Сети передачи данных - уч. пособие. Сети передачи данных
 Скачать 4.1 Mb.
|
|
Глава 5. Сети доступа Перед тем как послать данные, станция сначала отправляет специальное сооб- щение, называемое RTS (ReadyToSend), которое трактуется как готовность данного узла к отправке данных. RTS-сообщение содержит информацию о продолжитель- ности предстоящей передачи и адресате и доступно всем узлам в сети. Это позво- ляет другим узлам задержать передачу на время, равное объявленной длительности сообщения. Приемная станция, получив сигнал RTS, отвечает посылкой сигнала CTS (ClearToSend), соответствующего готовности станции к приему информации. После этого передающая станция посылает пакет данных, а приемная станция должна передать кадр ACК, подтверждающий безошибочный прием. Если АСК не получен, попытка передачи пакета данных будет повторена. С использованием такого четырехэтапного протокола передачи данных реализуется регламентирова- ние коллективного доступа с минимизацией вероятности возникновения коллизий (рис. 5.22). Рис. 5.22 – Технология CSMA/CA Каждый пакет данных снабжается контрольной суммой CRC, что гарантирует обнаружение «битых» кадров при приеме. Пакетная фрагментация, определяемая в стандарте, предусматривает разбивку большого пакета данных на малые порции. Такой подход позволяет снизить вероятность повторной передачи кадра данных, поскольку с увеличением размера кадра возрастает и вероятность ошибки при его передаче. Если же переданный кадр оказался «битым», то в случае малого размера кадра передающей станции придется повторить только малый фрагмент сообщения. Контрольные вопросы по главе 5 119 Контрольные вопросы по главе 5 1. Охарактеризуйте мини-АТС как узел доступа. 2. Назовите варианты реализации DSL-модемов. 3. Приведите целесообразность применения ассиметричного режима в моде- мах ADSL. 4. В чем отличие пассивных и активных оптических сетей доступа? 5. В каком диапазоне длин волн работает пассивный Gigabit Ethernet (GPON)? 6. Назовите преимущество сетей радиодоступа. 7. Какое предельное соотношение сигнал/шум можно реализовать в системах связи с шумоподобными сигналами? Глава 6 ИНТЕГРАЦИЯ ТЕЛЕКОММУНИКАЦИОННЫХ СЕТЕЙ И УСЛУГ 6.1 Общие соображения Интеграция услуг заключается в том, что к абоненту по одной линии свя- зи приходят электрические сигналы разных служб. Здесь с помощью устройства распределения услуг они разделяются по соответствующим терминальным устрой- ствам (телефонный аппарат, модем, телевизионный приемник и т. д.). Самым ра- дикальным случаем является тот, когда по линии связи одновременно приходят услуги телефонии, телевидения и передачи данных [1, 4, 5]. Однако на настоящий момент для массового абонента такого сервиса еще нет, и на практике применяют попарную интеграцию. Рассмотрим развитие услуг и возможные варианты инте- грации с помощью диаграммы (рис. 6.1). Наиболее просто решаются задачи объединения двух услуг. Назовем это пер- вым уровнем интеграции. Здесь с технической точки зрения проще интегрировать телефонию и передачу данных. В соответствии с диаграммой возможны и разви- ваются три варианта. 1. Аналого-цифровая интеграция, когда канал тональной частоты (телефон- ный канал), используя ЧРК, объединяется с цифровым каналом передачи данных. Наиболее распространена технология ADSL. 2. Цифровая интеграция, в которой на принципах BPК объединяются циф- ровые потоки телефонии и передачи данных — это технологии ISDN BRI и PRI. 3. Интеграция на базе IP-протоколов, когда речь и данные передаются в виде пакетов. Кроме этого, реализуются и другие варианты интеграции 1 уровня. Наиболее распространена схема объединения сигналов аналогового кабельного телевидения 6.1 Общие соображения 121 и передачи данных (доступ в Интернет). Это не означает, что не появятся дру- гие варианты интеграции 1 уровня, например «Речь-Телевидение», в аналоговом, цифровом или комбинированном исполнении. Рис. 6.1 – Развитие и интеграция услуг Если технологии первого уровня интеграции находятся на этапе массового внедрения, то полная интеграция (2 уровень) испытывает стадию эксперименталь- ных исследований и опытного внедрения. В настоящее время наибольшую извест- ность имеют технологии: АТМ — специально разработанная для полной интеграции, способная обес- печить разные уровни сервиса, высокие скорости передачи и другие досто- инства цифровых технологий. Основным ее недостатком является высокая стоимость оборудования, что сдерживает широкое внедрение; IP MPLS — эволюционирует от услуг по передаче данных, постепенно вклю- чая в себе телефонию, а затем и телевидение. Такой подход является более рациональным и менее затратным, хотя по техническим характеристикам IP-технологии уступают ATM. Более совершенным вариантом технологии IP MPLS является NGN (Next Generation Networks); менее прогрессивным является способ интеграции 2 уровня на базе ка- бельного телевидения, так как в его основе пока лежат методы передачи аналоговых сигналов и ЧРК. В то же время сети кабельного телевидения хорошо развиты, и не исключено, что на первом этапе они и будут основой для массовой услуги. Все описанные выше тенденции развития телекоммуникаций активно реализу- ются в настоящее время с внедрением: волоконно-оптических линий связи (ВОЛС) и систем передачи, имеющих реальную пропускную способность при передаче цифровых сигналов в не- сколько сотен гигабит в секунду в одном волокне; 122 Глава 6. Интеграция телекоммуникационных сетей и услуг цифровых систем коммуникации и распределения трафика с использовани- ем технологий коммутации каналов и коммутации пакетов. Число абонент- ских линий в цифровых коммутационных станциях достигает 200–300 тысяч; систем кабельного телевидения с числом телевизионных программ до 100 и доступом в Интернет со скоростью до 40 Мбит/с; систем IP-телефонии с пакетной передачей речи в IP-сетях, в которых себе- стоимость услуги междугородной и международной телефонии снижается в несколько (3–5) раз без заметного ухудшения качества; сотовых систем связи и многих других достижений. 6.2 Интеграция услуг в сетях передачи данных Рассмотрим теперь особенности передачи трафика реального времени (теле- фония, видео и т. п.) в СПД. В таблице 6.1 приведены требования, предъявляемые к основным характеристикам передачи трафика телефонии и трафика передачи данных. Таблица 6.1 – Требования к телекоммуникационным системам Характеристики Услуги Допустимая задержка, мс Вероятность потери пакета Скорость передачи, кбит/с Речь/телефон D 150 0.05–0.1 6–8 Данные Не критично 10 2 30–100 000 Из нее видно, насколько эти требования противоречивы. Если для передачи речи задержка (время передачи от абонента к абоненту) не должна превышать 150 мс, то для передачи данных она не существенна. Это требование является самым серьезным для пакетной телефонии, поскольку по вероятности ошибки и скорости передачи требования к речевому трафику намного мягче. Поскольку технологии коммутации пакетов разнообразны, то и способов па- кетной телефонии тоже несколько: V 0 FR (голос поверх Frame Relay); V 0 IP (IP-телефония); V 0 ATM (голос поверх ATM). Наибольшее распространение получила IP-телефония, технологии которой не- прерывно развиваются. Основными проблемами, которые приходится решать при внедрении IP-теле- фонии, являются: 1. Удовлетворение условий по задержке ( τ з 150 мс). Эта проблема стоит более остро, чем в обычной телефонии по следующим причинам: 6.2 Интеграция услуг в сетях передачи данных 123 большая задержка в узлах сети (маршрутизаторах и коммутаторах), которая обусловлена временем ожидания пакета в очереди, временем записи и временем считывания; влияние операционной системы маршрутизатора на скорость обработ- ки речевых сигналов, на установление соединения, на доступ к IP- сети; влияние кодера речи, который в процессе кодирования должен запи- сать фрагмент речи (совокупность отсчетов) и проанализировать его с точки зрения возможности сжатия информации. 2. Сигнализация. Установление соединения в системах IP-телефонии предпо- лагает преобразование номера телефонной сети в IP-адрес. 3. Качество обслуживания. Скорость установления соединения, ошибки при передаче пакетов, переменная задержка при передаче. Наиболее проработана технология IP-телефонии по рекомендации ITU-Т H.323. Схема сети IP-телефонии по этой рекомендации приведена на рисунке 6.2. Рис. 6.2 – Архитектура сети Н.323 Здесь возможны следующие варианты: общение IP-телефонных абонентов только через IP-сеть между собой (мо- дель «компьютер — компьютер»); общение IP-телефонных абонентов с абонентами ТФОП или ISDN через шлюз (модель «компьютер — телефон»); общение абонентов, принадлежащих к разным узлам ТФОП через IP-сеть и совокупность шлюзов (модель «телефон — телефон»). 124 Глава 6. Интеграция телекоммуникационных сетей и услуг Рассмотрим основные элементы сети: IP-телефон или терминал H.323 (рис. 6.3). Рис. 6.3 – Структура IP-телефона Он включает в себя телефонную трубку (микрофон + динамик), устройства аналого-цифрового преобразования, кодек для сжатия цифрового сигнала со скоро- стью 64 Кбит/с до значений 6–16 Кбит/с, устройство пакетизации/депакетизации и сетевое окончание. Наряду с речевыми пакетами IP-телефон передает сигналы управления и взаимодействия (СУВ), с помощью которых обеспечивается регистра- ция терминала у привратника, установление и завершение соединения, открытие разговорного канала и техобслуживание. Шлюз H.323 — обеспечивает передачу речевого и сигнального трафика и тра- фика передачи данных по IP-сети, причем на вход шлюза могут поступать как сигналы терминалов H.323, так и сигналы аналоговой телефонии (ТФОП) и циф- ровой (ISDN). В двух последних случаях он преобразует речевые сигналы к виду, пригодному для передачи по IP-сети. Привратник — это специализированный сервер, который выполняет следую- щие функции: регистрация терминалов и других устройств; контроль доступа пользователей к услугам; преобразование телефонного номера или другой адресной информации в IP-адрес; контроль, управление и резервирование пропускной способности сети. Основным достоинством IP-телефонии, особенно в схеме «телефон — теле- фон», является существенное снижение затрат на передачу трафика (от 3 до 10 раз). Это позволяет значительно уменьшить тарифы при повременном учете длительно- сти разговоров (междугородные и международные). Другие, не менее существенные преимущества IP-телефонии заключены в ин- теграции трафика и услуг телефонии и передачи данных. Эти потенциальные ка- чества только начинают осмысливаться, и у них большое будущее. К недостаткам IP-телефонии относится ухудшение качества за счет задержек и пропадания пакетов. Для борьбы с этим принимаются такие меры: установление приоритетов для речевого трафика; недогрузка каналов в IP-сети; снижение числа промежуточных узлов (хопов) на пути прохождения тра- фика IP-телефонии; 6.3 Сети MPLS и NGN 125 применение механизмов обеспечения качества (QoS) в IP-сетях, таких как RSVP, Diff — Serv, MPLS. 6.3 Сети MPLS и NGN Технология MPLS (Multi Protocol Label Switching) — это технология быстрой коммутации пакетов в многопротокольных сетях, основанная на использовании меток. Повышенная скорость коммутации определяется тем, что вместо анализа достаточно длинного сетевого (IP) или MAC-адреса в MPLS направление пакета по маршруту осуществляется после считывания более короткой метки. Эта метка не заменяет IP- и MAC-адрес, а добавляется к ним (рис. 6.4). Рис. 6.4 – Расположение метки Многопротокольный характер метки означает, что MPLS работает по принципу инкапсуляции и может транспортировать множество других протоколов (рис. 6.5). Рис. 6.5 – Место MPLS в эталонной модели ВОС и в технологии IP Еще одним важным достоинством MPLS является возможность обеспечения QoS. Для этого метки наделяются признаком класса обслуживания. FEC (Forwar- ding Equivalence Class). Более того, вводится целый стек (совокупность) меток, чтобы можно было отделить функции передачи и функции сервиса. Фрагмент сети IP-MPLS представлен на рисунке 6.6. Рис. 6.6 – Сеть MPLS-IP Сеть состоит из маршрутизаторов M i с коммутацией меток LSR — Label Swit- ching Router, которые направляют трафик по предварительно проложенным путям 126 Глава 6. Интеграция телекоммуникационных сетей и услуг с коммутацией меток. Метка присваивается каждому пакету и содержит инфор- мацию о пути следования и о классе обслуживания. Содержание метки действует только на участке между двумя соседними LSR. LSR — это сочетание обычно- го маршрутизатора и высокоскоростного коммутатора. Маршрутизатор определяет топологию сети по принятым алгоритмам (OSPF, BGP и др.), выбирает рациональ- ные маршруты, а коммутатор обеспечивает передачу пакетов с использованием меток и упрощенных локальных таблиц коммутации. Сеть MPLS делится на две функционально различные области — ядро и гра- ничную область. Маршрутизаторы ядра занимаются только передачей пакетов. Все функции классификации пакетов по различным FEC, фильтрации, выравнивания нагрузки, управления трафиком берут на себя пограничные LSR. Поэтому объем- ные и интенсивные вычисления приходятся на граничную область, а высокоско- ростная коммутация на ядро. Обеспечение QoS с помощью классов сервиса FEC позволяет передавать паке- ты разных классов по разным путям и с разными приоритетами. Кроме этого, меха- низм MPLS позволяет обеспечить дополнительные функции QoS путем сочетания с другими механизмами обеспечения качества. Например, это механизм RSVP — Resource Reservation Protocol. RSVP — это протокол сигнализации, который обес- печивает резервирование ресурсов, таких как гарантированная пропускная спо- собность канала, предсказуемая задержка, предельный уровень ошибок и потерь. Протокол запрашивает для своего абонента у маршрутизаторов сети необходи- мый уровень QoS и при наличии требуемого ресурса гарантирует данную услугу. В случае MPLS метка будет учитывать результаты RSVP переговоров и обеспечит данный качественный маршрут. Таким образом, MPLS управляет качеством услуги в транспортной сети, а RSVP в сети доступа. Нетрудно увидеть, что MPLS-IP и ATM — две остро конкурирующие техноло- гии. Пока соревнование выигрывает MPLS по следующим причинам: 1. Сеть IP — уже является глобальной и надстройка в виде MPLS легко внед- ряется и хорошо масштабируется в магистральных сетях. 2. Оборудование ATM значительно дороже, особенно для крупных узлов. 3. Несмотря на то, что в ATM изначально решены многие противоречия телеком- муникационных систем по скорости, задержкам, QoS, технология IP-MPLS успешно их решает с применением механизмов MPLS, RSVP и других. NGN — Next Generation Networks — сети следующего поколения. К настояще- му времени сложилось следующее определение NGN: гетерогенная мультисервис- ная сеть, обеспечивающая передачу всех видов медиатрафика и распределенное предоставление неограниченного спектра телекоммуникационных услуг, с возмож- ностью их добавления, редактирования, распределенной тарификации. Сеть под- держивает передачу разнородного трафика с различными требованиями к качеству обслуживания с минимальными затратами. Как видим, преодоление многих противоречий, описанных выше, может быть реализовано в сетях NGN. В основе концепции NGN лежат следующие положения: мультисервисное обслуживание абонентов (интеграция услуг телефонии, видео и передачи данных); 6.3 Сети MPLS и NGN 127 поставщики услуг должны быть независимы от операторов связи, любая новая услуга должна быть доступна любому абоненту; транспортная сеть должна быть построена по технологии коммутации па- кетов, система коммутации является распределенной; сеть доступа должна быть широкополосной и включать в себя все перспек- тивные технологии (Ethernet, V.35 + PPP, PDH, ATM и др.); управление качеством предоставления услуг. В связи с этим можно сеть NGN представить в виде следующей структуры (рис. 6.7). Здесь ядро транспортной сети образует сеть передачи данных, кото- рая через медиашлюзы соединена с телефонной сетью общего пользования и мо- бильными сетями. Назначение медиашлюзов — преобразование информационных потоков к виду, удобному для передачи по сети передачи данных. Рис. 6.7 – Структура сети NGN Наряду с этими шлюзами существуют шлюзы сигнализации, которые согла- суют процедуры установления соединения абонентов между собой и процедуры получения абонентами других различных услуг. Всем этим управляет специальный программный коммутатор (softswitch), который регулирует установление соедине- ния и обеспечивает подключение абонента к необходимой ему услуге. В качестве прообраза NGN сетей чаще всего используют IP-сети. Для того что- бы это увидеть, изобразим процессы в NGN с помощью системы уровней (рис. 6.8). Здесь же приведем структуру уровней стека протоколов TCP/IP. Здесь, как и в NGN, так и в TCP/IP на физическом и канальном уровнях допус- каются любые интерфейсы и протоколы. Сетевой уровень обеспечивает передачу пакетов с помощью маршрутных таблиц. На четвертом (транспортном) уровне к известным протоколам гарантированной доставки пакетов (TCP) и негаранти- рованной доставки (UDP) добавляется протокол RTP (Realtime Transport Protocol), обеспечивающий доставку пакетов в реальном масштабе времени. Это необходи- мо при передаче голосового трафика (IP-телефония) и изменяющегося во времени 128 Глава 6. Интеграция телекоммуникационных сетей и услуг изображения (телевидение). Основная функция RTP — сглаживание джиттера (из- менения задержки сигнала). Как правило, RTP работает совместно с протоколами UDP и RTCP. Рис. 6.8 – Структура уровней NGN и TCP/IP Протокол RTCP предназначен для контроля качества прохождения пакетов (сбор статистики о задержке пакета, джиттере, количестве и доле потерянных па- кетов). На уровне управления NGN, помимо RTP, введены и другие протоколы. Напри- мер, MGCP (Media Gateway Control Protocol) — назначение которого — управление шлюзами со стороны программных коммутаторов. Для коммутации мультимедийных приложений через IP-сети разработаны спе- циальные протоколы Н.323, SIP, MGCP, MEGACO и др. Протокол Н.323 реализу- ется в IP и осуществляет связь по цепочке: абонент медиашлюз IP-сеть программный коммутатор (привратник) IP-сеть медиашлюз абонент. На- значение программного коммутатора — трансляция адресов, идентификация и ав- торизация абонентских терминалов, сбор статистики и тарификация. В последнее время протокол Н.323, который является достаточно сложным, за- меняется протоколом SIP (Session Initiation Protocol). Он базируется на протоколе HTTP, работает поверх протокола UDP. Элемент сети на базе протокола SIP изобра- жен на рисунке 6.9. Передача информации (телефония, данные, видео) осуществ- ляется после установления соединения. Для этого абонент А (клиент) обращается с запросом к своему серверу, назначение которого принимать и транслировать запросы и возвращать ответы. Запрос транслируется на прокси-сервер, который устанавливает местоположение абонента В с помощью сервера местоопределения и транслирует запрос абоненту В через его серверы. В другом варианте связи местоположение абонента В с помощью сервера пе- реадресации сообщается непосредственно абоненту А и передача информации ве- дется непосредственно между абонентами, минуя прокси-серверы. |