Леонид Бараш. Архитектура мультисервисных сетей.

На главную страницу электронной библиотеки

Журлнал "Компьютерное Обозрение" #14, 2002г

Леонид Бараш. Архитектура мультисервисных сетей.

Исторически корпоративные сети передачи данных, голоса и видео строились независимо, базировались на разных инфраструктурах и технологиях. Обычно в качестве каналов связи использовались выделенные линии, а технологиями передачи данных служили Frame Relay и ATM. Очевидно, что эксплуатация и сопровождение разнородных структур весьма неэффективны, и нуждам бизнеса более соответствуют сети следующего поколения, которые обещают передавать все типы пользовательских трафиков на базе сетей с коммутацией пакетов (ячеек), таких, как Frame Relay, ATM или IP. К тому же мультисервисные сети сыграли бы ключевую роль в появлении бизнес-приложений, которые смогли бы естественным образом поддерживать любой тип трафика и такие возможности, как голосовая и электронная службы сообщений, функции компьютерной телефонии, видеоконференции и видеоприложения.

Сегодня доминирующим протоколом для доступа к WAN, на периферии сети и в ее ядре является IP. Концепция управляемой IP-инфраструктуры для передачи голоса и данных буквально всколыхнула индустрию. Возможность получить расширенный сервис, который может быть предоставлен за более низкую цену, стала достаточно сильной мотивацией для разработки новых приложений.

Однако не все так безоблачно. Трафики данных и голоса имеют столь разные особенности, что их трудно примирить в единой сети. У первого непредсказуемый взрывной характер, он поглощает почти все наличные ресурсы сети в случайные короткие отрезки времени, в то время как второй предсказуем и требует устойчивой передачи из конца в конец с малым временем ожидания.

Современные телекоммуникационные сети используют технологию коммутации каналов и TDM (Time Division Multiplexing) в качестве схемы мультиплексирования. Они проектировались для передачи голосовых потоков и не могут эффективно поддерживать нерегулярный трафик данных. В то же время сегодня темпы роста трафика данных несоизмеримо выше голосового (рис. 1), и операторы столкнулись с проблемой, как заменить неэффективную TDM-инфраструктуру, сохранив при этом необходимое качество голосового трафика. Здесь возможен только один путь -- постепенная замена TDM-сетей с коммутацией каналов на инфраструктуру пакетных сетей.

Следует сказать, что дополнительным фактором, стимулирующим этот процесс замены, служит повсеместное распространение беспроводных коммуникаций. И аналитики отмечают, что рост запросов на объединенные сервисы голоса и данных в мобильных коммуникациях даже выше, чем в проводных. Существующие сегодня беспроводные сети второй генерации (такие, как GSM) имеют весьма ограниченные возможности для передачи данных -- в типичном случае это 9,6 Kbps. Беспроводные сети последующих поколений обещают связь с Internet в режиме реального времени и эффективную поддержку трафика данных. Здесь основная ставка делается на 3G-сети, которые должны обеспечить переход от ориентированных на передачу голоса сетей с коммутацией каналов к мультимедиа-ориентированным (голос, данные, видео, факс) пакетным сетям. Однако достаточно быстрого разворачивания инфраструктуры 3G не ожидается, и роль переходного звена должны сыграть 2,5G-сети, такие, как GPRS со скоростью передачи данных 115 Kbps и EDGE (Enhanced Data for GSM Evolution) с пропускной способностью 384 Kbps. Общим у всех этих улучшений является пакетная передача оцифрованного голоса по протоколу IP. Таким образом, беспроводные коммуникации становятся еще одной движущей силой для создания мультисервисных сетей.

Модель IP-базированных мультисервисных сетей

Фундамент современных мультисервисных сетей составляют три ключевых элемента. Это технология "голос поверх IP" (Voice over IP -- VoIP), которая обеспечивает передачу голоса по сетям передачи данных, многоцелевые сети, построенные на основе новой функционально распределенной IP-базированной сетевой архитектуре, и открытые системы -- набор международных протоколов и стандартов для взаимодействия.

Основная задача мультисервисных сетей заключается в обеспечении взаимодействия разных коммуникационных подсистем, чтобы для передачи голоса, данных и видео использовалась единая инфраструктура.

Основные элементы инфраструктуры мультисервисных сетей

Каждая коммуникационная подсистема мультисервисной сети может использовать различную технику для обработки своего трафика (голоса, данных или видео), и на каждой стадии этого процесса могут применяться различные коммуникационные стандарты. На границе сети эти потоки должны быть приведены к единому формату -- задача, которая, вообще говоря, требует значительных вычислительных мощностей. Ее выполняют соответствующие шлюзы (рис. 2). Их можно разделить на три основные категории (ввиду очевидности, мы сохраним оригинал языка):

Media Gateways (MG) обеспечивают взаимодействие между IP-сетью и сетевыми сервисами, такими, например, как сервисы телефонных сетей общего пользования (Public Switched Telephone Network -- PSTN) и беспроводных сетей;

Signaling Gateways (SG) транслируют протоколы сигнализации между различными сетями;

Media Gateway Controllers (MGC) или Softswitchs обеспечивают координацию между шлюзами в соответствии с сигнальной информацией, которую они получают от шлюзов сигнализации.

Далее мы подробнее остановимся на типичных функциях, выполняемых каждым из основных элементов, и открытых протоколах, посредством которых они взаимодействуют.

Media Gateway. Это устройство является одним из ключевых элементов в инфраструктуре мультисервисных сетей. В его задачу входит обеспечить взаимодействие сетей разных стандартов. Оно осуществляет преобразование форматов медиа-потоков, таких, как голос и видео, и управляет передачей информации между разными сетями. В общем, шлюз выполняет некоторые или все из следующих функций:

служит мультисетевым терминатором (например, для цифровых каналов Т1/Е1, сетей Ethernet и ATM);

кодирует/декодирует голос в разных стандартах кодирования (G.729A, Pulse Code Modulation, GSM и т. п.);

подавляет эхо;

определяет и генерирует тональную частоту.

Все эти функции требуют значительной вычислительной мощности, поэтому такие шлюзы базируются на высокопроизводительных процессорах цифровых сигналов (DSP).

Организациями ETSI и IETF были определены три основных типа шлюзов:

Access Gateway -- соединяет сетевой интерфейс пользователя, такой, как ISDN или традиционный аналоговый, с мультисервисной сетью (VoIP или VoATM). В типичном случае это будет терминатор для TDM-сети, который передает вызовы MGC для управления ими и принятия решений;

Trunking Gateway -- служит интерфейсом между телефонными сетями PSTN и IP-сетью (или АТМ). Этот шлюз обычно управляет большим числом виртуальных цифровых каналов и однонаправленных TDM-каналов. При этом сигнальная информация передается по отдельному каналу (через шлюз SG).

Network Access Server -- является специализированной формой шлюза доступа Access Gateway. Он служит терминатором для вызовов от модемов и обеспечивает доступ к IP-сети.

Signaling Gateway. Шлюз отвечает за обработку сигнальной информации от сетей с коммутацией каналов (обычно SS7) и передачу ее шлюзу MGC по управляемой IP-сети. Он также позволяет удаленным устройствам в IP-сети обмениваться сообщениями с телефонной сетью PSTN для установки вызовов.

Media Gateway Controller или Softswitch. Это еще один ключевой элемент в инфраструктуре мультисервисных сетей, который чаще называют Softswitch. Он служит посредником при обработке сигнальной информации между сетями с коммутацией каналов и пакетными сетями, обрабатывает и управляет вызовами от шлюзов MG, осуществляет управление потоками при передаче голоса и данных в мультисервисных сетях. Имя "программный коммутатор" он получил потому, что выполняемые им функции реализованы программно. По сути, это вычислительное устройство с высокой степенью доступности. Однако несмотря на присутствие в названии слова "коммутатор", оно в действительности не выполняет никаких коммутирующих функций. К Softswitch перешли многие из задач, ранее выполнявшиеся его предшественником -- привратником (Gatekeeper). Управление вызовами в типичном случае включает маршрутизацию вызовов, аутентификацию пользователя, установление и разрыв соединения и сигнализацию. В качестве посредника Softswitch должен "понимать" со стороны сетей PSTN протоколы управления вызовами, такие, как SS7, V5, GR-303, со стороны же пакетных сетей он реализует протоколы H.323 и SIP (Session Initiation Protocol).

Каждая сигнальная система имеет собственный уникальный набор характеристик, что делает взаимодействие между ними достаточно сложным. Softswitch служит интерфейсом между сетями с разными сигнальными системами, обеспечивая взаимодействие между ними либо прямо, либо с помощью шлюза SG, связь с которым осуществляется посредством протокола SIGTRAN. Softswitch управляет также шлюзами MG, применяя при этом протоколы MGCP H.248 (MEGACO). Приведем краткое описание основных протоколов, использующихся в мультисервисных сетях.

Протоколы управления

Дисциплина обмена информацией между различными сетеобразующими устройствами определяется с помощью набора стандартных протоколов, которые, вообще говоря, модифицируются для решения возникающих время от времени проблем. Эти протоколы являются другим основным элементом мультисервисных сетей (схема взаимодействия протоколов приведена на рис. 3).

Протокол H.323. Стандарт ITU-T H.323 был разработан для обеспечения установки вызовов и передачи голосового и видеотрафиков по пакетным сетям, в частности Internet и intranet, которые не гарантируют качества услуг (QoS). Он использует протоколы Real-Time Protocol и Real-time Transport Control Protocol (RTP/RTCP), разработанные группой IETF, а также стандартные кодеки ITU-T серии G.xxx.

Протокол H.323 был первым в реализациях технологии VoIP, но под давлением индустрии он начал уступать позиции разработанному IETF протоколу SIP, который оказался проще и лучше масштабировался. Однако ITU не "сложил руки" и усовершенствовал протокол, повысив скорость установления соединений и масштабируемость.

Session Initiation Protocol. Это протокол прикладного уровня, с помощью которого осуществляются такие операции, как установление, модификация и завершение мультимедийных сессий или вызовов по IP-сети. В мультисервисных сетях SIP выполняет функции, аналогичные тем, которые реализованы в H.323. Сессии SIP могут включать мультимедийные конференции, дистанционное обучение, Internet-телефонию и другие подобные приложения. Сегодня он претендует на роль международного стандарта.

Media Gateway Control Protocol. Протокол MGCP используется для управления шлюзами MG. Он разработан для архитектуры, в которой вся логика обработки вызовов располагается вне шлюзов, и управление выполняется внешними устройствами, такими, как MGC или агенты вызовов.

Модель вызовов MGCP рассматривает шлюзы MG как набор конечных точек, которые можно соединить друг с другом. Конечные точки могут быть либо физическими (такими, как аналоговая телефонная линия или цифровая магистраль), либо виртуальными (поток данных по соединению UDP/IP).

MEGACO/H.248. Протокол Media Gateway Control Protocol (MEGACO) должен заменить MGCP в качестве стандарта для управления шлюзами MG. MEGACO служит общей платформой для шлюзов, устройств управления многоточечными соединениями и устройств интерактивного голосового ответа.

Модель соединений, используемая MEGACO, концептуально более проста, чем для протокола MGCP. MEGACO рассматривает шлюзы MG как набор оконечных устройств, которые могут быть соотнесены друг с другом внутри определенного контекста. Оконечное устройство является источником или приемником медиа-потоков. Как и в MGCP, оконечные устройства могут быть либо физическими, либо виртуальными. Соединение реализуется, когда одно оконечное устройство помещается в контекст другого. К примеру, переадресация вызова выполняется посредством перемещения оконечного устройства из одного контекста в другой, а видеоконференция будет инициализирована размещением нескольких оконечных устройств в общем контексте.

Протокол Signaling Transport. SIGTRAN представляет собой набор протоколов для передачи сигнальной информации по IP-сетям. Он является основным транспортным компонентом в распределенной архитектуре VoIP и используется в таких устройствах, как SG, MGC, Gatekeeper (привратник).

SIGTRAN реализует функции протокола SCTP (Simple Control Transport Protocol) и уровней адаптации (Adaptation Layers). SCTP отвечает за надежную передачу сигнальной информации, осуществляет управление потоком, обеспечивает безопасность. В функции Adaptation Layers входит передача сигнальной информации от соответствующих сигнальных уровней, использующих службы SCTP. Эти протоколы ответственны за сегментацию и пакетирование пользовательских данных, защиту от имитации законного пользователя, изменения смысла передаваемой информации и ряд других функций.

Даже столь поверхностное знакомство с архитектурой сетей следующего поколения позволяет сделать вывод, что в мире коммуникаций происходят значительные перемены. Рождается новая универсальная технология передачи разных типов трафика по единой сетевой инфраструктуре. Все это ставит непростые задачи как перед сервис-провайдерами, так и перед разработчиками и производителями оборудования для мультисервисных сетей.