Закрыть

Форма обратной связи

Отправить
mashtab

/812/309-03-21

КОНЦЕПТУАЛЬНЫЕ ПОДХОДЫ К ПОСТРОЕНИЮ АДАПТИВНЫХ МУЛЬТИСЕРВИСНЫХ СЕТЕЙ СПЕЦИАЛЬНОГО НАЗНАЧЕНИЯ

10.12.2012 /Статьи

CONCEPTUAL APPROACHES TO CONSTRUCTING ADAPTIVE MULTI-SERVICE SPECIAL-PURPOSE NETWORKS

В статье анализируются опыт и направления развития зарубежных и отечественных мультисервисных сетей специального назначения и предлагается совокупность протоколов для построения последних. Особое внимание уделено замещению устаревших технологий и протоколам радиосе-тей.

The article analyzes the experience and development direction of foreign and domestic special-purpose multi-service networks and proposes an aggregate of proto-cols for building the latter. Special attention is given to replacing outdated technology and to radio network protocols.

Ключевые слова: мультисервисная сеть специального назначения, ком-мутация пакетов, протоколы взаимодействия.

Keywords: special-purpose multi-service networks, packet switching, interfac-ing protocols.

Под сетями связи специального назначения будем понимать сети, предоставляющие при-оритетным пользователям (должностным лицам) телекоммуникационные услуги в чрезвычайных ситуациях (стихийных бедствиях, угрозах террористических актов, техногенных аварий, и т.д.). Очевидно, что к таким сетям связи предъявляются особые требования, анализу которых посвяще-на данная статья.

Интеграция услуг и переход к сетевым принципам их реализации является одним из при-оритетных направлений совершенствования современных сетей связи. Он позволяет существенно повысить устойчивость сети при сокращении количества направлений (каналов) связи и номенк-латуры телекоммуникационного оборудования, включая средства связи и защиты информации.

При этом в качестве базовой технологии интеграции услуг и вытекающего отсюда межсе-тевого взаимодействия в мировой практике используются технологии коммутации пакетов IPv4 и IPv6, которые в последнее время стремительно вытесняют малоэффективные по отношению к ним со всех точек зрения технологии коммутации каналов (рис. 1) [1]. В настоящий момент в мире происходит активная фаза замещения технологий коммутации каналов технологиями коммутации пакетов на «последней миле» в системах сотовой связи (рис. 2) [2, 3].

Данная тенденция характерна для сетей специального назначения зарубежных государств, где эксплуатируется большое число сетей связи, используемых различными силовыми ведомства-ми и базирующихся  на использовании как государственных, так и коммерческих телекоммуника-ционных ресурсов.

Рис.1
Процесс интеграции, перехода к пакетной коммутации и технологиям
межсетевого взаимодействия

К наиболее важным сетям специального назначения зарубежных государств, в частности, относятся:

  1. Autovon – аналоговая сеть передачи речи общего пользования;
  2. Autodin – многоуровневая защищенная глобальная сеть передачи данных, применяющая каналы радиосвязи, спутниковые и подводные коаксиальные кабели;
  3. DCTN (Defence Commercial Telecommunications Network) – коммерческая оборонная теле-коммуникационная сеть для передачи речи, информации видеоконференций, данных по коммути-руемым и выделенным каналам связи, арендуемых у фирмы AT&T;
  4. FTS 2000 – телекоммуникационная сеть с интеграцией служб;

Рис. 2  
Эволюция стандартов и технологий систем сотовой подвижной связи

DDN (Defence Data Network) - глобальная сеть передачи данных с коммутацией пакетов, состоящая из четырех отдельных сетей, таких как Milnet, Disnet, Scinet и WIN. Самая большая из них – сеть Milnet, имеющая 225 узлов в США, Европе и Тихоокеанском регионе, которая обеспе-чивает передачу данных в интересах объединенного командования НАТО. Сеть DDN включает собственные сети связи ВВС (AFnet – Air Force Integrated Datanet network), военно-морские сети (Navnet) и сети тыла (DLAnet). Она построена на технологиях Х.25 и TCP/IP;

MILNET – сеть обмена данными с коммутацией пакетов в тихоокеанском бассейне (объе-диняет ARPANET и европейскую сеть обмена информацией MINET).

При разработке зарубежными государствами архитектуры мультисервисных сетей специ-ального назначения основное внимание уделяется развитию:

  1. транспортной подсистемы, объединяющей различные стационарные и мобильные сети;
  2. подсистемы управления гетерогенной сетью;
  3. подсистемы предоставления дополнительных услуг для поддержки единых адресных спра-вочников, каталогов (Желтых и Белых страниц) в электронной и бумажной форме;
  4. подсистемы засекреченного и безопасного обмена всеми видами информации.

Учитываются такие факторы, как вероятность возникновения чрезвычайных ситуаций в различных регионах, тенденции развития новых сетевых и информационных технологий, состоя-ние и тенденции развития ведомственных и коммерческих информационных сетей. Приоритетным направлением является построение сетей с быстрой коммутацией пакетов, которые будут заменять низкоскоростные сети доступа абонентов к линиям связи базовой сети и коммутаторы Х.25. Предполагается широкое использование спутниковой связи, которая должна была стать коммуникационной основой глобальной системы спутниковой связи в рамках программы «Глобальной Информационной Сетки» – Global Information Grid (GIG). GIG представляет собой объединенную цифровую интерсеть на основе протокола IPv6 и использует каналы связи общего пользования.

С некоторым запаздыванием тенденция перехода к пакетным технологиям в полной мере коснулась и России.

Согласно [4] сети SDH/PDH и ATM начали сдавать свои позиции именно потому, что перестали отвечать требованиям времени, так как изжила себя та парадигма, по которой строились все телекоммуникации. Идея была предельно простой – для того чтобы передать что-либо, необходимо сформировать канал «из точки в точку». Сети SDH построены именно по этому принципу. Высшая и последняя ступень развития этой идеи – ATM, рекомендации к которой не разрабатываются уже с 1989 года, что говорит о появлении у нее типичного для всех неразвивающихся систем свойства энтропии.

Это подтверждает и сегодняшняя позиция Минкомсвязи РФ в отношении принципиальных изменений, которые произойдут в отрасли связи в ближайшие 5 лет – «…это переход к пакетной коммутации, когда все виды сообщений передаются в едином формате. Следствием такого подхода является мультисервисность. Если сегодня мы получаем телефонию, интернет, телевидение как отдельные услуги, то скоро все сервисы можно будет предоставлять посредством единой технологии, добавится интерактивность. Мы уже прошли технологический этап, и сегодня развитие идет в направлении сервисов» [5].

В качестве же приоритетной задачи развития инфраструктуры связи на ближайшие не-сколько лет Минкомсвязи РФ, несмотря на то, что «в России до сих пор много устаревших стан-ций…», определил для себя «…необходимость сделать качественный рывок. Причем у нас есть уникальная возможность во многом «проскочить» этап цифровизации и сразу перейти к этапу па-кетизации. А это существенное увеличение пропускной способности инфраструктуры на всех участках, начиная от абонентского и заканчивая магистралями» [5].

Вместе с тем до настоящего времени вектор развития сетей связи специального назначения был направлен на преимущественное использование каналов типа E1, в том числе принимаемых ЕСЭ РФ. Это приводило к существенному удорожанию сетей, но не улучшило ни качества, ни управляемости.

К настоящему времени сложилась ситуация, когда имеется не только революционный, но и эволюционный путь замещения устаревших технологий пакетными, который подразумевает сна-чала внедрение устаревших технологий «поверх» имеющихся систем, а затем их постепенную утилизацию.

Общая схема предлагаемого процесса приведена на рис. 3 [6 - 8].

Согласно рисунку весь исходящий от пользователей трафик вне зависимости от его вида должен попадать в сеть в пакетном виде. Априори пакетный трафик, генерируемый приложениями стандартных ПЭВМ, функционирующих под управлением распространенных операционных систем, транспортируется напрямую в сеть. Трафик же традиционной телефонии, документального обмена и других, в том числе унаследованных систем, прежде преобразовывается и инкапсулируется в пакеты для дальнейшей их передачи в режиме пакетной коммутации. Создаваемая при этом единая инфраструктура на основе пакетных технологий (уровень сетевого управления) накладывается на существующую физическую инфраструктуру связи, будь-то собственные коммутируемые каналы и сети ведомственных операторов или сети передачи данных ЕСЭ РФ. По мере перевода оборудования ЕСЭ РФ на использование пакетных технологий инфраструктура IP будет постепенно «выдавливать» устаревающие технологии пока не произойдет их полного замещения. В отдельных случаях технологии коммутации каналов могут быть сохранены, например, для улучшения некоторых характеристик сети обмена данными, однако передача информации все равно будет осуществляться в пакетном режиме.

Рис. 3
 Схема замещения устаревших технологий

Следует отметить, что до определенного момента политика приема из состава ЕСЭ РФ по-токов STM различных уровней и их использование для организации связи не будет вызывать ви-димых опасений, так как, с одной стороны, пакетные технологии вполне могут использовать эти каналы в качестве транспортной среды для передачи данных, а с другой – эта политика на совре-менном этапе выгодна операторам связи.

К мультисервисным сетям специального назначения предъявляются более жесткие требо-вания по своевременности, достоверности и безопасности обмен информацией в условиях дегра-дации характеристик сети, вызванных деструктивными воздействиями природного, техногенного или человеческого факторов. Это влечет за собой перерывы в связи, снижение качества каналов передачи, снижение скоростей информационного обмена, возникновение ошибок, сбои тактовой синхронизации оборудования, приводящие к потере данных.

Приходится констатировать, что в чрезвычайных условиях единственным видом связи мо-жет остаться передача данных в КВ-диапазоне. Однако информационный обмен по КВ-радиоканалу в режиме пакетной коммутации возможен только с использованием соответствую-щих протоколов, так как стандартные процедуры IP предусматривают работу только по каналам связи среднего качества и выше. В случае же с радиосвязью КВ-диапазона вероятность ошибки в канале может достигать 10-3 и даже 10-2 (в отдельных случаях 5*10-2). Для этих целей эффективно могут быть использованы стандартизованные стеки протоколов Х.25 и АХ.25 (модификация Х.25, адаптированная под работу по радиоканалам). Оба протокола, как и IP, поддерживаются большинством операционных систем и до сих пор успешно применяются европейскими диспетчерскими центрами организации воздушного движения.

Таким образом, для обеспечения своевременного, достоверного и безопасного обмена в любой момент времени по цифровым и аналоговым каналам связи предлагается следующий набор стандартных стеков протоколов: IP, Х.25 (для обеспечения работы по проводным аналоговым каналам и каналам связи низкого качества с вероятностью ошибки 10-3), AX.25 (для обеспечения работы по беспроводным аналоговым каналам и каналам связи низкого качества с вероятностью ошибки 10-2 и 5*10-2).

Принципиально Х.25 может обеспечить устойчивую работу и по каналам связи с вероятно-стью 10-2, включая КВ-радиоканалы, однако качество передачи будет во многом зависеть от ха-рактера группирования ошибок в канале. Задача повышения достоверности в канале путем ис-правления ошибок, как правило, возлагается на соответствующий тип каналообразующей аппара-туры. Обычно это модем или блок управления. Отечественными предприятиями промышленности создана довольно широкая их номенклатура, часть из которой уже прошла апробацию. Наиболее приспособленной к упомянутым каналам связи является аппаратура, работающая на борту летательных аппаратов. Совокупное использование подобных устройств и стека протоколов Х.25 (АХ.25) полностью решает задачу информационного обмена по каналам связи низкого качества.

В перспективе для повышения скорости информационного обмена на магистральных уча-стках сети по мере разработки соответствующих отечественных технических средств может до-полнительно использоваться технология MPLS.

Важнейшим аргументом в пользу применения пакетных технологий является возможность организации связи на недоступных сетям SDH/PDH и ATM сетевых принципах, позволяющих до-биться:

  1. взаимодействия каждого абонента с каждым (по схеме «multipoint-to-multipoint») в любой момент времени при условии экономически эффективного использования канальных ресурсов;
  2. устойчивости мультисервисных сетей специального назначения и улучшения их ВВХ за счет оперативной организации обходных маршрутов в статическом и динамическом режимах.

Следует заострить особое внимание на отдельной теме, довольно долго обсуждавшейся специалистами, которые не могли придти к единому мнению и часто высказывались в защиту TDM-сетей, отвергая сети пакетные. Считается, что сети TDM являются хорошо детерминирован-ными: задержка распространения сигнала мала и постоянна, синхросигнал передается вместе с данными, на джиттер и вандер наложены строгие ограничения, что позволяет добиться передачи информации в режиме времени, близком к реальному. Для TDM-сервисов изменения задержки должны лежать в пределах то 40 нс до 18 мкс. Что же касается пакетных сетей, в которых данные передаются с использованием таких протоколов как IP и MPLS, то считается, что, несмотря на их значительно большую эффективность, они являются недетерминированными и, следовательно, несинхронными (асинхронными), а изменения задержки в них могут составлять десятки миллисе-кунд.

Даже если отправитель посылает пакеты в сеть через равные интервалы времени, приемник может получать их через промежутки времени, отличающиеся на десятки миллисекунд. Понятно, что задержка зависит от загруженности маршрутизаторов и каналов связи, а также от длины маршрута, состоящего из разного числа промежуточных пролетов (хопов). Корректировку образовавшейся разности в задержках приходилось производить в оконечном оборудовании данных.

Данная проблема устранилась с появлением технологий СЕS (Circuit emulation service) пе-редача сервисов TDM (E1, Е3 и SDH) через пакетные сети стала возможной при сохранении высо-ких требований к синхронизации [9 - 12]. Она основана на алгоритмах адаптации и инкапсуляции трафика TDM для его передачи через пакетную сеть (TDMoIP). Интересно, что технология CES применима не только в проводных, но и в беспроводных пакетных сетях.

Таким образом, в настоящее время можно поставить точку в спорах о том, можно ли пере-давать через пакетные сети синхронные потоки с поддержкой режима времени, близкого к реаль-ному (TDM).

Согласно вышеизложенному мультисервисные сети специального назначения предлагается строить:

  1. с использованием единых подходов, архитектуры и принципов построения, технологий и средств передачи, защиты данных и управления в части как стационарной, так и полевой компо-нент;
  2. в части стационарной компоненты, как наиболее зависимой от технологий, используемых в ЕСЭ РФ и загруженной с точки зрения транспортируемых через нее объемов информации, с ис-пользованием технологий пакетной коммутации IP, а также технологиями SDH/PDH и каналами типа Е1 в составе уже развернутых действующих ведомственных сетей и в составе ЕСЭ РФ в ка-честве магистральной составляющей;
  3. в части полевой компоненты с приоритетным использованием пакетных технологий IP/X.25/AX.25;
  4. с использованием модулей сопряжения унаследованного парка аппаратуры с современной, инкапсулирующих трафик унаследованного парка в пакетный в составе объектовых сетей, что позволит обеспечить интегральную транспортировку всех видов информации по единому каналу связи.

Этот подход позволит «проскочить» этап цифровизации и уже в ближайшем будущем ком-пенсировать образовавшийся технологический разрыв между системами связи ведомственных операторов, внутрироссийскими и международными сетями электросвязи.

Литература


1. Mobile Wireless Internet Forum (MWIF), IP in the RAN as Transport option in 3rd Generation Mobile Systems, Tecnical Report MTR-006, Release Version 2.0.0., June 2001.
2. Бойич Томислав. Эволюция радиосети доступа в мобильных сетях третьей генерации. М.:Эрикссон, 2006.
3. Гордиенко А., Эволюция транспортных сетей в мобильной связи // Huawei Technologies, osp.ru, январь 2008.
4. Интервью с директором по перспективному развитию сети Comstar United Telesystems Карховым А. «SDH не умрет, но уже никогда не будет приоритетом» // Российская газета, июнь 2004.
5. Интервью с заместителем министра Микомсвязи РФ Н. Мардером, cnews.ru, 26.11.2009.
6. Mobile Wireless Internet Forum (MWIF), OpenRAN Architecture in 3rd Generation Mobile Systems // Tecnical Report MTR-007, Release Version 1.0.0., September 2001.
7. MWIF, Layered functional architecture, Technical Report MTR-003, Release Version 1.0, Au-gust 2000.
8. MWIF, Architecture requirements, Technical Report MTR-002, Release Version 1.7, February 2001.
9. Бирюков А., Триска Н. ети синхронизации: сценарии взаимодействия. М.:Радио и связь, 2006.
10. Zhang Shifa, The TDM over IP packet network // Huawei Technologies, December 2005.
11. Тузов К.В. Чистые каналы // Сети и системы связи. 2005. №6.
12. IEEE 1588, ITU-T Recomendation G.8261.

К. т. н. Давыдов А.Е.
A. Davydov