Методология построения распределенных сетей передачи, обработки и хранения данных: сервисные сети следующего поколения. Монография. Том 2 - читать онлайн

1.1. Актуальность проектирования и повышения эффективности региональных сетей

Информационные ресурсы являются одним из важнейших видов ресурсов для всех без исключения органов управления, в том числе и для областных органов государственной власти.

Внедрение информационных систем представляет в настоящее время процесс, который происходит и в России, и за ее пределами, и отражает динамику и сложность экономики, расширяющиеся международные связи и кооперацию по решению ряда экономических, социальных и политических задач.

Анализ ситуации в регионах РФ показал, что в большинстве из них сервисных сетей и (или) сетей передачи, обработки и хранения данных, в полном понимании рассматриваемой в работе концепции региональных сервисных сетей передачи, обработки и хранения данных (РССХД) не существует. Например, в более чем 50% районах Тверской области отсутствуют высокоскоростные каналы передачи данных, более 80% устаревшего сетевого и серверного аппаратно-программного обеспечения и т. д.

Опыт ведущих стран показывает, что в процессе информатизации для получения результата необходимо, в первую очередь, решить проблемы учета имеющихся трудовых, финансовых и материальных ресурсов, в виде соответствующих социально – экономических информационных систем, баз данных и предоставления данной информации в виде мобильных информационных сервисов. В этом случае появляется возможность решать вопросы комплексного развития территории на основе анализа многоаспектной информации.

На сегодняшний день, во многих странах создана и действует информационная индустрия с мощной инфраструктурой, обеспечивающей необходимую поддержку большого числа современных информационных и мобильных сервисов, удаленных услуг SaaS (Software-as-a-Service) (Рис. 1.1), удаленных центров обработки данных (ЦОД) с поддержкой облачных вычислений (cloud computing) (Рис. 1.2) и функций удаленного хранения информации в рамках сетей NGN (Next Generation Network) и сетей IMS (IP Multimedia Subsystem),1819,20,21,22,23,24.

Рисунок 1.1. Наиболее востребованные российскими компаниями облачные сервисы в 2011 году (% компаний)

Кроме того, постоянное развитие и увеличение информационно-технического потенциала предприятий и инициирует потребность к территориально распределенной информационной интеграции с использованием сети Internet, что приводит к резкому увеличению передаваемого по сети трафика в условиях использования, как правило, низкокачественных и низкоскоростных линий связи и необходимости хранения локально больших массивов данных. Следствием этого, стабилизация и совершенствование социально-экономической сферы регионов требуют поддержки, совершенствования и развития региональных сервисных сетей передачи, обработки и хранения данных в соответствие с мировыми требованиями и стандартами.

Рисунок 1.2. Ожидаемый экономический эффект от облачных вычислений для пяти крупнейших экономик Европы к 2015 году (млрд. евро/год)

РСCХД предъявляют высокие требования к эффективному использованию средств передачи, обработки и хранения данных, к уровню обслуживания клиентов сети и уровню предоставляемых Интернет и мобильных сервисов. В связи с этим, одной из важнейших проблем, которую приходится решать при проектировании и внедрении сетевых проектов и их эксплуатационном сопровождении, является проблема адекватного описания процессов в моделях, используемых при проектировании и организации эффективной работы распределенных региональных сервисных сетей в различных условиях функционирования.

На сегодняшний день задача построения региональной сервисной сети передачи, обработки и хранения данных стоит достаточно остро не только для отдельно взятого региона, но и имеет большое практическое значение для большинства регионов Российской Федерации.

1.2. Применение концепции построения сетей следующего поколения (Next Generation Network, NGN) для РССХД

1.2.1. Общие положения концепции NGN

В настоящее время наблюдается бурный рост и развитие концепций и технологий построения и модернизации глобальных и региональных сервисных сетей передачи, обработки и хранения данных (РССХД).

Исторически выделяют три основных этапа развития сетей общего пользования, оборудование которых продолжает активно использоваться (Рис.1.3).

Рисунок 1.3. Схемы распределения функций узла коммутации в различных сетевых конструкциях

Традиционные телефонные сети – сети первого поколения, или POTS (Plain Old Telephone Service), использующие аналоговые системы передачи и узлы коммутации декадно-шаговых, координатных, квазиэлектронных и ранних версий цифровых систем коммутации.

С середины 1980-х годов начала развиваться сетевая концепция ISDN (Integrated Services Digital Network), которая предусматривала использование цифровых систем передачи данных через цифровые узлы коммутации (сети второго поколения).

Уже в конце 90-х годов с развитием Интернета и появлением новых технологий и стандартов, а также с большим ростом пользователей услуг, возникла потребность в сетевой концепции, не только не уступающей по своим характеристикам телефонной сети общего пользования (ТфОП), но и технологически превосходящей ее. Это потребовало разработки новых стандартов и решений, обеспечивающих передачу различных видов информации и предоставления различных видов услуг в рамках единой сетевой структуры, которая в последствие получила название – NGN (Next Generation Network) и стала основой для развития сетей третьего поколения.

Большую роль в формировании концепции и стандартов развития NGN сыграли:

– IPCC (International Packet Communication Consortium),

– ETSI / TISPAN (European Telecommunications Standards Institute/ Telecommunications and Internet converged Services and Protocols for Advanced Networking),25,26,27,28,29,30,31,32,33,34.

– Международный союз электросвязи (МСЭ или ITU – International Telecommunicational Union),3536,37,38,39,40.

– Группа 3GPP (Third Generation Partnership Project).

Под сетью NGN (Next Generation Network) понимают гетерогенную мультисервисную сеть, основанную на пакетной коммутации и обеспечивающую предоставление практически неограниченного спектра телекоммуникационных сервисов.41

Ниже, на рисунке 1.4, приводится архитектура сети NGN, описанная в рекомендации ITU-T Y.2012:

Рисунок 1.4. Архитектура сети NGN согласно ITU-T Y.2012

В рекомендации Y.2012 определяется, что архитектура сети NGN поддерживает доставку контента и мультимедиа сервисов, включая цифровое телевидение и радиовещание.42

В последствие TISPAN расширило архитектуру сети NGN и ввело, разработанную 3GPP, подсистему IMS (IP Multimedia Subsystem).

Рисунок 1.5. Компоненты сети NGN TISPAN

IMS определяют как All-IP-систему управления сетью 3G, эффективно использующую принципы Softswitch и возможности протокола SIP.

Основным достоинством NGN TISPAN является то, что все подсистемы рассматриваются не как совокупность узлов, а как набор функциональных модулей, каждый из которых может быть реализован произвольным набором физических элементов. Все модули взаимосвязаны посредством стандартизированных интерфейсов. Взаимодействие функциональных модулей осуществляется по сигнальному протоколу SIP,43.44

Необходимо отметить, что 2001 году в России был принят документ «Концептуальные положения по построению мультисервисных сетей на ВСС России». В нем даны основные определения и рассмотрены основные проблемы, связанные с переходом к сетям NGN.45

В соответствии с этим положением термин NGN определяется, как концепция построения сетей связи, обеспечивающих предоставление неограниченного набора услуг с гибкими возможностями по их управлению, персонализации и созданию новых услуг за счет унификации сетевых решений, предполагающая реализацию универсальной транспортной сети с распределенной коммутацией, вынесение функций предоставления услуг в оконечные сетевые узлы и интеграцию с традиционными сетями связи.

Рисунок 1.6. Пример сети, построенной в соответствии с основными положениями по построению мультисервисных сетей на ВСС России

Согласно международным рекомендациям МСЭ, сети NGN должны решать следующие задачи:

· способствовать честной конкуренции;

· поощрять частные инвестиции;

· определять принципы архитектуры и возможности для приведения в соответствие с различными регламентирующими требованиями;

· обеспечивать открытый доступ к сетям;

· обеспечивать универсальное предоставление услуг и доступ к ним;

· способствовать обеспечению равных возможностей для всего населения;

· способствовать разнообразию содержания, включая культурное и языковое разнообразие.

1.2.2. Основные характеристики и функциональная модель NGN

Выделяют следующие основные характеристики сетей NGN:

– передача информации с пакетной коммутацией;

– разделение функций управления между пропускной способностью канала-носителя, вызовом/сеансом, а также приложением/услугами;

– развязка между предоставлением услуг и транспортировкой и предоставление открытых интерфейсов;

– поддержка широкого спектра услуг, приложений и механизмов на основе унифицированных блоков обслуживания (включая услуги в реальном масштабе времени, в потоковом режиме, в автономном режиме и мультимедийные услуги);

– возможности широкополосной передачи со сквозной функцией QoS (качества обслуживания)46,47.

– взаимодействие с существующими сетями с помощью открытых интерфейсов;

– универсальная мобильность;

– неограниченный доступ пользователей к разным поставщикам услуг;

– разнообразие схем идентификации;

– единые характеристики обслуживания для одной и той же услуги с точки зрения пользователя;

– сближение услуг между фиксированной и подвижной связью;

– независимость связанных с обслуживанием функций от используемых технологий транспортировки;

– поддержка различных технологий «последней мили»;

– выполнение всех регламентирующих требований, например, для аварийной связи, защиты информации, конфиденциальности, законного перехвата и т. д.48

Сеть NGN должна предоставлять возможности (транспортные ресурсы, протоколы и т. д.) для целей создания, развертывания и управления всеми возможными видами услуг.

В перечень входят услуги, использующие среду разного вида (аудио, визуальную, аудиовизуальную) со всеми типами схем кодирования и услуги передачи данных, диалоговые, с адресацией конкретному устройству, групповой адресацией и вещанием, услуги передачи сообщений, простой передачи данных в реальном масштабе времени и в автономном режиме, с регулированием задержки и устойчивые к задержке услуги.

Услуги с различными требованиями к ширине полосы от нескольких Мбит/с до нескольких Гбит/с, с гарантированной полосой или без, должны поддерживаться в рамках возможностей технологии транспортировки.

В сетях NGN делается особый упор на обеспечение соответствия требованиям заказчика со стороны поставщиков услуг, причем некоторые из поставщиков будут предлагать своим клиентам возможность настройки своих собственных услуг.

NGN должна включать связанные с обслуживанием интерфейсы программирования приложений (API), чтобы поддерживать создание, предоставление и управление услугами.

Одной из основных характеристик NGN является отделение услуг от транспорта, что позволяет предлагать их отдельно и развивать независимо. Поэтому в архитектуре NGN должно быть четкое разделение между функциями обслуживания и функциями транспортировки.

Концепция NGN позволяет предоставлять как существующие, так и новые услуги вне зависимости от используемой сети и типа доступа. Таким образом, в базовой функциональной модели МСЭ сети NGN выделяют два слоя: транспортный (Transport Stratum) и сервисный (Service Stratum). На рисунке 1.7 взаимодействие между функциями по передаче информации изображено сплошной линией, а по управлению – пунктирной.

Рисунок 1.7. Функциональная модель NGN в соответствии с ITU-T Y.2012

Транспортный слой включает в себя зависимые уровни OSI и обеспечивает перенос информации между двумя географически разделёнными точками.

В частности, транспортный слой обеспечивает обмен информацией между следующими объектами (Рис.1.8):

· Интерфейс «сеть – сеть» (Network-Network Interface (NNI),

· Интерфейс «пользователь – сеть» (User-Network Interface (UNI),

· Интерфейс сетевых приложений (Application Network Interface (ANI).

Рисунок 1.8. Взаимодействие UNI – NNI согласно ITU-T Y.2012

Транспортный уровень (Transport stratum) обеспечивает взаимодействие с пользователями сети NGN посредством подсистемы Transport control functions, включающий Network Attachment Control Functions (NACF) и Resource and Admission Control Functions (RACF), которые являются неотъемлемой частью сети NGN.

Транспортная архитектура NGN сетей включает три основных уровня:

1. Магистральные сети. На уровне магистралей в NGN используется технология IP/MPLS, которые могут накладываться поверх существующих сетей с коммутацией каналов или создаваться заново. Возможные варианты технологий доступа хорошо известны, это – ТФОП, ADSL, LAN, HFC, WLAN, GSM, UMTS, CDMA 2000, WiMax и т. д.

2. Опорные/городские сети. На данном уровне устанавливаются, как правила, традиционные АТС (междугородние, городские и районные) постепенно замещаются медиашлюзами (Media Gateway), которые управляются программными коммутаторами (SoftSwitch) и переправляют потоки в сеть доступа.

3. Сети доступа.

В транспортном слое могут применяться все типы сетевых технологий, а именно:

· ориентированная на соединение коммутация каналов (connection-oriented circuit-switched – CO-CS);

· ориентированная на соединение коммутация пакетов connection-oriented packet-switched – CO-PS), неориентированная на соединение коммутация пакетов (connectionless packet-switched – CLPS).

Однако для построения NGN предпочтение отдаётся технологиям на базе IP с поддержкой качества обслуживания.

Рисунок 1.9. Разделение услуг и транспорта в NGN

Сервисный слой может включать в себя сложный набор географически распределённых сервисных платформ или в простейшем случае набор функций, реализованный двумя конечными пользователями. Для предоставления полного набора услуг в сервисный слой включаются прикладные функции. Примерами служб, реализуемых на данном уровне, могут быть передача речи, данных, видео или любая их комбинация. На рисунке 1.9 приведён пример услуг (сервисов), обеспечиваемый сетью NGN.

Рисунок 1.10. Основная эталонная модель NGN

Каждый слой содержит один или несколько уровней. Уровень состоит из трёх плоскостей:

· плоскость пользователя;

· плоскость контроля;

· плоскость менеджмента.

Основная эталонная модель NGN показана на рисунке 1.10.

При построении сети, удовлетворяющей концепции GII, в функциональной модели NGN МСЭ выделяет три категории объектов: функции, сервисы, ресурсы.

Сервисы реализуются различными функциями с помощью доступных ресурсов. Один и тот же сервис может реализовываться разным набором функций и наоборот, одна функция может использоваться для реализации различных сервисов. Их взаимосвязь показана на рисунке 1.11. Функции NGN представлены на рисунке 1.12.

Рисунок 1.11. Обобщённая функциональная модель NGN

При любой из нынешних концепций транспортный уровень NGN должен обеспечивать создание полно связной инфраструктуры для пакетной передачи данных разного типа с поддержкой QoS.

Предполагается, что сеть NGN должна поддерживать:

· услуги связи пункта с пунктом в транспортном слое, без адаптации;

· услуги связи пункта с пунктом в транспортном слое, включая функции адаптации;

· услуги связи пункта со многими пунктами в транспортном слое, включая функции адаптации.

Рисунок 1.12. Иллюстрация функций NGN

При любой из нынешних концепций транспортный уровень NGN должен обеспечивать создание полно связной инфраструктуры для пакетной передачи данных разного типа с поддержкой QoS.

Предполагается, что сеть NGN должна поддерживать:

· услуги связи пункта с пунктом в транспортном слое, без адаптации;

· услуги связи пункта с пунктом в транспортном слое, включая функции адаптации;

· услуги связи пункта со многими пунктами в транспортном слое, включая функции адаптации.

Первоначально используемой транспортной технологией была SDH (синхронная цифровая иерархия), которая основывалась на базе коммутации каналов. Ее основными недостатками были: фиксированная полоса пропускания и неэффективное использование каналов для передачи эластичного трафика. Существовавшая не так давно технология передачи данных, основанная на базе коммутации пакетов X.25 не могла переносить трафик реального времени, так как являлась низкоскоростной. Технология Frame relay использовала в качестве передающей среды оптические волокна, но не поддерживала качество обслуживания. Пришедшая на смену технология АТМ являлась первой мультисервисной технологией и тоже передавала пакеты фиксированной длины посредством оптического волокна. Новое поколение транспортных технологий, поддерживающих гарантированной качесвто обслуживания представлено технологией MPLS (мультипротокольная коммутация по меткам). Она была разработана с целью обеспечения универсальной службы передачи данных как для клиентов сетей с коммутацией каналов, так и сетей с коммутацией пакетов. С помощью MPLS можно передавать различные типы трафика: эластичный, потоковый и реального времени.

В 2003 году появилась концепция «Городская вычислительная сеть» (Metropolitan area network, Metro Ethernet или MAN), которая описывает возможности оказания услуг операторского класса (как в MPLS) на базе технологии Ethernet – all over Ethernet («все» поверх Ethernet).

Основными преимуществами, которые двигают разработчиков к развитию данной технологии, являются:

· Эффективность затрат. При построении новой сети стоимость оборудование ядра сети ниже, чем в других технологиях. А при использовании уже существующего оборудования нижних уровней (SDH, ATM) необходимо минимум расходов для адаптации этого оборудования под Metro Ethernet.

· Возможность предоставления соединения и полосы пропускания по требованию. Многие классические технологии коммутации пакетов не обладают такой возможностью (Frame Relay, ATM).

· Легкость взаимодействия сетей. За счет стандартных интерфейсов (NNI – Network-Network Interface – интерфейс «сеть-сеть» и UNI – User-Network Interface – интерфейс «пользователь-сеть») взаимодействие между сетями и пользователями упрощается как с точки зрения капитальных вложений, так и с точки зрения операционных расходов.

· Большое количество уже существующих пользователей. Большинство клиентов городских сетей имеет на своих площадках (Customer Premises) локальную или корпоративную сеть Ethernet, а при развитии концепции NGN и переходе на услуги «все поверх IP» таких пользователей станет абсолютное большинство.

В частности, как одну из подсистем сети NGN или РССХД можно рассматривать сеть Metro Ethernet.

В настоящее время телекоммуникационная индустрия делает следующий шаг от архитектуры NGN на базе программного коммутатора (Softswich) и медиа шлюза (MGW) к архитектуре NGN с IMS (IP Multimedia Subsystem), а в перспективе и к сетям All-IP [208].

Новой конвергентной платформой следующего поколения сетей NGN, которая определит будущее Единой сети электросвязи РФ в ближайшие пять лет, как для частных абонентов, так и для корпоративных пользователей, станет IMS (Рис. 1.13).

Рисунок 1.13. Единая инфраструктура для всех типов услуг и устройств

IMS – это технологическое решение, определяемое соответствующим набором стандартов и функциональных элементов, четко разделяющая сервисный и инфраструктурный уровни сети NGN.49

IMS сглаживает различия между всеми телекоммуникационными технологиями на рынке, включая различия между телефонными сетями общего пользования (ТСОП) и сетями подвижной связи (СПС).

Архитектура IMS получила признание у всех телекоммуникационных компаний и операторов Интернет, мобильной и фиксированной связи по следующим причинам:

· Единое ядро сети, единая платформа предоставления услуг, единая система управления и тарификации значительно снижают стоимость владения сети, а также позволяют значительно увеличить перечень предлагаемых сервисов для абонентов и потребителей услуг. Для абонентов это означает снижение стоимости и повышение качества предоставляемых услуг.

· Быстрый рост числа пользователей различных мультимедийных терминалов. Растет количество интеллектуальных устройств носимой электроники. Приложения реального времени, такие как передача мгновенных сообщений, Push-To-Talk и другие, завоевывают все большую популярность во всем мире.

· Острая конкуренция и ценовое давление. Сетевые сегменты операторов наземной и мобильной связи, а также кабельных операторов, во многом пересекаются. Конвергенция фиксированной и мобильной связи обеспечивает более рациональное использование сетевых ресурсов, особенно на уровне доступа.

· Конвергенция голоса, данных и видео. Многие поставщики уже предлагают услуги «triple-play» пакетом, увеличивается потребность в конвергенции между наземными и беспроводными сетями как в средстве обеспечения доступности этих услуг из любого места.

· Сокращение времени на ввод в эксплуатацию новых услуг. Чтобы оставаться конкурентоспособными, операторы и поставщики услуг вынуждены создавать и внедрять новые дифференцирующие услуги в очень сжатые сроки, при условии скорейшего возврата инвестиций. В ближайшее десятилетние станет актуальным применение новых технологий искусственного интеллекта.

Большинство региональных сетей представляют собой комбинацию аналогового и цифрового сегментов сети, но в целом в рамках сетей крупных телеком операторов и Единой сети электросвязи РФ, добавляется сегмент сети NGN, доля которого неуклонно растет.

На сегодняшний день развитие архитектуры и стандартов NGN являются определяющим направлением для разработки, проектирования и развития региональных сервисных сетей передачи, обработки и хранения данных.

1.3. Общие требования к показателям качества обслуживания для сетей NGN

Современный период развития телекоммуникационных систем подразумевает переход от разрозненных региональных сервисных сетей и сетей хранения данных к единой РССХД, в направлении их интеграции в Единую сеть электросвязи РФ (ЕСЭ). На сегодняшний день это движение технологий от сетей NGN к сетям NGN с IMS или к сетям all-IP, а в последующем к «сетям будущего».50

Как большинству новых сложных систем, сети NGN свойственны существенные недостатки:

· потенциальное снижение качества связи и производительности сети из-за задержек, которые неизбежны при использовании IP-технологии;

· проблемы надежности и отказоустойчивости телекоммуникационной системы, обусловленные тем, что несколько независимых (с точки зрения надежности) сетей заменяются одной сетью;

· риски информационной безопасности, которым подвержена сеть следующего поколения.

Каждый из перечисленных выше аспектов исследуется в работах российских и зарубежных ученых.

Возникающие задачи проектирования РССХД и разработки технологического решения отличает новизна и сложность, что тесно связано с предметом исследования.

Результаты исследований, представленные в данной работе, помогут правильно проектировать РССХД, оптимально выбирая параметры функционирования сети, которые в свою очередь влияют на соотношение между затратами на используемые ресурсы и качеством обслуживания,51