Фундамент мультисервисной сети

Владелец каналов связи заинтересован в повышении эффективности бизнеса, чему способствует предоставление более дорогих услуг сетевого уровня

Уходит в прошлое время, когда операторы регионального и национального уровня лишь предоставляли имеющиеся у них линии связи в аренду клиентам. Операторам было безразлично, какая информация передается по медным проводам или радиоканалам. Свою функцию они видели в поддержании системы в рабочем состоянии и ее своевременной модернизации. В последнее десятилетие ситуация радикально изменилась. Объем информации, транспортируемой по линиям связи, увеличился на несколько порядков. Передаваемый трафик сильно усложнился - это и голосовые сообщения, и данные, и видеосигналы. В подобной ситуации оказывается недостаточным просто строить линии с довольно большой пропускной способностью — необходимо также обеспечивать эффективность использования такой пропускной способности и сопряжение с другими системами связи данного региона.

Современные системы связи представляют собой весьма разнородную среду передачи информации. В них используются медные провода и кабели, волоконно-оптические линии и радиоэфир. Еще большее разнообразие наблюдается в способах организации связи. В результате возникают проблемы согласования различных систем, и вопросы управления такой гетерогенной информационной средой выступают на первый план.

Одним из общепризнанных методов решения указанных задач является применение технологии ATM (Asynchronous Transfer Mode), которая позволяет одновременно передавать разнородный трафик (голос, видео, данные) в гетерогенной среде. Эта технология обеспечивает следующие преимущества: независимость от физического уровня, способность работать в мультипротокольной информационной среде (это необходимо для организации глобальных сетей, таких как Internet), эффективность управления сложным трафиком и поддержку любой топологии.

В настоящее время примерно 20% мирового трафика передается именно по ATM-сетям, хотя данная технология внедряется довольно медленно. Последнее обусловлено наличием большого количества альтернативных устройств, позволяющих решать конкретные, узконаправленные задачи. В результате технический прогресс на Западе сдерживается сроками амортизации существующего оборудования.

В России и других странах СНГ наблюдается совершенно иная картина. Отсутствие развитых современных систем связи приводит к появлению множества проектов строительства волоконно-оптических систем связи регионального и межрегионального уровня, которые достаточно быстро воплощаются в жизнь. Однако при разработке весьма значительного числа проектов за основу берут SDH-технологию (Synchronous Digital Hierarchy). Проблема состоит в том, что такие сети быстро исчерпывают свои возможности, и для их дальнейшего развития требуется переход на технологии более высокого уровня.

Сети SDH обеспечивают только работу канала передачи информации — по оптическому волокну с высокой скоростью. Таким образом, эта технология используется на физическом и канальном уровне, а созданием сетевой инфраструктуры приходится заниматься пользователям транспортных сетей, то есть поставщикам сетевых услуг. В ATM-сетях услуги присущи самой технологии. Общей тенденцией последних лет стал уход операторов связи от услуг только канального уровня. Совершенно естественно, что владелец каналов связи заинтересован в повышении эффективности бизнеса, чему способствует предоставление более дорогих услуг сетевого уровня. Характерным примером является деятельность компании British Telecommunications (BT). Этот английский оператор связи национального уровня покупает существующие SDH-сети и «одевает» их в оболочку из ATM-технологии. В результате BT выступает на рынке и как оператор каналов связи, и как провайдер услуг.

Количество или качество?

Цифровая телефония основана на использовании коммутируемых сетей и технологии синхронной передачи. В такой системе между двумя абонентами устанавливается прямое соединение (канал), и информация поступает на приемник точно с той же скоростью, с которой данные исходят от источника. Для организации большого числа каналов на линии связи применяется мультиплексирование — либо частотное, либо временное. Однако в этом случае транспортировка цифровых данных является сложной задачей с точки зрения оптимальной загрузки канала, а значит, повышается стоимость его эксплуатации. Трафик подобного обмена имеет ярко выраженный пульсирующий характер, и значительную часть времени канал не передает информации, что приводит к недогруженности сети.

Применение пакетной коммутации представляет собой альтернативный способ передачи цифровой информации. При использовании этой технологии последовательность битов от передатчика заключаются в контейнер (пакет), снабженный заголовком, в котором приводится служебная информация. Пакет поступает на коммутатор сети, соединенный с большим числом пользователей. Ориентируясь на информацию заголовка, коммутатор обрабатывает пакеты и рассылает их по адресам через другие коммутаторы по общим линиям связи. Поскольку каждый коммутатор связан со множеством пользователей, при использовании буферизации происходит сглаживание пульсаций трафика, и линия связи может быть загружена оптимальным образом. Такой режим передачи называется асинхронным.

Описанная система хороша для обмена данными между компьютерами, но передача голосовых данных по ней связана с большими трудностями. Дело в том, что поступившие на коммутатор пакеты вынуждены ждать своей очереди, пока обрабатываются ранее поступившие пакеты. Время ожидания непрогнозируемо — оно зависит от конкретной нагрузки на данный коммутатор. В результате пакеты, поступающие от передатчика через равные промежутки времени, достигнут приемника в случайные моменты. Такая задержка приводит к сильным искажениям голосовой информации — вплоть до потери узнаваемости голоса. Например, при задержке порядка 10 мс необходимо дополнительно решать проблемы эхоподавления. Все, что сказано выше о передаче голосовых данных, справедливо и в отношении передачи изображений в режиме реального времени.

Очевидно, что время задержки пакета на коммутирующем узле пропорционально длине пакета, поэтому для уменьшения задержки последнюю необходимо уменьшить. Но тогда возрастает доля служебной информации в результирующем трафике, что опять приведет к уменьшению пропускной способности сети. Кроме того, в результате обработки достаточно длинных заголовков пакетов возникают перегрузки коммутаторов и снижается их производительность.

Таким образом, неоднородность трафика в современных линиях связи обусловливает взаимно исключающие требования к способам обработки информации и управления сетью. Ситуация усугубляется еще и возможным наличием на разных участках физических каналов связи различного оборудования, что делает линию связи гетерогенной и затрудняет создание сквозных соединений, позволяющих гарантировать качество предоставляемых услуг.

Соломоново решение

Технология ATM и была разработана для решения столь противоречивых задач. При этом ставилась цель создать такую среду передачи данных, которая была бы одинаково дружественной для разных типов трафиков и которая смогла бы использоваться в высокопроизводительных сетях независимо от их физической реализации.

Рассмотрим, как в рамках ATM решаются вопросы передачи неоднородного трафика с гарантированным качеством услуг (подробное описание технологии ATM можно найти в статье И. Ковалерчика - см. Сети, 1997, №5).

В среде ATM применяются пакеты небольшого размера и фиксированной длины. Размер такого пакета является результатом компромисса, достигнутого между телефонистами и компьютерщиками: при значительных нагрузках на сеть его величина обеспечивает минимальное время задержки. В пакете имеется небольшой заголовок (5 байтов, из которых 3 байтов отводятся под номер виртуального соединения), а остальные 48 байта содержат данные оцифрованного голоса или локальной сети. Для того чтобы пакеты могли содержать адрес узла назначения и в то же время доля служебной информации была небольшой, в технологии ATM использован стандартный для глобальных вычислительных сетей прием: они всегда работают по протоколу с установлением соединения, и адреса конечных узлов задействуются только на этапе установления соединения. Соединению присваивается текущий номер — идентификатор виртуального канала (Virtual Channel Identifier, VCI), а при передаче пакетов в рамках этого соединения (то есть до момента разрыва связи) применяется VCI, который намного короче сетевого адреса.

По своей структуре сеть ATM схожа с телефонной сетью. Конечные станции соединяются с коммутаторами нижнего уровня, а они в свою очередь соединяются с коммутаторами более высоких уровней. Коммутаторы ATM пользуются адресами конечных узлов для маршрутизации трафика, однако коммутация пакетов происходит на основе идентификатора соединения, который сразу уничтожается при разрыве последнего. Виртуальные соединения могут быть постоянными (Permanent Virtual Circuit, PVC) и коммутируемыми (Switched Virtual Circuit, SVC). Постоянные виртуальные соединения соединяют двух фиксированных абонентов и инициируются администратором сети, а коммутируемые используются при установлении связи между любыми конечными абонентами.

Соединения конечной станции ATM с коммутатором нижнего уровня определяются стандартом UNI (User Network Interface), регламентирующим структуру пакета, систему адресации, обмен управляющей информацией, уровни протокола ATM и способы управления трафиком. Принципиальным достоинством технологии ATM является дифференциация пользователей сети в зависимости от качества обслуживания. Эта технология подразумевает четыре уровня гарантий качества сервиса — CBR, VBR, UBR и ABR.

CBR (constant bit rate — сервис с постоянной битовой скоростью) позволяет заказывать пиковую скорость трафика ячеек (peak cell rate — PCR), которая определяет максимальную скоростью передачи информации, поддерживаемую соединением. Этот уровень сервиса предназначен специально для передачи голоса и видео в масштабе реального времени.

VBR (variable bit rate — сервис с переменной битовой скоростью) включает в себя два подкласса: передачу трафика VBR реального времени (VBR-RT) и трафика, не требующего реального времени (VBT-NRT). Для трафика VBR-RT допустимы очень узкие границы задержек передачи. Соответствующий сервис может использоваться для передачи данных от приложений реального времени, для которых некритичны лишь небольшие изменения значений задержки. Трафик VBR-NRT, в свою очередь, предъявляет менее жесткие требования к задержке передачи. Сервис VBR-RT специально предназначен для передачи коротких пульсирующих сообщений, таких как транзакции в системах управления базами данных.

В отличие от CBR и VBR сервис UBR (unspecified bit rate — неопределенная битовая скорость) не определяет ни битовую скорость, ни параметры трафика, ни качество сервиса. Он предлагает только доставку «по возможности», без гарантий, связанных с утерей ячеек, их задержками или диапазоном изменения значений задержки.

Сервис ABR (available bit rate) подобен сервису UBR, но в нем используется техника управления трафиком для оценки степени переполнения сети, что позволяет избегать потери ячеек. ABR — воистину первый класс сервиса технологии ATM, который действительно обеспечивает надежный транспорт для приложений с пульсирующим трафиком. Он позволяет находить неиспользуемые интервалы в трафике и заполнять их своими пакетами, если другим классам сервиса эти интервалы не нужны.

Снижая издержки

Благодаря использованию различных уровней сервиса для различных абонентов сети и/или разных каналов, применяемых одним и тем же абонентом ATM, можно оптимизировать нагрузку на сеть и в конечном счете добиться более высокой пропускной способности. Внедрение технологии ATM не затрагивает физический уровень каналов информации, поэтому допустимо в любой среде, а также в гетерогенных сетевых структурах.

Несмотря на это, некоторые эксперты считают SDH-сеть естественным транспортом для AT-трафика, который позволяет путем плавной модернизации существующего оборудования постепенно перейти к более совершенным технологиям. Такая стратегия экономически оправданна для уже существующих сетей. Скажем, компания Deutsche Telekom, располагающая сетью SDH (T-Net), предоставляет услуги ATM по всей территории Германии. Однако при проектировании новых сетей данный подход приводит к существенному увеличению расходов. В качестве примера рассмотрим узел сети SDH, сопряженный с АТС (рис. 1а). В этом случае весь трафик, прибывающий на узел, будет обработан аппаратурой АТС для установления необходимых соединений (коммутации). В результате телефонная станция окажется перегруженной транзитным трафиком.

При использовании ATM-коммутатора (рис. 1б) весь транзитный трафик направляется в обход АТС, и информационная нагрузка на станцию существенно снижается. Следует обратить внимание на то, что ATM-коммутатор работает быстрее, чем телефонная станция, поэтому снижается суммарное время задержки передачи. Способность современных коммутаторов работать в оптической линии при скоростях вплоть до 8192 Мбит/с делает вторую схему более перспективной. Следовательно, технология ATM позволяет работать в оптических линиях связи, не используя оборудование SDH-сетей (такое как мультиплексоры). Кроме того, достигается снижение числа линий, идущих от АТС к оптической линии.

Таким образом, при проектировании региональных оптических линий связи ориентация на построение «чистой» SDH-сети с ее последующей модернизацией является ошибочной. Подобная стратегия приводит к дополнительным издержкам при строительстве как самой линии связи, так и инсталляции оконечного оборудования сетей доступа.

К дополнительным доходам

Зависимость эффективности использования линии от структуры трафика

Теперь мы можем оценить влияние структуры реального трафика на пропускную способность сетей. Если в настоящее время около 90% трафика российских SDH-сетей составляют голосовые сигналы, то в развитых странах доля таких сигналов существенно меньше (не более 70%). Ожидается, что в будущем доля числовых данных (используемых при обмене информацией между компьютерами, в IP-телефонии, в видеоприложениях и др.) возрастет и превысит объем «чистого» голосового трафика. Как свидетельствует анализ, проведенный Williams Communication Group, при передаче разнородного трафика возникает следующая зависимость эффективности использования пропускной способности линии от отношения долей голос/данные в общем объеме информации (рис. 2). Понятно, что сеть, в которой применяется временное уплотнение (например, SDH), удовлетворительно работает лишь при ее незначительной загрузке трафиком данных. Такая ситуация обычно складывается в начале эксплуатации линии, когда основной нагрузкой является передача телефонных разговоров. С развитием телекоммуникационной инфраструктуры региона все больший вес приобретает транспортировка данных, и при отсутствии коммутирующего слоя в виде ATM сеть начинает «задыхаться».

Экономическая эффективность любой системы передачи информации зависит от суммарной стоимости услуг, которые может обеспечить такая система. Данная величина определяется как пропускной способностью сети, так и эффективностью ее использования в условиях реальной нагрузки. Если эффективность достаточно высока, это приводит к уменьшению тарифов на передачу сложных видов трафика, к снижению стоимости необходимого провайдеру оборудования, что в свою очередь стимулирует рост клиентской базы и приводит к увеличению общего дохода от предоставления услуг. Использование заложенных в технологию ATM свойств делает перспективным развитие на ее базе, скажем, услуг виртуальных частных сетей (VPN).

Ясно, что разница в стоимости оборудования сетей SDH и тех, которые ориентированы на применение ATM, невелика по сравнению с общими затратами на организацию всей сети. Таким образом, еще на стадии строительства закладывая в проект применение технологии ATM на волоконно-оптических линиях связи, инвестор получает большую экономическую эффективность, чем в случае использования SDH-сети.

Уже сегодня сети ATM показывают свою экономическую и технологическую эффективность на уровне региональных сетей. С помощью ATM с успехом осуществляется и эффективная передача мультимедийного трафика. В связи с усложнением структуры передаваемого трафика сети, ориентированные лишь на передачу информации, станут применяться только как узкоспециальные. Владельцы таких систем вынуждены будут модернизировать свои системы на сетевом и канальном уровнях, чтобы «вскочить на подножку уходящего поезда».

Об авторах