Большая ставка на IP - Конвергентные сети

Введение

Распространение мультисервисных сетей (converged networks) может оказать решающее влияние на развитие телекоммуникационных систем и систем передач данных в будущем. Идея объединить в единой сетевой инфраструктуре, основанной на пакетном протоколе, возможность передачи и данных, и голосовых потоков, и видеоинформации - оказалась весьма заманчивой для провайдеров, специализирующихся на предоставлении телекоммуникационных сервисов, ведь она в одно мгновенье способна существенно расширить спектр предоставляемых ими услуг.

Не многим известно, что действовавшая на проходившем прошлым летом Чемпионате мира по футболу мультисервисная сеть объединила 40 тыс. точек доступа, размещенных на 20 стадионах в Южной Корее и Японии, а также два международных информационных центра и два офиса FIFA. За время проведения Чемпионата данная сеть перегнала по своим артериям около 10 Тбайт информации, состоящей из результатов и видеосюжетов матчей, репортажей журналистов, мультимедийных сообщений, а также телефонных разговоров (IP-телефония). Сеть обслуживала около 100 тыс. вызовов в день, при этом время задержек IP-пакетов между самыми удаленными центрами в Иокогаме и Сеуле не превышало 70 мс, что соответствует требованиям качественной передачи голоса.

Факт организации IP-сети для передачи голоса на столь знаменательном событии в мировом масштабе – лишнее подтверждение тому, как глубоко проникла альтернативная телефония в обыденную жизнь массового пользователя. Так, по данным ряда исследовательских компаний, общее число минут, переданных по IP-сетям, в прошлом году составило около 25 млрд., что на 45% больше, чем за 2000 год. А к 2004 году, по прогнозам ITU-T, IP-телефония будет обеспечивать 40% всех мировых телефонных переговоров. Примечательно, что в России уже сегодня на долю пакетной телефонии приходится, по разным оценкам, порядка 20-40% голосового трафика. Число лицензий, выданных операторам и провайдерам, предоставляющим услуги IP-телефонии, перевалило далеко за тысячу. Кроме того, крупные российские операторы "традиционных" сетей, такие как ОАО "Ростелеком" и ОАО "Электросвязь" очень активно ведут строительство транспортных пакетных сетей, предназначенных и для передачи голоса, тем самым, сделав ставку на IP-сервисы или мультисервисные каналы.

На практике

Современные системы связи представляют собой весьма разнородную среду передачи информации. В них используются медные провода и кабели, волоконно-оптические линии, и даже радиоэфир. Кроме того, все это кабельно-передающее хозяйство существенно разнится по назначению, так как ранее существовало правило строгой дифференциации каналов для передачи данных, телефонии, а также телевидения. В результате возникают проблемы согласования различных систем, и вопросы управления сложной информационной средой, которая с учетом требования современности понемногу начинает объединяться в единое целое.

Одним из методов интегрирования различных систем воедино, является применение технологии ATM (Asynchronous Transfer Mode), которая позволяет одновременно передавать разнородный трафик (голос, видео, данные), причем даже в гетерогенной среде. Эта технология обеспечивает следующие преимущества: независимость от физического уровня, способность функционирования в мультипротокольной информационной среде (важно для организации глобальных сетей), а также эффективность управления сложным трафиком. В настоящее время примерно 20% мирового трафика передается именно по ATM-сетям. И все же данная технология внедряется довольно медленно, что обусловлено наличием большого количества альтернативных устройств, позволяющих решать конкретные, узконаправленные задачи. В результате технический прогресс на Западе сдерживается сроками амортизации существующего оборудования.

В России и других странах СНГ наблюдается совершенно иная картина. Отсутствие развитых современных систем связи приводит к появлению множества проектов строительства волоконно-оптических систем связи регионального и межрегионального уровня, которые достаточно быстро воплощаются в жизнь. Однако при разработке большого числа проектов за основу берут SDH-технологию (Synchronous Digital Hierarchy), оборудование на основе которой весьма ограничено в плане модернизации. В результате, для дальнейшего развития зачастую требуется переход на технологии более высокого уровня, и процесс расширения может затянуться, как и в случае использования концепции ATM.
Сети SDH обеспечивают работу канала связи только для передачи информации, используя оптическое волокно, позволяющее получить высокоскоростные коммуникационные магистрали. Данная технология используется на физическом и канальном уровне, а созданием сетевой инфраструктуры занимаются пользователи транспортных сетей (поставщики сетевых услуг), что называется, "на местах".
В ATM-сетях услуги присущи самой технологии. Общей тенденцией последних лет стал уход операторов связи от услуг ограниченным канальным уровнем. Совершенно естественно, что владелец каналов связи заинтересован в повышении эффективности бизнеса, чему способствует предоставление более дорогих услуг сетевого уровня. Характерным примером является деятельность компании British Telecommunications (BT) (английский оператор связи национального уровня), которая покупает существующие SDH-сети и модернизирует их до ATM. В результате BT выступает на рынке и как оператор каналов связи, и как провайдер услуг, удовлетворяя, таким образом, множество клиентов самого разного уровня.

Экономическое обоснование

Стремление операторов телекоммуникационных услуг обособиться от разнородных сетевых структур, содержание которых экономически неэффективно с точки зрения современного бизнеса, а перейти к предоставлению комплекса услуг по передаче всех типов пользовательских трафиков на базе сетей с коммутируемыми ячейками (ATM или IP) - вполне понятно, и объяснять его причины - излишне. Другое дело - неподдельный интерес, проявляемый компаниями-разработчиками программных приложений к конвергентным сетям. В их стратегии мультисервисные сети смогли бы сыграть ключевую роль, позволив создать многофункциональные бизнес-приложения, которые, оперируя различными типами трафика, смогли бы предоставить пользователю возможности, предлагаемые голосовой и электронной почтой, службой мгновенных сообщений, компьютерной телефонии, а также видеоконференций в одном программном пакете.
Сегодня доминирующим протоколом для доступа к WAN, как на периферии сети, так и в ее ядре является IP. Идея использования существующей инфрастуктуры для передачи и голоса и данных стала ключевой для современной телекоммуникационной индустрии.

Техническое обоснование

Однако если с экономической точки зрения идея мультисервисных сетей видится в радужных тонах, то с технической точки зрения - не все так просто. Все дело в том, что трафик голоса и данных - разнотипен. Для передачи данных характерен всплескообразный график использования сетевых ресурсов, а передача голоса характеризуется равномерной зависимостью показателя использования существующей полосы пропускания канала от времени. Особенно важной характеристикой при передаче голоса является время ожидания пакетов, которое должно быть сведено до минимума, иначе абоненты будут слышать сложно интерпретируемые прерывистые обрывки речи.
Осложняет ситуацию и тот факт, что современные телекоммуникационные магистрали используют технологии коммутации каналов, а также схемы мультиплексирования типа TDM (Time Division Multiplexing), что говорит об их ориентации на обслуживание ограниченного количества потока данных, а также регулярность параметров трафика. На практике, какова бы ни была ширина пропускной полосы телекоммуникационного канала, ее все равно не хватит для передачи нерегулярного трафика данных. В тоже время, в ряде случаев инфраструктура телекоммуникационных каналов развита значительно лучше цифровой, и множество операторов все чаще и чаще сталкиваются с проблемой замены неэффективной TDM-системы, при необходимости сохранения качества голосового трафика. Выходом из сложившейся ситуации видится замена TDM-сетей с коммутацией каналов на современную пакетную сеть.

Технология временного уплотнения

При использовании технологии временного уплотнения (Time Division Multiplexing - TDM) различным подканалам передачи данных предоставляются разные интервалы времени уплотненного основного канала связи "внутри" одного физического канала. Устройства (мультиплексоры), работающие на принципах TDM, смешивают, например, поток данных и оцифрованный голос с одной стороны канала связи, и разделяют их - с противоположной. Каждому потоку данных, в том числе и оцифрованному голосу (либо потоку цифрового видео), отводится определенный временной интервал. Системы связи, построенные на принципах TDM, образуют, как правило, так называемые магистральные (или опорные) сети. Технология TDM позволяет строить территориальные опорные сети весьма значительной пропускной способности n x 155 Мбит/сек (где n = 1, 4, 16 или 32) при невысокой стоимости оборудования.

Еще одним технически оправдывающим фактором для мультисервисных сетей является возможность организации беспроводных инфраструктур, подключенных к имеющимся проводным. По мнению большинства аналитиков, именно мобильный пользователь, в конце концов, предопределит использование конвергентных сетей. Правильность данного предположения можно наблюдать уже хотя бы на пути эволюции стандартов сотовой связи. Сегодняшние стандарты группы 2,5G способны организовать как передачу данных со скоростью до 384 Кбайт/сек (при помощи классических пакетных интерфейсов), так и IP-базирующиеся голосовые потоки.

Конкретика

Архитектура современных конвергентных сетей сегодня базируется на трех технологических китах. Первый важнейший элемент, позволивший эффективно обледенить принципиально разные потоки данных - технология VoIP (Voice over IP), которая позволяет, пользуясь существующей цифровой инфраструктурой передачи данных, переправлять еще и голос. Два других неотъемлемых элемента, обеспечивающих нормальное функционирование конвергентных систем - многоцелевые сети, использующие функционально распределенную IP-базированную сетевую архитектуру, а также набор международных протоколов для телекоммуникационного взаимодействия.

Несмотря на то, что любая коммуникационная ступень мультисервисной сети может использовать различную технику для обработки потока данных, и каждая стадия процесса передачи и распределения может осуществляться в своем стандарте, способы построения конвергентных сетей достаточно сильно канонизированы. Единственно важное требование при проектировании подобных систем - необходимость приведения потоков информации к единому формату на границе раздела функциональных составляющих сетей или при объединении потоков. Данные задачи выполняются шлюзами, которые бывают трех типов: Signaling Gateways, Media Gateways и Media Gateways Controllers.

Signaling Gateways (или сигнальные шлюзы) транслируют протоколы сигнализации между различными сетями. Кроме того, шлюз данного типа может быть настроен на обмен сообщений с удаленных устройств IP-сети с телефонной сетью для установки вызовов.
В дальнейшем преобразованные сигнальным шлюзом потоки могут обрабатываться на Media Gateways Controllers, обеспечивая, таким образом, координацию между шлюзами в соответствии с сигнальной информацией. Кроме того, Media Gateways Controllers выполняют важнейшую функцию обработки сигнальной информации между сетями с пакетными данными и сетями с коммутируемыми каналами.
Если говорить об исполнении Media Gateways Controllers, то он представляет собой обычный компьютер серверного типа, на котором функционирует ряд обслуживающих сеть программ. Одной из таких программ и является приложение Media Gateways Controllers, которое может кроме вышеперечисленных функций осуществлять еще и управление вызовами, их маршрутизацией, аутентификацией пользователей, а также разрывом связи с ними и сигнализации об этом другим сетевым службам.

Еще одна важная способность шлюзов Media Gateways Controllers - возможность организации работы сетей с различными сигнальными интерфейсами. Обычно Media Gateways Controllers работают напрямую с инородными сигнальными системами, но в ряде случаев могут также получать сигнал с Signaling Gateways и передавать их на Media Gateways, для дальнейшей обработки.
Шлюзы Media Gateways наиболее распространены, так как обеспечивают взаимодействие между IP-сетью и сетевыми сервисами, базирующимися на ней (например, сервисами телефонных сетей общего пользования). Кроме того, Media Gateways осуществляют взаимодействие между гетерогенными участками сети, и окончательно преобразуют медиа-данные (голос, потоковое видео) в пакетно-представленные потоки. В общем случае Media Gateways может служить мультисетевым терминатором, модулятором/демодулятором голоса в различные форматы, подавителем эха или детерминатором/генератором тональной частоты.

Используемые протоколы

Обмен информацией между сетевыми устройствами в конвергентных сетях ведется с помощью набора стандартных протоколов, которые могут выбираться в зависимости от возникающих задач. Именно протоколы определяют вторую важную составляющую качества функционирования мультисервисных сетей. Существует несколько основных протоколов: H.323, Session Initiation Protocol, Media Gateway Control Protocol, MEGACO/H.248 и Signaling Transport. Перечислим кратко их возможности и способности.

Протокол H.323 явился одной из первых реализаций технологии VoIP, однако со временем уступил свои позиции протоколу Session Initiation Protocol, который оказался проще, и лучше масштабировался.

Session Initiation Protocol является протоколом прикладного уровня, с помощью которого осуществляются установление, модификация и завершение мультимедийных сессий или вызовов по IP-сети. Протокол Session Initiation Protocol для мультисервисных сетей функционально аналогичен H.323. Сессии Session Initiation Protocol могут поддерживать мультимедийные конференции, дистанционное обучение, IP-телефонию и другие приложения. Сегодня данный протокол является наиболее частым выбором при построении международных конвергентных каналов.

Media Gateway Control Protocol используется для управления шлюзами Media Gateways. Он разработан для архитектуры, которая подразумевает внешнее управление вызовами, например, как в случае сетевых приложений Media Gateways Controllers.

Media Gateway Control Protocol (MEGACO/H.248) представляет собой протокол, который в будущем должен заменить Media Gateway Control Protocol в качестве стандарта для управления шлюзами Media Gateways. Кроме того, он должен стать специальным решением для указанных шлюзов; протокол MEGACO планируется использовать и как общую платформу для устройств управления многоточечными соединениями и устройств интерактивного голосового ответа.

Signaling Transport представляет собой набор протоколов для передачи сигнальной информации по IP-сетям, то есть является обслуживающим протоколом. Кроме того, он является основным транспортным компонентом в архитектуре VoIP и используется в Signaling Gateways и Media Gateways Controllers.

Вместо эпилога

Даже после столь краткого знакомства с конвергентными сетями в них можно усмотреть глубочайший потенциал, который, кроме всего прочего подразумевает переосмысление, казалось бы, азбучных истин в сфере телекоммуникаций. Мультисервисная ориентация современных сетей, несомненно, принесет телекоммуникационной отрасли и отрасли производства коммутативно-телекоммуникационного оборудования заметный рост, особенно на этапе "конвергентной революции", в осуществлении которой сомневаться не приходиться. С другой стороны, первоначальные затраты операторов телекоммуникационных услуг окупятся в самом ближайшем будущем, ведь универсальность технологии позволит им расширить не только спектр предлагаемых пользователям услуг, но существенно расширить количество клиентов. Кроме того, усиление конкуренции на рынке предоставления первичных телекоммуникационных услуг на конечном корпоративном пользователе может сказаться лишь положительным образом, ведь заложниками борьбы за нового клиента станут как старые телекоммуникационные компании, которые расширяются за счет внедрения мультисервисных каналов, так и новые игроки на рынке связи - компании, предоставлющие доступ в Интернет. Не стоит забывать и про операторов мобильной связи, которые в свете скорого внедрения IP-ориентированных сетей третьего поколения также станут клиентами конвергентных магистралей.

В итоге все это поставит перед сервис-провайдерами, консалтинговыми компаниями по настройке коммуникаций и производителями телекоммуникационного оборудования весьма сложные задачи, в решении которых сомневаться, правда, не приходиться, так как техническая база для создания мультисервисных сетей имеется уже сегодня.