ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ

Концепция построения и особенности NGN

Мультисервисная сеть следующего поколения - то, чем заняты во всем мире мысли специалистов в области телекоммуникации. Обычная телефонная связь, сотовая связь, огромные ресурсы сети Интернет, IP-телефония, кабельное телевидение (домашнее видео по запросу) - всё это должно быть объединено в единую архитектуру (рис. 1) [3].

Рисунок 1 - Мультисервисная сеть нового поколения

Таким образом, сеть NGN должна обеспечивать неограниченный набор услуг, предоставлять гибкие возможности по их управлению, персонализации и созданию новых видов сервиса за счет унификации сетевых решений. Последнее предполагает реализацию универсальной транспортной сети с распределенной коммутацией, вынесение функций предоставления услуг в оконечные сетевые узлы и интеграцию с традиционными сетями связи [4].

В основе NGN лежит пакетная сеть передачи данных. Инновационная сущность технологии NGN заключается даже не в том, что она обеспечивает более гибкую, скоростную и эффективную среду передачи, а в том, что она не привязана к концепции канала и обеспечивает полносвязность сети или VPN (виртуальной частной сети) клиента. Данные любого типа (голос, видео, информация системы охранно-пожарной сигнализации и т. п.) доставляются туда, куда нужно, и тогда, когда нужно. Это достигается за счет физического и логического отделения передачи и маршрутизации пакетов, а также оборудования передачи (каналов, маршрутизаторов, коммутаторов, шлюзов) от устройств и логики управления вызовами и услугами.

Используемая в сети логика поддерживает все типы услуг в сети с коммутацией пакетов, начиная от базовой телефонной связи и заканчивая передачей данных, изображений, мультимедийной информации, широкополосными приложениями и приложениями управления. Все информационные ресурсы становятся общедоступными по любой среде, по которой эти ресурсы могут быть доставлены, независимо от того, где находится человек.

Указанные особенности отличают сети NGN от обычных телефонных и IP-сетей, наиболее широко распространенных в мире телекоммуникаций. Сети NGN, будучи результатом слияния обычных телефонных сетей и сети Интернет, объединяют в себе их лучшие черты:

- адаптируемость для передачи трафика любого вида, что можно сравнить с адаптируемостью сети Интернет в противоположность отсутствию гибкости передаче данных в ТфОП;

- гарантированное качество голосовой связи и критически важных приложений передачи данных, что отвечает надежности ТфОП в противоположность негарантированному качеству связи в сети Интернет;

- низкая стоимость передачи в расчете на единицу объема информации приближается к стоимости передачи данных в сети Интернет, а не ТфОП [5].

Механизмы обеспечения QoS

Основными механизмами обеспечения QoS (Quality of Service) являются:

1. Пакетная передача данных.
   NGN как сеть с коммутацией пакетов отвечает модели системы с ожиданием (ТфОП соответствует модели системы с потерей вызовов). Заявка, поступившая в момент занятости всех каналов, не покинет систему, а будет поставлена в очередь. Время освобождения системы для начала обработки заявки из очереди меньше, нежели время, требуемое на перезапрос услуги. Кроме того, пакетизированный голос расходует полосу пропускания гораздо экономнее - при молчании абонентов информация не передается.

2. Наличие "временного запаса".
   Измерения, проведенные специалистами Международного союза электросвязи (МСЭ) и Европейского института телекоммуникационных стандартов, показали, что к снижению качества телефонной связи приводит задержка Т_кр свыше 150 мс. Обозначим время доставки информации в сети от узла А к узлу Б - T₀. Т огда временной запас (Тз) – это разница между критическим временем доставки информации к абоненту и реальным временем прохождения пакетов через сеть:
   
   

   Тз = Ткр - T0

   (1)

   Временной запас Т_з, который в традиционных сетях связи пренебрегается, в NGN оперативно предоставляется другим приложениям, что в целом благотворно сказывается на параметрах QoS [6].

3. Физическое и логическое отделение передачи и маршрутизации пакетов от устройств и логики управления услугами.
   Данное архитектурное решение позволяет использовать единый программный интеллект обработки вызовов для сетей разных типов (традиционных, пакетных, гибридных) с разными форматами речевых пакетов и с разным физическим транспортом [7], а также повышает степень управляемости процессами и параметрами QoS в сети следующего поколения.

4. Применение граничных контроллеров сессий SBC (Session Border Controller).
   

   Данное устройство изначально ориентировано на большое количество услуг реального времени (видео, мультимедиа, Instant Messaging), реализуемых в IP-сети, и задействовано для отслеживания показателей качества обслуживания в NGN. Трафику, пропускаемому через SBC, обеспечивается управление качеством обслуживания, безопасностью, полосой пропускания. Для взаимодействия сетей необходимо одновременное использование обоих видов оборудования - Softswitch и SBC [8].

5. Использование технологии многопротокольной коммутации по меткам MPLS (Multiprotocol Label Switching).
   Технология MPLS ориентирована на оптимизацию процесса маршрутизации трафика таким образом, чтобы обеспечить максимально выгодное сочетание всех механизмов QoS, задействованных в сети. Процесс маршрутизации заменяется процессом коммутации, который осуществляется на основе меток. Существенное повышение качества работы (аудио- и видеоинформация передается коммутаторами MPLS с точностью, сравнимой с результатами работы по прямому соединению) достигается за указания в метке пропускной способности, которая должна быть зарезервирована.

   Функция MPLS Fast Reroute, оперативно реагирующая (не более чем за 50 мс) на обрывы связи и перенаправляющая информационные потоки на неповрежденные участки сети, делает NGN более надежной, чем сети SDH [9].

   Определение характеристик качества обслуживания

   В рамках данной магистерской работы было проведено исследование пакетной сети с установлением и без установления соединения. Необходимо отметить, что ТфОП, сеть с коммутацией каналов, является эталонной при оценке качества передачи речи в других сетях. Для того чтобы улучшить качество обслуживания появились технологи, эмулирующие коммутацию каналов в сети с коммутацией пакетов. Протокол TCP стека IP и протоколы SIP, H.323, Megaco/H.248, MGCP, которые управляют аудио- и видеоконференциями и обеспечивают взаимодействие между устройствами NGN-сетей, являются протоколами, ориентированными на установление соединения.

   Проведенный анализ различных исследований позволяет сделать вывод, что одним из важных параметров качества обслуживания для сетей с коммутацией пакетов является нормированное время отклика сети [10].

   Для исследования и анализа нормированного времени отклика сети, необходимо решить следующие задачи:

   - построить модель сети с коммутацией пакетов;

   - исследовать нормированное время ответа для сетей c установлением и без установления соединения и различными способами передачи подтверждений;

   - исследовать зависимость нормированного времени ответа от соотношения между длиной служебного и информационного полей пакета.

   Сеть без установления соединения. На рис.2 приведен фрагмент сети. Обозначим интенсивность потока во входном узле λ, пропускную способность дуплексного каналу между узлами С_Т=NС_L, где величина С_L определяет максимальную скорость доступа к узлу. Возможны два сценария передачи подтверждений:

   1. Подтверждений передаются в отдельных пакетах;

   2. Подтверждений передаются в специальных полях информационных пакетов обратного направления.

   

   Рисунок 2 - Модель сети с коммутацией пакетов без установления соединения

   Рисунок анимирован. Количество повтров равно 100, длительность одного составляет 7,2с.

   Поставим задачу найти среднее время отклика T_D от узла к узлу, как функцию нагрузки в сети, длины служебных и информационных пакетов и интенсивности передачи сообщений.

   В первом случае время отклика сети будет состоять из времени задержки в очереди информационного потока узла А, времени задержки в очереди потока подтверждений узла В, среднего времени передачи информационного пакета (учитывая заголовок) и времени передачи пакетов подтверждений (2).

   Во втором случае время отклика сети уменьшиться на время ожидания в очереди время передачи потока подтверждений (в виду отсутствия такового) (3):

   
   

   TD= tm+2th+2W

   (2)

   
   

   TD= tm+th+W

   (3)

   где t_m- средняя продолжительность передачи информационных полей пакетов;

   t_h - продолжительность передачи служебных полей пакетов и пакетов потока подтверждений;

   W - среднее значение ожидания пакета, который в системе типа M/G/1 определяется по формуле Полячека-Хінчина [11] и зависит от второго момента распределения времени обслуживания - [10] :

   Для исследования времени отклика сети от отношения длины управляющего пакета к длине информационного, введем коэффициент k (4) и нормируем полученное время задержки в сети на время передачи данных по абонентской линии (5):

   
   

   (4)

   
   

   TM=tm*N

   (5)

   Для случая использования отдельного потока подтверждений нормированное время отклика будет иметь вид (6), тогда как при передаче подтверждений в полях пакетов обратного направления с учетом (4) и (5) (3) будет иметь вид (7):

   
   

   (6)

   
   

   (7)

   Рассмотрим ситуацию, когда отношение объема служебной информации к полезной составляет 0,1 (рис. 3). Именно таке соотношение между сигнальными и информационными полями имеют ячейки АТМ (5байт - 48 байт). В технологии Ethernet/802.3 коэффициент k (при полной укомплектации кадра) будет дае меньше (21 байт - 1496)

   Предельный коэффициент полезного использования канала для каждой системы (8), (9) может быть найден из условия существования (6) и (7):

   - для системы с передачей потока подтверждений

   
   

   (8)

   при k=0.1, ρ_М=0.83

   - для системы с передачей подтверждений в полях пакетов обратного направления:

   
   

   (9)

   при k=0.1, ρ_М=0.91

   Cеть с установлением соединения. Эта сеть строиться по модели М/М/N. Также как и в сети без установления соединения возможны два случая:

   1. Сслужебная информация, необходимая для установления соединения, передается по тому же каналу, что и данные;

   2. служебная информация передается по отдельному каналу.

   В общем случае время установления соединения узла А с узлом В Т_С (от момента передачи сообщения запроса к моменту приема сообщения о начале передачи) состоит из посылки вызова узлом А – T_SR, временами ожидания освобождения канала - W, сообщением узла В о получении посылки вызова - T_R, посылки узлом У сообщение о готовности к соединению - T_SR , и ответа узла А о получении сообщения - T_S. Считая, что каждое сигнальное сообщение имеет одинаковую длину, получим (10):

   
   

   ТС = 4TS + W

   (10)

   где T_S – время передачи сигнальных сообщений

   W – время ожидания обслуживания, которое определяется с учетом второй формулы Эрланга и формулы Литтла.

   Следует учесть, что время ожидания обслуживания для системы с передачей сигнальной информации по отдельному каналу будет меньше, чем для системы с передачей сигнальной и полезной нагрузки по одному каналу за счет отсутствия ожидания освобождения канала от сигнальных сообщений. Применяя описанную выше методику, найдем нормированное время отклика как:

   - для модели с передачей служебной и полезной информации по одному каналу (11)

   
   

   (11)

   - для модели с передачей служебной информации по отдельному каналу (12)

   
   

   (12)

   Как и в предыдущем случае рассмотрим ситуации, когда отношение объема служебной информации к полезной составляет 0,1 (рис. 4).

   Предельный коэффициент полезного использования канала для каждой системы может быть найден из условия существования (11) и (12):

   - в первом случае

   
   

   (13)

   при k=0.1, ρ_М=0.56

   - во втором случае:

   ρ_М=0.999 при любом k

   Зависимости приведены на рисунке 3.

   

   Рисунок 3 - Нормированное время отклика пакетной сети при k=0,1:

   1 – подтверждения в модели без установления соединения передаются отдельным потоком;

   2 – подтверждения в модели без установления соединения передаются в специальных полях информационных пакетов обратного направления;

   3- служебная информация, необходимая для установления соединения, передается по тому же каналу, что и данные;

   4 - служебная информация, необходимая для установления соединения, передается по отдельному каналу.

   Не смотря на то, что система с установлением соединения имеет чуть худшие параметры, чем система без установления соединения, в первой увеличение коэффициента полезного использования канала (то есть увеличение нагрузки на канал) не увеличивает время отклика, что делает эту систему приоритетной для передачи мультимедийной информации в сетях NGN.

   ВЫВОДЫ

   УУвеличение нагрузки сначала медленно, а потом быстро увеличивает время отклика сети. Граничное значение коэффициента эффективного использования канала определяется отношениям длин служебного и информационного пакетов, при чем, чем это отношение меньше, тем эффективнее используется канал.

   Характер кривой, которая отвечает сети с установлением соединения, показывает, что при увеличении нагрузки время отклика сети не увеличивается. Поэтому именно такая сеть способна удовлетворить требования мультимедийнго трафика к задержке.

   ТТаким образом, сеть NGN обеспечивает высокое качество передачи всех типов трафика, оптимизируя его распространение в реальном времени и учитывая резервирование полосы пропускания, пропускную способность и текущую нагрузку каналов, приоритезацию трафика.

   ЛИТЕРАТУРА

   1. Концептуальные положения по построению мультисервисных сетей на ВСС России. Электронный ресурс. Способ доступа: URL: www.minsvyaz.ru/img/
   2. Інформаційний звіт про діяльність міжнародних організацій по стандартизації тілі комунікацій. - Центральний научно-исследоваельский інститут зв'язку. -№1. - 2005. - С. 9.
   3. Устройства управления мультисервисными сетями. – Гольдштейн А.Б
   4. Построение сетей NGN. Антонян А., Скуратовская Е. // " CONNECT!". - №7. – 2006.
   5. Электронный ресурс. Способ доступа: URL www.si2000.ru
   6. Соколов Н. А. Качество обслуживания трафика речи в сети NGN. // Connect! Мир связи.- 2006.- №7. – С. 13 – 15.
   7. Гольдшьтейн А.Б. Устройства управления мультисервисными сетями: Softswitch. Электронный ресурс. Способ доступа: URL: www.protei.ru/publications/ss.pdf
   8. Гольдшьтейн А.Б. Соколов Н. А. Подводная часть айсберга по имени NGN (часть 2).// Технологии и средства связи. – 2006. - №3. – С.3 – 18.
   9. Голышко А. Кирпичики Вселенной NGN. // Connect! Мир связи. - 2006. -№ 4. – С.5 – 7.
   10. Крылов В.В., Самохвалова С.С. Теория телетрафика и ее приложения. - Спб.:Бхв-петербург, 2005. - 288с.
   11. Корнышев Ю.Н. и др. Теория телетрафика, - М.: Радио и связь, 1996. - 272 с.