально использовать имеющуюся инфраструктуру. От этого будет зависеть большая часть прямых и косвенных расходов оператора, например, на обучение персонала, техническое обслуживание оборудования и т.д.
Согласно рекомендациям 3GРР предусмотрено несколько этапов эволюции сети, позволяющих плавно внедрить UMTS, что обеспечит интеграцию с существующими сетями второго поколения и последовательный переход к сетям, полностью построенным на использовании IP.
На рис. 3.14 показана архитектура сети, соответствующая первому этапу внедрения UMTS и отвечающая спецификациям 3GРР К99.
Поскольку радиоинтерфейса UMTS 2G MSC = 3G MSC принципиально отличается от радиоинтерфейса GSM, объединение в сети радиодоступа невозможно. Технически оно осуществляется в базовой сети в Рекомендованные 3G SGSN подсистемах как коммутации каналов, так и пакетной коммутации.
С одной стороны, расчеты, оценивающие нагрузку на CCS7, показывают целесообразность объединения таких сетевых элементов, как VLR и 3G-MSC, и необходимость использования общих для GSM и UMTS АС и HLR. С другой стороны, по причине функционального сходства возможно объединение 2G-SGSN и 3G-SGSN.
Компания Siemens предлагает несколько вариантов модернизации существующей сети второго поколения (рис. 3.15). В модернизированной сети возможно использование независимых сетевых элементов ЗG-MSC и ЗG-SGSN или их объединение в единый сетевой элемент U-MSC (UMTS MSC).
Использование U-MSC, одновременно поддерживающего возможности как коммутации каналов, так и пакетной коммутации, является оптимальным решением. Вместе с тем следует заметить, что это решение оптимально для региональных сетей общего применения. Для вновь создаваемых сетей предпочтительным является решение о создании мультисервисной сети на основе АТМ-технологии. Что касается сетевого уровня, то он может базироваться и на IP, и на Q.931.
Для обеспечения постепенного перехода к сетям UMTS и построения U-MSC в существующую коммутационную платформу EWSD интегрируются элементы АТМ и IP.
Первым шагом в эволюции EWSD является замена существующего сигнального процессора CCNC на мощный универсальный АТМ-коммутатор. Благодаря этому существенно возрастают возможности системы по обработке сигнального трафика CCS7. Модульная архитектура коммутатора АТМ в сочетании с использованием дополнительных АТМ мультиплексоров доступа позволяет реализовать функциональность 3G/2G-SGSN.
Таким образом, строится единая платформа, являющаяся базой для предоставления услуг как узкополосной, так и широкополосной связи.
Сочетание классической платформы EWSD и новых элементов АТМ в U-MSC позволяет достичь:
• высокой производительности;
• высокой надежности;
• хорошей расширяемости;
• минимизации затрат действующих операторов GSM, необходимых для поддержки UMTS.
Применяя данную стратегию развития архитектуры базовой сети, существующие операторы GSM на первом этапе внедрения UMTS находятся в наиболее выгодном положении и способны стать сильными игроками на рынке подвижной связи третьего поколения.
Слияние речи и данных будет способствовать переходу к базовой сети на основе протокола IP. При этом необходимо поддерживать сетевое взаимодействие и обеспечивать прозрачность услуг между сетями подвижной связи второго и третьего поколений.
Унифицированная базовая IP-сеть обеспечит разнообразие новых приложений, способных комбинировать речь и данные. К таким приложениям относятся: проведение видеоконференций, совместная телеобработка, предоставление интерактивных услуг.
Согласно рекомендациям 3GРР R4 (R00) одной из основ базовой IP-сети (рис. 3.16) является концепция медиашлюза, который обеспечивает транспортировку голосовой информации с помощью технологии VoIP совместно с передачей данных. В свою очередь контроллер медиашлюза обрабатывает сигнальную информацию по речевым вызовам и обеспечивает взаимодействие между протоколами управления вызовами Н.323 и GSM.
Так обеспечивается бесконфликтное взаимодействие существующих сетей и терминальных устройств с базовой IP-сетью. Другой особенностью архитектуры базовой IP-сети является разделение транспортных функций и функций обработки сигнальной информации между элементами сети, что важно при переходе к этапу массового предоставления услуг UMTS. Разделение функций, как и в случае с сетью радиодоступа, позволит легко приспосабливать сеть к быстро изменяющимся условиям: изменению нагрузки на различные сегменты сети, росту объема трафика.
Итак, рассмотрев особенности радиоинтерфейса UTRA, архитектуру сети радиодоступа и базовой сети, сформулируем основные направления по реализации концепции построения сети UMTS:
• следование рекомендациям ЗСРР;
• применение архитектурных решений, позволяющих сохранить инвестиции в существующие сети второго поколения и сократить расходы на внедрение сетей третьего поколения;
• обеспечение глубокой интеграции сетей второго и третьего поколений;
• развитие базовой сети с применением технологий АТМ и IР;
• массовое предоставление услуг широкополосной связи.
Как результат, сегодня можно сделать первый шаг к UMTS, внедрив GSM/GPRS, а далее, интегрируя информационные и телекоммуникационные технологии, перейти к массовому предоставлению услуг UMTS.
Изложенное может стать рациональным решением для формирования ресурса ТКС. Для создания ТКС целесообразно использовать АТМ-ядро U-MSK. Такой подход позволит решить проблемы передачи мультимедийного и изохронного трафика. На рис. 3.17 приведен вариант передачи мультимедийного трафика.
С точки зрения общей организации процесса накопления, обмена и распространения мультимедийной информации можно различить следующие базовые архитектуры:
• интерактивное мультимедийное вещание (М-вещание). Мультимедийная станция распространяет по одному (нескольким) цифровому радиоканалу информацию, доступную в режиме приема многим пользователям; обратный радиоканал для интерактивного взаимодействия
с мультимедийным содержанием организуется через сотовую сеть связи (например, сеть GSM); радиоканал характеризуется высокой асимметричностью; М-вещание осуществляется по технологии цифрового аудиовещания (DAB) или цифрового телевизионного вещания (DVB)j
• интерактивные онлайновые услуги. Web-сервер содержит мультимедийные данные, доступные через Интернет многим пользователям; мобильное взаимодействие пользователей с Web-сервером поддерживается через симметричный или асимметричный радиоканал;
• персональные мультимедийные услуги (М-услуги). Оператор связи предоставляет многим мобильным пользователям услуги видеоконференций, информационно-справочных служб, электронных платежей и т.п.; радиоканал может быть симметричным или почти симметричным;
• беспроводные локальные сети связи (WLAN). Оператор локальной связи обеспечивает в ограниченных пределах (комплекс зданий, аэропорт, бизнес-центр) широкий спектр мультимедийных услуг связи;
• глобальные спутниковые мультимедийные услуги.
Сети глобальной связи, интегрирующие М-вещание, Web-услуги, персональные М- услуги и другие виды услуг, обеспечивают различные уровни симметричности и виды пользовательского трафика.
Отметим, что эти базовые архитектуры различаются по ряду существенных характеристик: поддерживаемые услуги; степень симметричности и интерактивности пользовательского трафика; тип сети передачи данных; методы маршрутизации данных и реализации универсального коммуникационного транспорта типа АТМ.
Наиболее перспективными с точки зрения эффективности трафика, интерактивности и возможностей интеграции с другими сетями, в том числе Интернет, являются архитектуры, поддерживающие АТМ-технологию. Для мобильных АТМ-сетей мультимедийные приложения могут быть реализованы стандартным образом (прикладные протоколы, система сигнализации, управление виртуальными каналами и т.п.), как и в фиксированных АТМ-сетях. Поэтому АТМ-технология, реализованная в мобильных сетях, потенциально обладает рядом существенных преимуществ: высокая производительность и надежность трафика, высокий уровень интегрируемости с фиксированными сетями, стандартное решение проблемы абонентского радиодоступа (системы WLL). Одна из возможных архитектур предоставления мультимедийных услуг через транспортную АТМ-сеть показана на рис. 3.17.
Межсетевой шлюз выполняет специфические для мобильной сети функции: аутентификация пользователей, поддержка роуминга, защита информации, контроль качества QoS, управление мобильностью и т.п. Точка радиодоступа к базовой сети может быть реализована как в базовой, так и в мобильной станции. Тогда в последнем случае мобильный терминал взаимодействует с базовой станцией по АТМ-протоколу.
3.3. Терминальное оборудование
Авторы последних прогнозов в области мобильных технологий считают, что производители мобильных устройств все больше ориентируются на удовлетворение потребности компаний во взаимодействии со своими сотрудниками В2Е (business-to-employee). И хотя продукты В2Е не удостоились должного внимания со стороны аналитиков и не получили достаточного освещения в отраслевой прессе, они имеют решающее значение для предоставления мобильным пользователям полноценных услуг, необходимых для реализации эффективных информационных технологий управления. В частности, речь идет о предоставлении постоянного и надежного доступа к корпоративной БД в режиме реального времени.
В целом же речь идет о решениях, которые позволят эффективно реализовать мобильный доступ к приложениям, доступным в стационарных условиях [68].
Опрос специалистов-пользователей показал, что лидирующими являются электронная почта и приложения для сбора данных. Что же касается используемых мобильных устройств, то 66% опрошенных назвали ноутбуки, а остальные 34% — пейджеры с функциями электронной почты, карманные компьютеры, сотовые телефоны с микробраузерами и «интеллектуальные» WAP-телефоны.
Совсем недавно компания Handspring заключила ряд партнерских соглашений с целью реализации поддержки производимыми ею карманными персональными компьютерами (КПК) критически важных бизнес приложений, включая управление взаимоотношениями с клиентами (Customer-Relationship Management, CRM), планирование ресурсов предприятий (Enterprise Resource Planning, ERP), электронную почту и автоматизацию деятельности торговых представителей (Sales-Force Automation, SFA).
Мобильные устройства, работающие под управлением ОС Microsoft Windows СЕ, уже сегодня поддерживают разнообразные средства, обеспечивающие продуктивную работу и основанные на повсеместно распространенном пакете Microsoft Office. Стремление производителей удовлетворить запросы мобильных пользователей способствует росту поддержки беспроводными устройствами дополнительных приложений, обычно имеющихся в настольных системах.
Компании PeopleSoft, Siebel Systems и SAP уже начали адаптировать свои продукты с целью организации доступа к ним посредством беспроводных устройств, тем самым содействуя предприятиям в их начинании по развертыванию мобильных приложений.
Сегодня для мобильных платформ доступно множество «горизонтальных» приложений, например, таких, как приложения для быстрого обмена сообщениями (Instant Messaging, IM), электронная почта и средства поддержки совместной работы. Определяемые как достаточно универсальные и используемые в равной степени самыми разными предприятиями и организациями, эти приложения часто относят к категории корпоративных. Тем не менее главным коммерческим фактором, способствующим развертыванию мобильных сред, остается доступность «вертикальных», т.е. узкоспециализированных приложений, во многих случаях ориентированных на конкретные отрасли управленческой деятельности. К «вертикальным» приложениям обычно относят разные системы: ERP и CRM и др. Компании Air2Web и AvantGo, а также некоторые другие производители обеспечивают поддержку мобильных платформ «вертикальными» приложениями.
Для использования в мобильной среде хорошо подходят и уже вовсю используются сообществом приверженцев мобильных средств связи такие упоминавшиеся «горизонтальные» приложения, как электронная почта и календарное планирование, IM- и Web-приложения. КПК, ноутбуки и пейджеры могут предоставлять доступ к этим «горизонтальным» приложениям, что снижает начальные затраты на создание среды мобильных вычислений.
Что касается «вертикальных» приложений, то внедрить их в мобильную среду гораздо сложнее «горизонтальных». Перевод «вертикальных» приложений на любую новую платформу практически всегда сопряжен с модернизацией бизнес-процессов и дополнительным обучением пользователей. Кроме того, неизбежны затраты, связанные с изменениями сетевой инфраструктуры. По своей сложности перевод «вертикальных» приложений на мобильную платформу мало чем отличается от внедрения системы ERP, поэтому следует заранее оценить, оправдаются ли в долговременной перспективе инвестиции, вложенные в такой перевод. Приведет ли развертывание мобильных «вертикальных» приложений к повышению продуктивности работы органов управления, к сокращению штата или общих затрат на управление целесообразно исследовать в рамках техпроекта.
Согласно прогнозам компании Gartner, к 2004 г. международные органы стандартизации будут поддерживать, как минимум, 50 различных профилей устройств. Поэтому необходимо не только внимательно отслеживать развитие таких традиционных устройств, как КПК, сотовые телефоны и ноутбуки, но и за новыми типами мобильных устройств, к которым относятся «блокноты» и интеллектуальные телефоны. «Блокноты» (tablet devices), занимая промежуточное положение между традиционными КПК и ноутбуками, сочетают в себе такие свойства, как портативность, возможность мобильного взаимодействия с сетью и наличие операционной среды традиционной настольной системы. Это снижает потребность в разработке специализированных приложений для мобильных устройств, но не снимает проблем, связанных с управлением информационными ресурсами и ПО, синхронизацией данных и изменениями инфраструктуры.
Интеллектуальные телефоны, являясь результатом объединения двух устройств — КПК и сотового телефона, обеспечивают доступ к контенту информационным файлов различного типа.
Ноутбуки весом 3 кг вдруг начинают казаться ужасно тяжелыми, когда узнаешь о том, что карманные компьютеры способны делать почти то же самое, что и они. Появление новых платформ управления карманными устройствами, обеспечивающих синхронизацию данных КПК с данными корпоративных серверных приложений, сделало беспроводные устройства куда более привлекательными для мобильных пользователей, чем раньше.
Программное обеспечение управления мобильными устройствами позволяет администраторам собирать инвентаризационные данные, распространять программное обеспечение и файлы и выполнять специальные сценарии на самых разных платформах. Последние версии этого ПО были оптимизированы с точки зрения эффективного использования полосы пропускания радиоканалов.
Между тем с помощью платформ синхронизации организации могут перемещать корпоративные приложения, такие, как электронная почта, адресные книги и планировщики, непосредственно на карманные компьютеры. Эти платформы даже синхронизируют данные КПК с базами данных ODBC.
Для доставки приложений на мобильные устройства необходимо беспроводное связующее ПО или услуги сервис-провайдеров (wireless ASP).
Платформа будет извлекать данные из источника и преобразовывать их в формат, поддерживаемый мобильными устройствами. Таким образом, роль связующего ПО заключается в извлечении данных из серверных офисных систем и форматировании их для передачи на мобильные устройства.
Чтобы решить проблему связующего ПО своими силами, можно использовать готовые пакеты, инструментальные средства разработки или так называемые гибридные программные продукты. Фирма AvantGo предлагает пакет SFA, предназначенный для интеграции с популярными приложениями, в том числе Lotus Notes, Microsoft Exchange и системами ERP. Этот программный пакет поддерживает приложения управления сетью поставок SCM (Supply-Chain Management) и управления рабочими группами TMS (Team-Management System), а также обеспечивает интеграцию с заказными унаследованными системами. Фирма Air2Web пошла по другому пути: она предоставляет программный продукт, который является гибридом прикладного пакета и набора интерфейсов API и поддерживает язык XML. Это позволяет транзакционным приложениям использовать любые источники корпоративных данных, включая БД CRM, EAI (Enterprise-Application Integration), ERP, SFA, SCM и электронную почту. В этом пакете также имеются модули сопряжения для продуктов компаний Aspect Communications, J.D. Edwards, Lawson Software, PeopIeSoft, Remedy, SAP, Siebel и Vitria Technology.
В продаже появились инструментальные средства для создания специализированных решений на базе связующего ПО. Такие продукты, как J2ME (Java 2 Micro Edition) компании Sun Microsystems и BREW (Binary Runtime Enviroment for Wireless) компании Qualcomm, представляют собой среды разработки приложений. Выбор правильной стратегии развертывания связующего ПО играет ключевую роль в деле обеспечения поддержки современных мобильных устройств. Независимо от того какое решение будет выбрано, пакетное или заказное, созданное с помощью инструментального средства разработки, а может быть гибридное, все равно нужно будет определить, какая платформа связующего ПО лучше всего подойдет для реализации ИТ управления. До принятия окончательного решения необходимо проанализировать следующие возможности связующего ПО.
Управление сеансами связи. Совсем необязательно, чтобы беспроводная технология поддерживала постоянное соединение мобильного устройства с точкой доступа. Важно, чтобы платформа связующего ПО позволяла сохранять сеанс связи с мобильным устройством даже в том случае, если соединение было разорвано по какой-либо причине. Кроме того, после восстановления соединения связующее ПО должно автоматически синхронизировать мобильное устройство с хостом на основе данных о состоянии сеанса.
Расширение приложений. Связующее ПО может различаться по своим функциональным возможностям прикладного уровня. Это означает, что для преобразования могут быть взяты данные непосредственно из БД, а не только представленные, скажем, в формате HTML.
Интеграционные возможности. Интеграция источника данных с платформой связующего ПО — процесс исключительно важный для успешной реализации любого проекта мобильного доступа. Многие платформы не способны интегрироваться с серверными приложениями, однако более совершенные платформы предоставляют для этой цели модули сопряжения с серверными системами. И что особенно важно, так это то, что по мере необходимости производители готовы разрабатывать и поставлять на рынок дополнительные модули сопряжения. Необходимо, чтобы связующее ПО относительно просто интегрировалось с информационными системами, в противном случае вам опять придется начинать все с самого начала, т.е. вернуться к разработке специализированных приложений, чтобы привязать связующее ПО к приложениям.
После разработки сценария реализации проекта мобильной среды необходимо проработать все его детали. Прежде всего нужно определить, каким должно быть приложение — синхронизируемым или реального времени.
Бытует ошибочное мнение, что мобильный или беспроводной доступ к корпоративным информационным системам — это доступ в режиме реального времени. Он определяется как способность устройства взаимодействовать с сервером всякий раз, когда пользователю необходимо получить или отправить данные. Такой доступ является функцией, присущей сотовым телефонам, которые используются, например, с целью проверки статуса авиарейса, для торговли акциями или быстрого обмена сообщениями.
Синхронизация же предполагает, что мобильное устройство соединяется с сетью, чтобы лишь иногда считывать или отправлять данные. Наглядным примером приложения, поддерживающего технологию синхронизации данных, может быть приложение Lotus Notes. Оно синхронизирует пользовательские локальные данные с центральной БД и позволяет мобильным пользователям работать с актуальной информацией, несмотря на то, что они могут связываться с корпоративной сетью лишь периодически.
Чтобы выбрать оптимальную модель взаимодействия мобильного устройства с сетью, необходимо ответить на следующие вопросы: всегда ли пользователи работают в зоне уверенного радиоприема, как часто изменяются данные, к которым приходится обращаться мобильным пользователям, какие определенные преимущества с точки зрения выполнения задачи будет иметь доступ в режиме реального времени по сравнению с режимом синхронизации данных, является ли приемлемым для вас гарантированный доступ к синхронизируемым данным.
Вполне возможно, что после ответа на все эти вопросы придется выбрать гибридный подход. Действительно, как показывает корпоративная практика, половина пользователей использует смешанный подход. Другая же их половина разделилась поровну на тех, кто использует модель, основанную на доступе в режиме реального времени, и модель синхронизации. Если доступ в режиме реального времени гарантирует более ощутимые коммерческие преимущества, чем режим синхронизации данных, но пользователи чаще всего работают вне зоны действия мобильной сети, то необходимо ответить еще на один вопрос: как объединить эти две модели, реализовав преимущества каждой из них?
Карманные компьютеры, ноутбуки и «блокноты» обеспечивают доступ к данным как в режиме реального времени, так и в режиме синхронизации. Приложения, разрабатываемые с учетом этой парадигмы, могут предоставлять доступ к данным в зависимости от ситуации, возникающей в тот момент, когда пользователю они потребовались. Если, скажем, справочные данные изменяются редко, то вы добьетесь большего успеха, используя модель, которая основана на синхронизации данных, даже при достаточно широкой зоне, обслуживаемой вашей мобильной сетью.
Есть еще один фактор и его следует учитывать при выборе модели мобильной среды. Это имеющаяся у вас беспроводная инфраструктура. Особенно большую роль она играет при определении типов приложений, которые можно или необходимо сделать мобильными. Современные беспроводные инфраструктуры основаны на технологиях 2G и 2.5G. Инфраструктурные компоненты, основанные на технологии 2G, используют коммутацию каналов и передают данные с максимальной скоростью 9,6 кбит/с, а инфраструктурные компоненты, основанные на технологии 2.5G, используют коммутацию пакетов и передают данные с максимальной скоростью более 100 кбит/с. На горизонте уже маячит новая мобильная технология третьего поколения (36), которая будет поддерживать скорость передачи данных до 2 Мбит/с. Однако сегодня внедрение ее сдерживается проблемами с интероперабельностью и распределением частотного диапазона.
Фрагментированная поддержка технологий 2G и 2.5G тоже ведет к проблемам, поскольку в некоторых регионах страны может поддерживаться одна из этих технологий и не поддерживаться другая. Поэтому намеченные к переводу на мобильную платформу приложения вам следует тщательно проанализировать, чтобы понять, какого объема преобразований и какой частоты взаимодействий потребуют прикладные данные. После того как вы оцените время, необходимое для передачи прикладных данных со скоростью 9,6 кбит/с, вам, возможно, придется еще раз пересмотреть выбранные вами приложения и мобильные устройства.
Обмен данными на скорости 9,6 кбит/с может оказаться для вас мучительно медленным процессом, особенно если результаты запроса выдаются не сразу, а поэтапно в несколько шагов. Проектируя новые мобильные приложения и выбирая модель их развертывания, рассчитайте скорость передачи данных и производительность этих приложений.
Еще один фактор, заслуживающий внимания, — это протоколы и стандарты, используемые для беспроводной связи. Большинство мобильных Интернет-пользователей в Европе и США осуществляют доступ к беспроводным данным посредством протокола WAP. С его помощью можно решить некоторые проблемы, характерные для сетей с коммутацией каналов, например, такие, как задержка передачи данных, а также ряд проблем, связанных с разработкой приложений для сотовых телефонов, для которых характерны низкая вычислительная мощность и ограниченные возможности интерфейсов. iMode — основной протокол, используемый в сетях с коммутацией пакетов в Японии, поддерживает язык разметки HTML. Поскольку беспроводная технология в США развивается в направлении от сетей с коммутацией каналов к сетям с коммутацией пакетов, то вполне возможен переход от протокола WAP к другому более универсальному транспортному протоколу, используемому в Интернет, который, кроме всего прочего, позволит передавать данные в формате HTML или в формате других стандартов W3C, таких, как XML или xHTML.
3.4. Современное состояние, требования и принципы построения систем синхронизации в телекоммуникационных сетях
Развитие цифровых сетей связи в рамках ВСЭ России предполагает согласованное взаимодействие цифровых систем передачи и коммутации, входящих в эту сеть. Обеспечение такого взаимодействия путем установления и поддержания необходимой синхронности работы аппаратуры систем передачи и коммутации цифровых сетей ВСЭ осуществляется с помощью системы тактовой сетевой синхронизации (ТСС) [69-76].
Основной задачей синхронизации является достижение одинаковых или кратных частот генераторов (тактовых частот) всех цифровых устройств, входящих в систему цифровой связи. Для достижения синхронизации в сети необходимо:
• установить единую тактовую частоту для всей системы связи, чтобы система работала с одной скоростью;
• обеспечить, чтобы все цифровые устройства в сети работали синхронно; компенсировать задержку передачи между узлами коммутации и ее колебания, доведя ее до целого значения периода цикла;
• обеспечить условия функционирования сети синхронизации, позволяющие поддерживать синхронизацию в любое время независимо от изменений в структуре сети, вызванных такими факторами, как сбои в каналах и узлах, перестроение сети, ее расширение и т.д.;
• обеспечить стабильность системы синхронизации по отношению к таким нарушениям, как изменение частоты или фазы в узле, изменение времени передачи по линии.
Из описанного раскрывается интегральный смысл синхронизации — для системы синхронизации (ССх) практически нет разделения на первичную и вторичные сети, синхронизация должна охватывать всю сеть комплексно.
Согласно рекомендациям МСЭ-T G.702, G .803, G.811 на цифровых сетях связи возможны четыре режима работы тактовой синхронизации
(рис. 3.18), основными из которых являются синхронный и псевдосинхронный.
В синхронном режиме выравнивание частот генераторного оборудования (ГО) различных систем управления получается путем передачи синхросигналов. Данный режим характерен для работы аппаратуры в отдельном регионе ВСЭ РФ. Таких регионов в России в ближайшее время предполагается иметь не менее четырех, а в дальнейшем достигнет восьми.
При псевдосинхронном режиме ГО работает независимо. Этот режим является основным для взаимодействия между регионами, на международной сети, а также при связи со спутниковыми системами связи и с большинством ведомственных сетей. Однако точность установки тактовой частоты должна быть весьма высокой (не менее 10).
Если нестабильность ГО составляет 10-9, то режим работы системы тактовой синхронизации называют плезиохронным. Плезиохронный режим возникает на некоторых участках сети в период возникновения аварий и повреждений и считается допустимым, если его применение в течение года длится не более суток. При меньшей стабильности имеет место асинхронный режим.
Для достижения синхронизации в сети связи необходимо передавать информацию о тактовой частоте всем устройствам сети. Для этой цели используются синхросигналы (сигналы синхронизации). Такие сигналы могут передаваться в линейных сигналах или отдельно в виде специальных сигналов.
Таким образом, система тактовой сетевой синхронизации выполняет функции формирования и передачи к элементам сети связи соответствующих эталонных синхросигналов требуемого качества и благодаря этому создает такие условия работы в цифровой сети, при которых количество так называемых проскальзываний не превышает норм, установленных соответствующими рекомендациями МСЭ и европейскими стандартами электросвязи (см. рис. 3.18).
Под проскальзыванием понимается повторение или исключение группы символов в последовательности двоичных символов в результате различия между скоростями считывания и записи в буферной памяти.
Различают неуправляемые и управляемые проскальзывания. В первом случае в ТКС возникают групповые ошибки по причине нарушения цикловой синхронизации, а во втором она не теряется, но происходят потери одного бита информации. Управляемые проскальзывания в настоящее время являются единственно допустимым режимом работы системы тактовой сетевой синхронизации в действующих цифровых сетях связи и перспективных телекоммуникационных сетях.
Характеристика влияния проскальзываний на различные услуги связи и параметры каналов приведена в табл. 3.3.
В соответствии с действующими руководящими техническими материалами (РТМ) по построению систем ТСС на цифровой сети связи Российской Федерации различают ряд основных принципов ее реализации, являющихся общими для всех государственных и корпоративных операторов связи. К ним относятся:
• создание систем ТСС всех операторов с учетом регионального деления цифровой сети связи России по синхронизации, так как в каждом таком регионе устанавливаются первичные эталонные генераторы (ПЭГ);
• доставка синхросигналов соответствующих видов от ПЭГ по основным и резервным линиям ко всей аппаратуре систем передачи и коммутации, нуждающихся в синхронизации, осуществляется с помощью аппаратуры плезиохронной (ПЦИ) или синхронной (СЦИ) цифровой иерархии;
• использование принципа принудительной синхронизации (ведущий — ведомый) в сети распределения синхросигналов эталонной частоты от ПЭГ к вторичным задающим генераторам (ВЗГ) и генераторам сетевых элементов (ГСЭ) линий СЦИ, к нуждающейся в синхронизации аппаратуре транзитных и местных узлов связи, к генераторному оборудованию автоматических междугородних телефонных станций (АМТС) и коммуникационных систем перспективных телекоммуникационных сетей;
• преобразование синхросигналов на стыке линий СЦИ и ПЦИ, заключающееся в восстановлении тактовой частоты сигнала 2048 кбит/с от оборудования СЦИ синхросигналом 2048 кГц, выделенным в оборудовании СЦИ непосредственно из линейного сигнала (синхронного транспортного модуля STM-N);
• применение на региональных цифровых сетях связи по возможности однотипной аппаратуры синхронизации и единообразного подхода к обеспечению управления, контроля ее показателей и метрологического обеспечения;
• соответствие архитектуры построения сети TCC качественным показателям аппаратуры системы ТСС согласно рекомендациям МСЭ- T, Европейского института стандартизации и отечественным нормативным документам;
• проверка состояния систем ТСС путем ее аудита;
• использование эталонных сигналов от систем ГЛОНАСС и GPS (в основном в качестве резервных или контрольных сигналов).
При распределении сигналов синхронизации используется такая иерархия задающих генераторов, для которой каждый уровень задающего генератора синхронизируется по эталону более высокого или того же уровня:
• первый уровень — ПЭГ;
• второй — ВЗГ (транзитный узел);
• третий — ВЗГ местного узла или задающий генератор коммутационной станции;
• четвертый — задающий генератор сетевого элемента.
Первичный эталонный генератор — это эталонный задающий генератор, в функции которого входит использование эталонных стандартов частоты (водородных или цезиевых) для формирования выходных синхросигналов. При этом ПЭГ обеспечивается необходимым резервированием и средствами фильтрации сигнала в соответствии с ETS 300 462-6 и рекомендациями МСЭ-T G.811.
Вторичный эталонный генератор — это задающий генератор, исполняющий логические функции выбора входного сигнала синхронизации из ряда независимых источников. При этом осуществляется необходимая обработка и фильтрация сигнала, а также распределение синхросигнала в интересах других элементов узла связи. При повреждении или ухудшении всех входных эталонных сигналов синхронизации ВЗГ должен запомнить сведения о частоте перехода и включить режим ее запоминания в соответствии с ETS 300 462-4 и рекомендациями МСЭ-T G.812. Основные характеристики стандартов частоты и их сравнительные характеристики приведены в табл. 3.4 и 3.5.
Генератор сетевого элемента — это встроенный в сетевой элемент (мультиплексор) задающий генератор, принимающий входные сигналы синхронизации от ряда внешних источников, выбирающий один из них и производящий его минимальную фильтрацию. В случае повреждения всех входных эталонных сигналов синхронизации ГСЭ должен обеспечивать
использование внутреннего собственного задающего генератора, который в режиме запоминания частоты реализует сохранение приблизительной частоты эталонного входного синхросигнала в соответствии с ETS 300 462-5 и рекомендациями MC3-Т G.813.
При установке ПЭГ необходимо учитывать протяженность магистральной цифровой сети связи и объем оборудования на ней. Это значит, что:
• система ТСС магистральной цифровой сети связи ведомственной цифровой системы связи (ВЦСС) должна иметь независимые от других цифровых сетей России источники получения сигналов синхронизации — ПЭГ и только в качестве резерва использовать сигналы синхронизации от базовой системы ТСС ВСЭ России. Технологически независимая разветвленная цифровая сеть не должна зависеть от систем ТСС других телекоммуникационных сетей;
• цепочки, образованные при передаче синхросигналов ГСЭ СП СЦИ, не должны иметь более 60 сетевых элементов. Для повышения надежности проектируемой схемы количество последовательно включенных ГСЭ не должно превышать 40 — 50, а количество ВЗГ, применяемых для восстановления сигналов синхронизации, может быть до 8;
• размещение ПЭГ на междугородной цифровой сети ВЦСС должно, по возможности, совпадать с центрами (пунктами) управления сетью;
• количество устанавливаемых на сети ПЭГ может не обеспечивать возможность взаимного резервирования регионов по синхронизации, образуемых этими ПЭГ. В аварийных ситуациях некоторые участки сети могут синхронизироваться от ВЗГ, работающих в режиме запоминания частоты, или от приемников эталонных сигналов спутниковых радионавигационных систем ГЛОНАСС/GPS. Такая синхронизация возможна в течение времени, достаточного для устранения аварии.
Основным назначением ВЗГ (транзитного ВЗГ) на магистральной цифровой сети ВЦСС является восстановление синхросигналов, передаваемых от ПЭГ по СП СЦИ. Цепочки, образуемые из ГСЭ в цепи передачи синхросигналов между ПЭГ и ВЗГ или между двумя ВЗГ, не должны превышать 20 сетевых элементов; желательно, чтобы их было не более 10-15.
При авариях в цепи передачи синхросигналов ВЗГ может сравнительно длительное время обеспечивать надежную синхронизацию на сети, особенно если на данном элементе применяют в качестве резерва приемники навигационных сигналов ГЛОНАСС/GPS, которые управляют рубидиевыми генераторами частоты (квантовыми генераторами), входящими в эти ВЗГ. Кроме того, на крупных узлах ВЗГ (местный или узловой) обеспечивает надежную синхронизацию всего оборудования узла, нуждающегося в синхронизации. Однако надо иметь в виду, что количество
последовательно включенных элементов в цепочку ВЗГ теоретически не должно превышать 10, а в реально проектируемой схеме до 7-8.
Для обеспечения надежного резервирования при построении системы TCC необходимо предусмотреть использование сигналов синхронизации от базовой системы ТСС ВСЭ России. Синхронизация от системы TCC базовой сети может использоваться без ограничений, если сигналы синхронизации поступают непосредственно от ПЭГ или ВЗГ этой сети или прямо на ВЗГ, установленный на ВЦСС. Во всех других случаях необходим тщательный анализ цепи передачи используемых синхросигналов как на сети ВЦСС, так и на базовой сети.
Принципы построения системы TCC и организации сети распределения синхросигналов постоянно совершенствуются, что находит отражение в различных документах МСЭ-T и Европейского института стандартизации по электросвязи, а также в периодической литературе.
Однако некоторым важным вопросам, являющимся общими для всех цифровых сетей связи ВСЭ России, не уделено еще должного внимания. К ним в первую очередь относятся вопросы построения системы тактовой сетевой синхронизации ведомственных цифровых сетей связи и ее взаимодействие с сетями TCC, создаваемыми другими операторами.
Последовательное развитие концепции системы синхронизации привело к формированию ряда основных правил ее построения:
• граф синхронизации в отличие от графа топологии сети должен быть незамкнутым (радиально-узловая модель);
• граф синхронизации часто отличается от топологии самой цифровой сети связи и создается как наложенная сеть над первичной и вторичными сетями;
• разделение систем синхронизации на межузловую систему синхронизации и внутриузловую систему синхронизации;
• создание системы диагностики и управления системой синхронизации, которые базируются на общую концепцию TMN.
Современная концепция построения системы синхронизации характеризуется полномасштабным внедрением концепции интегрированных систем синхронизации (BITS) (рис. 3.19).
Система межузловой синхронизации (СМС) предусматривает размещение в ключевых узлах сети генераторов синхронизации и построение системы распределения синхрочастот по сети с использованием трафиковых или выделенных каналов. Построение СМС в современных системах СЦИ имеет некоторые особенности. Так, например, наличие в системах СЦИ механизма компенсации рассинхронизации методом смещения указателей приводит к тому, что поток данных, передаваемый в контейнерах цифровых систем передачи, не может быть использован в качестве канала для передачи синхросигнала. Поэтому для синхронизации систем передачи СЦИ используется линейный оптический сигнал или специальные сигналы, передаваемые не в синхронных контейнерах.
В первом случае само оборудование СЦИ обычно позволяет выделять синхросигнал. Для этого оно оснащено интерфейсами приема и генерации синхросигналов. Еще одной особенностью синхронизации систем передачи СЦИ является широкое использование сигналов, передающих информацию о параметрах синхросигнала.
Система внутриузловой синхронизации (СВС) имеет локальное значение и определяет порядок синхронизации различных цифровых устройств в пределах одного узла сети.
Учитывая, что в последнее время значительно повысились требования к надежности и качеству систем синхронизации, в состав современной системы синхронизации включается подсистема контроля и управления качеством системы синхронизации (QoS) (рис. 3.20), которая непосредственно связана с обслуживанием системы синхронизации. Основным назначением этой подсистемы является управление, диагностика и тестирование системы синхронизации. Для обеспечения высоких параметров качества и надежности системы ТСС создается система управления, интегрированная в общую платформу TMN, что позволяет администратору сети контролировать состояние ее элементов и реконфигурировать ее из единого центра в режиме реального времени.
В настоящее время несколько зарубежных фирм, в частности, Hewlett-Packard (СУ ССх НР Smart View/NT и НР Smart View/UX), «Осциллокварц» (СУ ССх Sync View), Telecom Solutions (СУ ССх Time Scan/NMS) и Lucent Technologies (СУ ССх SAM-CS) разработали и предложили СУ ССх для использования в сетях СЦИ. Эти СУ ССх реализуют указанные выше функции, построены по аналогичным принципам и работают со своим оборудованием ПЭГ/ВЗГ/SASE. Каноническая структура данных СУ ССх показана на рис. 3.20.
Все эти СУ ССх являются самостоятельными и связаны с общей системой управления электросвязью (СУЭ) через интерфейс типа Q3. СУ ССх предоставляет оператору полную картину всех событий, связанных с тактовой синхронизацией сети, а именно: конфигурацию сети синхронизации; аварии в этой сети; прохождение сигналов синхронизации и их качество.
СУ ССх НР Smart View/UX может работать более чем с 1000 СЭ, в то время как СУ ССх SAM-CS+ не более чем со 128. Региональный
менеджер (региональный вариант) СУ ТСС Пупс View может работать не более чем с 10 сетевыми элементами, поэтому для их увеличения следует использовать двухуровневую структуру с сетевым менеджером.
СУ ССх HP Smart View/UX допускает совместную работу с системой HP Open View/SDH, управляющей оборудованием тактовой синхронизации сети СЦИ, что обеспечивает оператору единое представление и контроль всей ССх в сети СЦИ. Однако здесь требуется согласование интерфейсов сетевых элементов с системой HP Open View/SDH. Аналогичная проблема возникнет перед производителями других СУ ССх при попытке включить в сферу управления сами СЭ СЦИ. При этом никто из них, за исключением Lucent Technologies, не производит СЭ СЦИ.
Сеть передачи данных для связи СУ ССх с ПЭГ/ВЗГ/SASE на нижних уровнях использует встроенные каналы передачи данных СЦИ с протоколами X.25, Ethernet или TCP/IP.
Отмечая приблизительное равенство рассмотренных СУ ССх с точки зрения их функций и характеристик, следует выделить тот факт, что все СУ выполнены на программном обеспечении, операционной системе и оборудовании одной конкретной фирмы.
Изложенные выше СУ ССх могут взаимодействовать на уровне управления сетевыми элементами с сетевой СУЭ. С этой целью СУ ССх поддерживает стандартный интерфейс Q3. Tо есть в случае необходимости эта СУ ССх может работать как подчиненная система по отношению к сетевой СУЭ. Через интерфейс Q3 оператор СУЭ может входить в СУ ССх и проводить там необходимые действия (рис. 3.20).
Методы обеспечения синхронизма в группе пространственно разнесенных опорных генераторов отличаются большим разнообразием, однако их все можно классифицировать в соответствии с применяемыми алгоритмами синхронизации. В зависимости от управляющих сигналов, которые обеспечивают синхронизацию, общий класс сетей с передачей сигналов частоты и времени можно разбить на две основные категории: плезиохронные и синхронные сети (рис. 3.21).
В каждом узле плезиохронной сети имеется собственный прецизионный опорный генератор, а управляющие сигналы для координации работы генераторов не предусматриваются. Вначале генераторы регулируются таким образом, чтобы разница в отсчете времени была бы равна нулю (по крайней мере, стараются добиться, чтобы эта величина была минимальной).
Поскольку опорные генераторы плезиохронной сети независимы, их собственные частоты несколько различаются. Эта разность частот вызывает линейно возрастающую во времени погрешность между генераторами сети. Накоплению временной погрешности между узлами сети способствуют и другие факторы, например уход частоты и фазовый шум. Временная погрешность может в конечном счете превысить допустимое значение, и тогда работу сети придется приостанавливать для приведения опорных генераторов в исходное состояние. Промежуток времени между корректировками зависит от качества опорных генераторов и допустимого расхождения во времени опорных генераторов сети.
Достоинства плезиохронных сетей заключаются в простоте реализации и устойчивости к отказам узловых опорных генераторов, поскольку отказ одного генератора не нарушает работу других опорных генераторов сети благодаря их независимости. Главный недостаток плезиохронных сетей связан с высокими затратами на приобретение и эксплуатацию сверхточных опорных генераторов, а также с необходимостью их частых корректировок.
В синхронных сетях все опорные генераторы синхронизированы во времени (по фазе) и по частоте с общим для сети временем и частотой, так что шкалы времени, образуемые пространственно удаленными генераторами, в среднем идентичны. Такого синхронизма можно добиться несколькими способами. В зависимости от характера управляющих сигналов применяемые в синхронных сетях методы синхронизации делятся на централизованные (взаимные) и децентрализованные (принудительные). Каждая из этих групп, в свою очередь, подразделяется по способу
управления генераторами и по характеристикам применяемых устройств фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ) (см. рис. 3.21).
В централизованных сетях используется метод синхронизации по задающему генератору, согласно которому все опорные генераторы сети прямо или косвенно подстраиваются по одному задающему генератору сети. Этот генератор задает шкалу времени и частоту сети.
Децентрализованные сети действуют по принципу взаимной синхронизации. В сетях с взаимной синхронизацией задающий генератор отсутствует, и все опорные генераторы вносят равный вклад в определение частоты и шкалы времени сети.
В табл. 3.6 приведены достоинства и недостатки различных по характеру синхронизации структур сетей.
Надежность является одним из основных критериев, которому должны удовлетворять современные телекоммуникационные сети. Однако при синтезе сетей связи не всегда предоставляется возможность проанализировать ее с точки зрения надежности. В связи с этим необходимые предпосылки для ее обеспечения закладываются с точки зрения топологических требований по обеспечению заданного числа независимых путей между определенными корреспондирующими узлами. Эти требования направлены на обеспечение информационного обмена между абонентами сети. При этом критерием исправной работы сети в этом случае является наличие хотя бы одного пути передачи информации между рассматриваемыми узлами. Это справедливо при рассмотрении вопросов обеспечения ресурсами вторичных сетей. Однако при построении системы тактовой сетевой синхронизации необходимо обеспечить ее надежное функционирование даже при условии, что остался единственный путь передачи информации. Для этого необходимо использование ресурсов сети обмена данными системы управления ТКС, которая может быть реализована на основе системы сигнализации.