Новый вид связи

уже не в состоянии передавать с необходимым качеством возрастающие информационные потоки даже с домашних персональных компьютеров (ПК), обладающих мультимедийными возможностями (т.е. способностью обеспечить прием, обработку и передачу данных, аудио- и видеоинформации).

Особенно отчетливо этот кризис проявляется в крупных городах (мегаполисах), ставших в процессе урбанизации сосредоточением наукоемких производств, предприятий науки, образования, здравоохранения, бирж, банков и т.п., в процессе своей деятельности использующих высокоскоростные локальные сети, для объединения которых в корпоративные сети уже сегодня необходимо создание городской широкополосной коммуникационной инфраструктуры, что поможет превратить мегаполис из гигантского территориального образования в единый информационный город "инфополис", в котором будет обеспечена замена процесса перемещения товаров, услуг, людей, процессом передачи информации, что, помимо прочего, резко уменьшит нагрузку на транспорт и улучшит экологию города.

Этот кризис носит объективный характер и связан с тем, что основу телекоммуникационной инфраструктуры во всем мире составляет канальное оборудование коммутируемых телефонных сетей общего пользования (PSTN), создающих около 90 % всего трафика и дающих от 70 до 90 % всей прибыли.

Корпоративные (ведомственные) сети для передачи данных используют свободные (резервные) каналы в первичной (магистральной) сети, однако высокая цена аренды ограничивает их применение.

Абонентские телефонные линии проектировались для передачи узкополосного (300-3400 Гц) речевого трафика в режиме реального времени и в аналоговом варианте способны обеспечить передачу данных с помощью модемов с максимальной скоростью 28,8 Кбит/с.

Кроме того, являясь системами массового обслуживания с отказами, коммутируемые телефонные сети рассчитаны на обслуживание потока заявок с интенсивностью 3 разговора в час (длительность 5 минут) и возрастающая интенсивность нетелефонного трафика может, в конце концов, привести сеть к параличу.

В этих условиях возрастающие требования к пропускной способности магистральной сети как со стороны корпоративных сетей, так и со стороны домашних ПК (к 2000 году их число возрастает до 1 млрд.) определяют два пути выхода из кризиса:

Первый путь уже в течении длительного времени (более 10 лет) пытаются реализовать телекоммуникационные компании в виде сетей с интеграцией служб (ISDN и B-ISDN).

Появление узкополосной сети с интеграцией служб (ISDN) в середине 80-х годов было обусловлено с одной стороны практическим завершением процесса телефонизации в развитых странах и необходимостью обеспечить передачу возрастающего нетелефонного трафика с другой стороны.

В ISDN каждому абоненту предоставляется три цифровых канала по схеме 2В+D со скоростями 64, 64 и 16 Кбит/с соответственно.

При этом увеличение капитальных вложений и наличие трех каналов, увеличивает стоимость каждого телефонного номера более, чем в 3 раза.

Для подключения к сети могут быть использованы как специальный телефонный аппарат (ТА-ISDN), так и ПК с адаптером с ISDN.

Телефонный аппарат ISDN снабжен жидкокристаллическим дисплеем и выдвижной клавиатурой и позволяет обеспечить много дополнительных видов услуг (в т.ч. голосовую и факс-почту, видеоконференцсвязь и др.).

Несмотря на эти преимущества, сети ISDN в настоящее время рассматриваются как промежуточные системы, не имеющие перспектив, так как они намного дороже в создании и эксплуатации, чем телефонные сети, а сами телефонные аппараты ISDN по своим возможностям значительно уступают домашним ПК. Именно этим объясняется их малая распространенность, даже в США на половине ее территории охват сетями ISDN не превышает 40%.

Таким образом, сети ISDN не могут быть признаны конечной целью в создании высокоскоросных сетей общего пользования, так же как и широкополосные сети с интеграцией служб (В-ISDN), которые потребуют замены медных абонентских линий на оптововолоконные, что по оценке фирмы Bell потребует затрат в 300 млрд. долларов США, а в Интеллектуальной сети (IN) затраты на замену ПО коммутаторов телефонных сетей составят десятки млрд. долл.

Кроме того, функционирование сетей ISDN обеспечивается наличием специализированной высоконадежной управляющей системы сигнализации SS7, развертывание которой потребует дополнительных затрат в миллиарды долларов.

Именно этими причинами объясняется бум, который начался в США в 1995 г., в использовании сетей кабельного телевидения для организации высокоскоростного доступа к сети Internet с домашних ПК, в котором участвуют ведущие телекоммуникационные (AT&T, USWest, MCI и др.), компьютерные (HP, IBM, DEC и др.) и владельцы кабельного ТВ (Time Warner, Comcast, Cox Cable и др.).

Конференция Национальной ассоциации кабельного телевидения США (NCTA"96) отметила перспективность технологии передачи данных с помощью кабельных модемов и определила способы сокращения первичных капитальных вложений:

Предполагается, что аренда кабельного модема и неограниченный доступ в Internet должны стоить менее 40 дол. в месяц (что меньше, чем в сетях ISDN при значительно большей пропускной способности), что должно обеспечить окупаемость кап. затрат (1000 дол. на одного подписчика) в течение 25 месяцев.

Кроме того, возможно предоставлять за отдельную плату информационные, образовательные и развлекательные видеоматериалы.

С учетом того, что даже в США свыше 90 % сетей КТВ в настоящее время не приспособлены к двусторонней передаче данных, большинство развивающихся стран имеют одинаковые с развитыми странами стартовые условия построения новой широкополосной коммуникационной инфраструктуры, с учетом того факта, что в настоящее время в мире эксплуатируется более 1 млрд. ТВ-приемников и большинство из них (особенно в крупных городах) объединены в сети с помощью коаксиального кабеля.

По оценке аналитиков Gardner Group именно кабельные сети смогут реально спасти от паралича Internet, когда все возможные ресурсы комутируемых линий и линий ISDN исчерпаются.

Таким образом, у всех развивающихся стран появляется возможность освободить процесс информатизации от зависимости от существующей у них инфраструктуры телекоммуникаций (крайне неразвитой и отсталой), а так же не тратить миллионы и миллиарды долларов на создание промежуточных (ISDN), или дорогих и неэффективных (B-ISDN и IN) сетей.

Главным принципиальным отличием предлагаемого подхода является переход от интеграции всех видов служб как узкополосных (передача речи), так и широкополосных (передача данных и видеоинформации) в рамках единой широкополосной цифровой сети (В-ISDN) к параллельному созданию широкополосных сетей (городских сетей кабельного телевидения и различных ведомственных и корпоративных сетей общегородского характера) на базе совместного использования многоканальной широкополосной среды передачи (коаксиального и волоконно-оптического кабелей) при обеспечении высокого уровня информационной безопасности.

Ярко выраженная функционально-территориальная иерархия как ведомственных (корпоративных) сетей, так и сети кабельного телевидения, позволяет при их построении полностью отказаться от многопротокольных маршрутизаторов, а построить ее с помощью лишь коммутаторов ЛВС (многопортовых мостов), что резко повысит ее пропускную способность, уменьшит стоимость, и сделает прозрачной для любых сетевых протоколов (в т.ч. и IP).

Несмотря на высокую стоимость мультимедийного ПК (порядка 1500 дол.) в США число проданных для домашнего применения ПК в 1994 г. сравнялось с числом чисто офисных ПК, т.е. практически уже образовалась "критическая масса", необходимая для развертывания работ по созданию нового вида связи, а с учетом того, что в 2000 году общее число ПК во всем мире достигнет 1 млрд., это утверждение верно и для других стран.

Этот процесс будет значительно ускорен работами по созданию так называемого сетевого компьютера (терминала Internet).

Капитальные затраты на создание новой коммуникационной инфраструктуры могут быть значительно снижены за счет использования части пропускной способности коаксиальной линии кабельного телевидения (полоса пропускания (1000 Мгц), доведенного практически до каждой квартиры в крупных городах, в котором для распределения ТВ-программ используется лишь незначительная часть полосы пропускания в диапазоне 5-862, что в данном случае автоматически решает вопрос "последней мили", - т.е. доведение до абонента широкополосного канала и это без многомиллиардных затрат на прокладку волокна, т.е. позволяют на основе кооперации (экономически эффективно) строить две широкополосные сети.

Современные городские сети кабельного телевидения строятся по гибридной схеме: оптоволоконная транспортная сеть и распределительные сети на базе коаксиального кабеля, охватывающие область на 50-2000 абонентов.

Транспортная сеть для увеличения надежности строится в виде иерархии двойных колец (петель), которые в случае повреждения кабеля автоматически производят его реконфигурацию и сохраняют полную связность сети.

Само число уровней иерархии определяются географическими размерами города, числом его жителей и административно-территориальным делением.

В то же время широковещательная топология ("дерево с ветвями") коаксиального фрагмента распределительной сети кабельного телевидения позволяет в полном объеме использовать новейшие технологии, применяемые для построения высокоскоростных коммутируемых локальных сетей масштаба предприятия.

Коммутатор - это устройство, конструктивно выполненное в виде концентратора и действующее как высокоскоростной многопортовый мост, в котором встроенный механизм коммутации на MAC- уровне позволяет осуществить сегментирование локальной сети.

При этом они позволяют повысить отдачу от уже сделанных вложений; для повышения производительности не нужно прокладывать ни новый кабель, ни менять оборудование конечного узла.

В 1994 г. общий объем продаж коммутаторов возрос в 5 раз и производство их стало доминирующим для "китов" сетевой индустрии (Cisco Systems, Bay Networks, Cabletron, 3Com).

В настоящее время в сетях предприятий для повышения эффективности их работы используется иерархическая архитектура распределенной обработки, в которой центр тяжести перенесен с клиентов локальных сетей на сеть локальных серверов с использованием высокоскоростных протоколов (Fast Ethernet) и средств коммутации.

Иерархическая модель организована в соответствии со структурой предприятия: центральный сервер (главный офис) - локальные серверы (подразделений) - станции-клиенты (персонал компании). При этом связь ПК-клиентов с сервером отделения и серверов отделений с центральным сервером обеспечивается помощью иерархического объединения центрального коммутатора, к которому подключен центральный сервер, с коммутаторами подразделений, к которым подключены соответствующие серверы.

Переход от маршрутизаторов к коммутаторам локальных сетей, позволяет не только повысить общую пропускную способность и снизить стоимость (от 1000 дол. для маршрутизаторов до 200 дол. для коммутаторов за порт), но и также осуществить переход к виртуальным локальным сетям в масштабах предприятия.

Коммутатор ЛВС - представляет собой неблокирующее коммутационное устройство, имеющее суперскоростную внутреннюю шину (скорость передачи 1-10 Гбит/с), к которой через специальные устройства (ASIC) подключены сегменты локальных сетей.

Коммутаторы при пересылке кадров информации читают только MAC-адрес назначения в заголовке, т.е. работают ниже уровня 3 модели OSI и поэтому прозрачны для любого сетевого протокола.

Граничные коммутаторы, реализующие функции эмуляции ЛВС (LANE) для передачи по сетям АТМ ( Asinchonous Transfer Mode), позволяют существенно увеличить размеры виртуальных ЛВС (вплоть до масштабов города), при построении магистральных сетей АТМ.

Схема ПК (клиент) - коммутатор - сервер фактически представляет собой схему полностью интеллектуальной сети (FIN - Full Intelligence Network), так как наличие в ней ПК ("интеллектуального коммуникатора ") в корне отличает ее (в лучшую сторону) от простой интеллектуальной сети (IN), которая строится на базе телефонных аппаратов, и считается высшим достижением в развитии телекоммуникационных сетей.

Исходя из этих предпосылок, локальный фрагмент сети персональных компьютеров общего пользования будет строиться на базе существующей домовой распределительной сети кабельного телевидения, при этом каждый домашний компьютер должен быть оснащен и кабельным модемом, обеспечивающим скорость передачи 10Мбитс в полосе 6МГц как прямого(48-550 МГц), так и обратного (5-30МГц) канала.

Субмагистральная сеть кабельного телевидения, соединяющая домовые распределительные сети, используется для создания опорной (backbone), которая с помощью мостов объединит домовые локальные сети.

Опорные (backbone) сети на базе техники кабельного телевидения со скоростью передачи 10Мбит/с широко использовались в 80-х годах при автоматизации промышленных предприятий (протоколы MAP/TOP) во всем мире, и для их реализации был создан набор микросхем, реализующих, в том числе, и кабельный модем (фирмы Motorola, DEC и др).

Сегменты опорной сети сервисной области объединяются с помощью коммутатора ЛВС, который не только обеспечивает возможность подключения к главному серверу домашних ПК и связи их между собой, но и так же выход в сеть Internet (или в сеть ATM).

Кроме того, коммутатор ЛВС может быть связан с сервером и находящихся поблизости локальных сетей школ, электронных магазинов, отделений банков, поликлиник и т. п.

Коммутатор ЛВС размещается в одном месте с опто/коаксиальным конвертером, осуществляющим преобразование сигналов, поступающих из оптоволоконной сети в стандартные сигналы аналогового телевидения для передачи по коаксиальному кабелю распределительной сети.

Таким образом сеть на базе коаксиальной распределительной сети, представляет собой городскую микросеть общего пользования, которая может быть построена в несколько этапов:

Так как оптоволоконные кабели могут содержать большое количество (64 и выше) отдельных волокон, экономически целесообразно использовать свободные волокна для организации дополнительной транспортной сети, соединяющие домовые локальные сети через объединяющие их коммутаторы в единую городскую виртуальную сеть (VLAN).

В этом случае топология этой сети должна в точности соответствовать топологии транспортной сети кабельного телевидения (т.е. быть иерархической), что позволяет реализовать в сети распределенную коммутацию, когда отдельные иерархические кольца (петли) связываются между собой с помощью мостов.

Общегородские сети предлагается строить с на основе новой парадигмы компьютерных коммуникаций, включающей:

1) иерархическую топологию (иерархическое объединение сетей с широковещательной топологией);

2) распределенную коммутацию (межсетевую фильтрацию кадров на МАС-уровне);

3) единую иерархическую адресацию на МАС-уровне.

Данный подход позволяет полностью исключить из городской сети маршрутизаторы и обеспечить дополнительный (альтернативный) высокоскоростной доступ во всемирную "паутину" (WWW).

Широковещательная топология всех городских компьютерных сетей позволяет перейти от маршрутизации к коммутации (межсетевой фильтрации) осуществляемой на уровне кадров, что наиболее эффективно можно реализовать с использованием патента РФ #2004946 "Иерархическая сеть связи", в котором применение иерархической адресации, в точности соответствующей иерархической топологии сети, позволяет избежать процесса построения и ведения таблиц MAC-адресов, и проводить фильтрацию кадров аппаратно на основе однократного сравнения префиксов MAC-адресов поступившего кадра и MAC-адреса самого моста, что резко ускоряет и упрощает его работу, а также снимает ограничения по размеру базы данных MAC-адресов.

Отдельные двойные кольца (петли) в транспортной сети фактически представляют собой двойные шины, на базе которых могут быть реализованы высокоскоростные подсети, обеспечивающие асинхронный режим передач (АТМ) со скоростями 155 Мбит/c в соответствии с синхронной цифровой иерархией (SDH) по протоколу DQDB (распределенный доступ к двойной шине).

Иерархическая совокупность этих подсетей образует городскую широкополосную сеть (Metropolitan Area Network), причем каждая из этих подсетей представляет собой рапределенную коммутирующую систему (MSS - MAN Switch System), связь между которыми осуществляется с помощью мостов, что увеличивает пропускную способность и уменьшает стоимость всей сети по сравнению с существующими системами MAN (Alcatel 1190).

Подобные транспортные сети могут быть организованы на свободных волокнах в одном оптоволоконном кабеле и для других (ведомственных, корпоративных) общегородских сетей, что резко уменьшает расходы по строительству и эксплуатации этих сетей.

Таким образом, в рамках города смогут быть организованы высокоскоростные корпоративные (ведомственные) сети и сеть ПК общего пользования с применением технологии виртуальных сетей (VLAN), то есть замкнутые рабочие группы могут быть образованы не только в рамках одного предприятия, но и всей корпоративной (ведомственной) сети .

С учетом того, что общая протяженность транспортной городской сети в крупных городах может достигать нескольких сотен километров, общая экономия только на прокладке оптоволоконного кабеля (стоимость прокладки одного километра составляет 8 тыс. дол.), будет 4-5 млн.дол. для каждой сети

Дополнительная экономия за счет единой службы эксплуатации и управления сетью многократно превысит эти цифры.

Городская гибридная широкополосная мультисеть станет физической основой, своеобразным "каркасом" для построения городской информационной инфраструктуры.