МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН

Некоммерческое акционерное общество

«Алматинский университет энергетики и связи»

К. Х. Туманбаева

МУЛЬТИСЕРВИСНЫЕ ТЕЛЕКОММУНИКАЦИОННЫЕ СЕТИ

Учебное пособие

Алматы 2011

УДК 621.397(075.8)

ББК 32.94-5я73

Т83

РЕЦЕНЗЕНТЫ: КазНТУ, канд. техн. наук, проф. М.Ш. Нурманов

АУЭС, д-р. техн. наук, проф. М.З.Якубова

Туманбаева К.Х.

Т83 Мультисервисные телекоммуникационные сети:

Учебное пособие/ К.Х. Туманбаева;

Алматы: АУЭС, 2011. – 78с.; табл. 3, ил. 28, библиогр. – 8 названий.

ISBN 978-601-7098-86-5

В учебном пособии рассматриваются основы анализа и построения мультисервисных телекоммуникационных сетей. Представлены технологические аспекты построения мультисервисных сетей, концепция IP Multimedia Subsystem (IMS), описывающая новую сетевую архитектуру, основным элементом которой является пакетная транспортная сеть, поддерживающая все технологии доступа и обеспечивающая реализацию большого числа инфокоммуникационных услуг.

Рассмотрены методы расчета и проектирования элементов сети связи следующего поколения NGN/IMS (Next Generation Network/IP Multimedia Subsystem).

УДК 621.397(075.8)

ББК 32.94-5я73

Печатается по плану издания Алматинского университета энергетики и связи на 2011г.

ISBN 978-601-7098-86-5

Введение

В настоящее время происходит изменение структуры и характера информации, передаваемой в телекоммуникационных сетях. Меняются подходы к построению сетей, и на первый план выходят сети нового поколения, так называемые мультисервисные сети.

Мультисервисная сеть представляет собой универсальную многоцелевую среду, предназначенную для передачи речи, изображения и данных с использованием технологии коммутации пакетов. Мультисервисная сеть отличается степенью надежности, характерной для телефонных сетей и обеспечивает низкую стоимость передачи в расчете на единицу объема информации.

Основная задача мультисервисных сетей заключается в обеспечении работы разнородных информационных и телекоммуникационных систем и приложений в единой транспортной среде, когда для передачи обычного трафика (данных) и трафика другой информации (речи, видео и др.) используется единая инфраструктура.

Сеть нового поколения отличается новыми возможностями:

- универсальный характер обслуживания разных приложений;

- независимость от технологий услуг связи и гибкость получения набора, объема и качества услуг;

- полная прозрачность взаимоотношений между поставщиком услуг и пользователями.

Интеграция трафика разнородных данных и речи позволяет добиться качественного повышения эффективности информационной поддержки управления предприятием, при этом использование интегрированной транспортной среды позволяет снизить издержки на создание и эксплуатацию сети. Мультисервисная сеть использует единый канал для передачи данных разных типов, позволяет уменьшить разнообразие типов оборудования, применять единые стандарты, технологии и централизованно управлять коммуникационной средой.

Надо отметить, что мультисервисные сети — это не совсем технология или техническая концепция, это скорее технологическая доктрина или новый подход к пониманию сегодняшней роли телекоммуникаций, основанный на знании того, что компьютер и данные сегодня выходят на первое место по сравнению с речевой связью.

1 Мультсервисные телекоммуникационные сети

1.1 Особенности современных услуг связи

Технологической основой информационного общества является Глобальная информационная инфраструктура (ГИИ), которая должна обеспечить возможность недискриминационного доступа к информационным ресурсам каждого жителя планеты. Информационную инфраструктуру составляет совокупность баз данных, средств обработки информации, взаимодействующих сетей связи и терминалов пользователя.

Доступ к информационным ресурсам в ГИИ реализуется посредством услуг связи нового типа, получивших название услуг Информационного общества или инфокоммуникационных услуг.

Наблюдаемые в настоящее время высокие темпы роста объемов предоставления инфокоммуникационных услуг позволяют прогнозировать их преобладание в сетях связи в ближайшем будущем.

На сегодняшний день развитие инфокоммуникационных услуг осуществляется, в основном, в рамках компьютерной сети Интернет, доступ к услугам которой происходит через традиционные сети связи.

В то же время в ряде случаев услуги Интернет, ввиду ограниченных возможностей ее транспортной инфраструктуры не отвечают современным требованиям, предъявляемым к услугам информационного общества.

В связи с этим развитие инфокоммуникационных услуг требует решения задач эффективного управления информационными ресурсами с одновременным расширением функциональности сетей связи.

К основным технологическим особенностям, отличающим инфокоммуникационные услуги от услуг традиционных сетей связи, можно отнести следующие:

- инфокоммуникационные услуги оказываются на верхних уровнях модели ВОС (в то время как услуги связи предоставляются на третьем, сетевом уровне);

- большинство инфокоммуникационных услуг предполагает наличие клиентской и серверной частей; клиентская часть реализуется в оборудовании пользователя, а серверная — на специальном выделенном узле сети, называемом узлом служб;

- инфокоммуникационные услуги, как правило, предполагают передачу информации мультимедиа, которая характеризуется высокими скоростями передачи и несимметричностью входящего и исходящего информационных потоков;

- для предоставления инфокоммуникационных услуг зачастую необходимы сложные многоточечные конфигурации соединений;

- для инфокоммуникационных услуг характерно разнообразие прикладных протоколов и возможностей по управлению услугами со стороны пользователя;

- для идентификации абонентов инфокоммуникационных услуг может использоваться дополнительная адресация в рамках данной инфокоммуникационной услуги.

Большинство инфокоммуникационных услуг являются «приложениями», т.е. их функциональность распределена между оборудованием поставщика услуги и оконечным оборудованием пользователя.

К инфокоммуникационным услугам предъявляются такие требования, как:

- мобильность услуг;

- возможность гибкого и быстрого создания новых услуг;

- гарантированное качество услуг.

Большое влияние на требования к инфокоммуникационным услугам оказывает процесс конвергенции, приводящий к тому, что инфокоммуникационные услуги становятся доступными пользователям вне зависимости от способов доступа.

Принимая во внимание рассмотренные особенности инфокоммуникационных услуг, могут быть определены следующие требования к перспективным сетям связи:

- мультисервисность, под которой понимается независимость технологий предоставления услуг от транспортных технологий;

- широкополосность, под которой понимается возможность гибкого и динамического изменения скорости передачи информации в широком диапазоне в зависимости от текущих потребностей пользователя;

- мультимедийность, под которой понимается способность сети передавать многокомпонентную информацию (речь, данные видео, аудио) с необходимой синхронизацией этих компонентов в реальном времени и использованием сложных конфигураций соединений;

- интеллектуальность, под которой понимается возможность управления услугой, вызовом и соединением со стороны пользователя или поставщика услуг;

- инвариантность доступа, под которой понимается возможность организации доступа к услугам независимо от используемой технологии;

- многооператорность, под которой понимается возможность участия нескольких операторов в процессе предоставления услуги и разделение их ответственности в соответствии с областью деятельности.

Кроме того, при формировании требований к перспективным сетям связи необходимо учитывать особенности деятельности поставщиков услуг. В частности, современные подходы к регламентации услуг присоединения предусматривают доступ поставщиков услуг, в том числе и не обладающих собственной инфраструктурой, к ресурсам сети общего пользования на недискриминационной основе. При этом к основным требованиям, предъявляемым поставщиками услуг к сетевому окружению, относятся:

- обеспечение возможности работы оборудования в «мультиоператорской» среде, т.е. увеличение числа интерфейсов для подключения к сетям сразу нескольких операторов связи, в том числе на уровне доступа;

- обеспечение взаимодействия узлов поставщиков услуг для их совместного предоставления;

- возможность применения «масштабируемых» технических решений при минимальной стартовой стоимости оборудования.

Существующие сети связи общего пользования с коммутацией каналов (ТфОП) и коммутацией пакетов (СПД) в настоящее время не отвечают перечисленным выше требованиям. Ограниченные возможности традиционных сетей являются сдерживающим фактором на пути внедрения новых инфокоммуникационных услуг.

С другой стороны, наращивание объемов предоставляемых инфокоммуникационных услуг может негативно сказаться на показателях качества обслуживания вызовов базовых услуг существующих сетей связи.

Все это вынуждает учитывать наличие инфокоммуникационных услуг при планировании способов развития традиционных сетей связи в направлении создания сетей связи следующего поколения.

1.2 Понятие сети ССП и ее базовые принципы

В основу концепции построения сети связи следующего поколения положена идея о создании универсальной сети, которая бы позволяла переносить любые виды информации, такие как речь, видео, аудио, графику и т.д., а также обеспечивать возможность предоставления неограниченного спектра инфокоммуникативных услуг.

Сеть связи следующего поколения (Next Generation Net, NGN) - 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. Предполагает реализацию универсальной транспортной сети с распределенной коммутацией, вынесение функций предоставления услуг в оконечные сетевые узлы и интеграцию с традиционными сетями связи.

Мультисервисная сеть (МС) - это сеть связи, построенная в соответствии с концепцией NGN и обеспечивающая предоставление неограниченного набора услуг.

Базовым принципом концепции NGN является отделение друг от друга функций переноса и коммутации, функций управления вызовом и функций управления услугами. ССП, которая потенциально должна объединить существующие сети связи (телефонные сети общего пользования — ТфОП, сети передачи данных — СПД, сети подвижной связи — СПС), обладает следующими характеристиками:

- сеть на базе коммутации пакетов, которая имеет разделенные функции управления и переноса информации, где функции услуг и приложений отделены от функций сети;

- сеть компонентного построения с использованием открытых интерфейсов;

- сеть, поддерживающая широкий спектр услуг, включая услуги в реальном времени и услуги доставки информации (электронная почта), в том числе мультимедийные услуги;

- сеть, обеспечивающая взаимодействие с традиционными сетями электросвязи;

- сеть, обладающая общей мобильностью, т.е. позволяющая отдельному абоненту пользоваться и управлять услугами независимо от технологии доступа и типа используемого терминала и предоставляющая абоненту возможность свободного выбора поставщика услуг.

Сети электросвязи, построенные на основе концепции ССП, обладают следующими преимуществами перед традиционными сетями электросвязи.

Для оператора преимущества будут следующими:

а) построение одной универсальной сети для оказания различных
услуг;

б) повышение среднего дохода с абонента за счет оказания дополнительных мультимедийных услуг;

в) оператор ССП может наиболее оптимально реализовывать полосу пропускания для интеграции различных видов трафика и оказания различных услуг;

г) ССП лучше приспособлена к модернизации и расширению;

д) ССП обладает легкостью в управлении и эксплуатации;

е) оператор ССП располагает возможностью быстрого внедрения
новых услуг и приложений с различным требованием к объему
передаваемой информации и качеству ее передачи.

Для пользователя преимущества ССП заключаются в следующем:

а) абстрагирование от технологий реализации услуг электросвязи
(принцип черного ящика);

б) гибкое получение необходимого набора, объема и качества услуг;

в) мобильность получения услуг.

Одной из основных целей построения ССП, как уже отмечалось ранее, является расширение спектра предоставляемых услуг.

- услуги службы телефонной связи (предоставление местного телефонного соединения, междугороднего телефонного соединения, международного телефонного соединения);

- услуги служб передачи данных (предоставление выделенного канала передачи данных, постоянного и коммутируемого доступа в сеть Интернет, виртуальных частных сетей передачи данных);

- услуги телематических служб («электронная почта», «голосовая почта», «доступ к информационным ресурсам», телефония по IP-протоколу, «аудиоконференция» и «видеоконференция»);

- услуги служб подвижной электросвязи;

- услуги поставщиков информации: видео и аудио по запросу, «интерактивные новости».

1.3 Архитектура мультисервисной сети

Сложность создания мультисервисной сети заключается в том, что сети фиксированной, мобильной связи и Internet построены по разным стандартам и используют индивидуальное программное обеспечение (ПО), что тормозит развитие рынка услуг.

Главная задача телекоммуникационного сообщества – создание такой архитектуры сети, чтобы ПО предоставления услуг не зависело от вида сети или технологии доставки информации. Для построения мультисервисной сети необходимы следующие средства:

- транспортные каналы и протоколы, способные поддерживать доставку информации любого типа (речь, видео, данные);

- оборудование доступа к такой сети;

- разнообразные терминальные устройства.

Требуется объединить существующие сети разных операторов (традиционные ССОП, сети мобильной связи и IP-сети) в единую сеть. Это же можно назвать конвергенцией существующих сетей, принадлежащих разным операторам, и технологий, что является общепринятым решением проблемы.

Сегодня еще нет технологий, которые бы полностью удовлетворяли запросам перспективной мультисервисной сети. Однако технологические решения, способные стать ее основой, существуют уже сейчас, то есть можно построить прообраз мультисервисной сети.

В настоящее время наибольшее распространение получила четырехуровневая архитектура мультисервисной сети:

Рисунок 1.1 - Архитектура сети следующего поколения

- уровень управления услугами;

- уровень управления коммутацией;

- транспортный уровень;

- уровень доступа.

Уровень управления услугами содержит функции управления логикой услуг и приложений и представляет собой распределенную вычислительную среду, обеспечивающую:

- предоставление инфокоммуникационных услуг;

- управление услугами;

- создание и внедрение новых услуг;

- взаимодействие различных услуг.

Данный уровень позволяет реализовать специфику услуг и применять одну и ту же программу логики услуг вне зависимости от типа транспортной сети и способа доступа. Наличие этого уровня позволяет также вводить на сети электросвязи любые новые услуги без вмешательства в функционирование других уровней.

Уровень управления может включать множество независимых подсистем («сетей услуг»), базирующихся на различных технологиях, имеющих своих абонентов и использующих свои, внутренние системы адресации.

Операторам связи требуются механизмы, позволяющие быстро и гибко развертывать, а также изменять услуги в зависимости от индивидуальных потребностей пользователей.

Такие механизмы предусмотрены открытой сервисной архитектурой OSA (Open Services Access) — основной концепцией будущего развития сетей электросвязи в части внедрения и оказания новых дополнительных услуг.

При создании систем на основе OSA должны присутствовать следующие ключевые моменты:

- открытая среда для создания услуг;

- открытая платформа управления услугами.

На протяжении нескольких лет различными организациями предлагалось несколько вариантов реализации концепции OSA, пока в 1998 г. не был сформирован консорциум Parlay Group, который занимается созданием спецификаций открытого API (Application Programming Interface), позволяющего управлять сетевыми ресурсами и получать доступ к сетевой информации.

Архитектура Parlay является одной из практических реализаций концепции OSA .

Как показано на рисунке 1.2, разные сети связи имеют различные сетевые элементы, в частности:

—в сети подвижной электросвязи второго поколения входят SGSN (Serving GPRS Support Node) и MSC (Mobile Switching Center);

—в телефонную сеть общего пользования входит SSP (Service Switching Point) коммутатор услуг в ТфОП;

—в сети подвижной электросвязи третьего поколения входит S-CSCF (Serving Call Session Control Function);

—ведомственные АТС.

Каждый из этих элементов выходит на шлюз (Gateway) по своему протоколу, а задача шлюза по концепции OSA/Parlay состоит в том, чтобы свести все протоколы к единым интерфейсам API. Тогда приложения можно писать без учета особенностей нижележащих сетей, и следует только строго придерживаться интерфейсов API.

Рисунок 1.2 - Архитектура Parlay

Оказалось, что концепция Parlay является слишком сложной для массового привлечения сторонних программистов. Выяснилось, что для оказания 80% услуг требуется лишь 20% возможностей Parlay-шлюза. Следовательно, для подавляющего большинства программистов требование освоить весь набор Parlay-интерфейсов является чрезмерно завышенным. По мере уменьшения разнообразия возможностей сети растет число разработчиков приложений, что весьма важно для освоения прибыльного рынка приложений.

Приложения могут быть написаны на языках C++, Java, Visual Basic, PHP и др. Для разработки приложений Parlay X основным языком программирования является язык XML. В качестве транспортных средств чаще всего используются:

- CORBA — универсальный объектно-ориентированный протокол взаимодействия распределенных систем;

- SOAP — упрощенный протокол общения распределенных объектов, основан на языке XML, используется в сочетании с протоколом HTTP.

Самой перспективной на сегодняшний день объектной технологией является SOAP/XML, так как она наиболее универсальна, основывается на международных стандартах и имеет обширную поддержку со стороны различных производителей программного обеспечения. Эта технология чаще всего используется для создания web-сервисов и для обеспечения их взаимодействия с клиентским процессом.

Задача уровня управления коммутацией — обработка информации сигнализации, маршрутизация вызовов и управление потоками. Данный уровень поддерживает логику управления, которая необходима для обработки и маршрутизации трафика.

Функция установления соединения реализуется на уровне элементов базовой сети под внешним управлением оборудования программного коммутатора (Softswitch). Исключением являются АТС с функциями контроллера шлюзов (MGC — Media Gateway Controller), которые сами выполняют коммутацию на уровне элемента транспортной сети.

Softswitch должен осуществлять:

- обработку всех видов сигнализации, используемых в его домене;

- хранение и управление абонентскими данными пользователей, подключаемых к его домену непосредственно или через оборудование шлюзов доступа;

- взаимодействие с серверами приложений для оказания расширенного списка услуг пользователям сети.

Более подробно Softswitch будет рассмотрен в следующих лекциях.

Задача транспортного уровня — коммутация и прозрачная передача информации пользователя.

В ССП операторы получат возможность наращивать объемы услуг, что в свою очередь приведет к росту требований к производительности и емкости сетей транспортного уровня. Основными требованиями к таким сетям являются:

- высокая надежность оборудования узлов;

- поддержка функций управления трафиком;

- хорошая масштабируемость.

Надежность выходит на первое место, так как ССП должны обеспечивать передачу разнородного трафика, в том числе чувствительного к задержкам, который ранее передавался с помощью классических систем передачи с временным разделением каналов иерархий SDH или PDH.

В ряде случаев создаваемые транспортные сети будут заменять собой часть инфраструктуры существующих традиционных сетей передачи. Конечно, они должны соответствовать требованиям технических нормативных правовых актов, предъявляемым к заменяемой сети.

МСЭ-Т определяет следующие требования к возможностям транспортного уровня:

- поддержка соединений в реальном времени и соединений, нечувствительных к задержкам;

- поддержка различных моделей соединений: «точка-точка», «точка-многоточие», «многоточие-многоточие», «многоточие-точка»;

- гарантированные уровни производительности, надежности, доступности, масштабируемости.

Транспортный уровень ССП рассматривается как уровень, составными частями которого являются сеть доступа и базовая сеть.

Под сетью доступа понимается системно-сетевая инфраструктура, которая состоит из абонентских линий, узлов доступа и систем передачи, обеспечивающих подключение пользователей к точке агрегации трафика (к сети ССП или к традиционным сетям электросвязи).

Для организации уровня доступа могут использоваться различные среды передачи. Это может быть медная пара, коаксиальный кабель, волоконно-оптический кабель, радиоканал, спутниковые каналы либо любая их комбинация.

Особенностью инфраструктуры ССП является использование универсальной базовой сети, базирующейся на технологиях пакетной коммутации.

Базовая сеть — это универсальная сеть, реализующая функции транспортировки и коммутации. В соответствии с данными функциями базовая сеть представляется в виде трех уровней (см. рисунок 1.3):

- технология коммутации пакетов;

- технологии формирования тракта;

- среда передачи сигналов.

Нижний уровень модели — среда передачи сигналов. Этот уровень должен быть реализован на кабелях с оптическими волокнами (ОВ) или на цифровых радиорелейных линиях (РРЛ).

Технология коммутации пакетов (IP, АТМ, . . . )

Технология форматирования тракта (SDH, Ethernet, . . .)

Среда передачи сигналов (оптическое волокно,

радиорелейная линия)

Рисунок 1.3 – Модель базовой сети

К уровню доступа относятся:

- шлюзы;

- сеть доступа (сеть электросвязи, обеспечивающая подключение оконечных терминальных устройств пользователя к оконечному узлу транспортной сети);

- оконечное абонентское оборудование.

К технологиям построения сетей доступа относятся:

- беспроводные технологии (Wi-Fi, WiMAX);

- технологии на основе систем кабельного телевидения (DOCSIS, DVB);

- технологии xDSL;

- оптоволоконные технологии (пассивные оптические сети (PON)).

Можно отметить, что с развитием технологий электросвязи становится все проблематичней провести четкую грань между транспортным уровнем и уровнем доступа. Так, например, цифровой абонентский мультиплексор доступа (DSLAM) может быть отнесен и к тому, и к другому уровню.

1.4 Оборудование мультисервисной сети

Рассмотрим основное оборудование мультисервисной сети.

Softswitch реализует функции по логике обработки вызова, доступу к серверам приложения, сбору статистической информации, сигнальному взаимодействию с сетью ТфОП и внутри пакетной сети, управлению установлением соединения и др.

Softswitch является основным устройством, реализующим функции уровня управления коммутацией и передачей информации.

В оборудовании Softswitch должны быть реализованы следующие основные функции:

- функция управления базовым вызовом, обеспечивающая прием и обработку сигнальной информации и реализацию действий по установлению соединения в пакетной сети;

- функция аутентификации и авторизации абонентов, подключаемых в пакетную сеть как непосредственно, так и с использованием оборудования доступа ТфОП;

- функция маршрутизации вызовов в пакетной сети;

- функция тарификации, сбора статистической информации;

- функция управления оборудованием транспортных шлюзов;

- функция предоставления ДВО (дополнительных видов обслуживания). Реализуется в оборудовании Softswitch или совместно с сервером приложений;

- функция ОАМ&Р: эксплуатация, управление (администрирование), техническое обслуживание и предоставление той информации, которая не нужна непосредственно для управления вызовом и может передаваться к системе управления элементами через логически отдельный интерфейс;

- функция менеджмента: обеспечивает взаимодействие с системой менеджмента сети.

Основными характеристиками Softswitch являются производительность и надежность.

Производительность - максимальное количество обслуживаемых базовых вызовов за единицу времени (как правило, за час). Производительность Softswitch - это одна из главных характеристик, на основе которой должен проводиться выбор оборудования и проектирование сети. Следует понимать, что Softswitch обслуживает вызовы от различных источников нагрузки, каковыми являются:

- вызовы от терминалов, предназначенных для работы в сетях ССП (терминалы SIP и Н.323, а также 1Р-УПАТС);

- вызовы от терминалов, не предназначенных для работы в сетях ССП (аналоговые и ISDN-терминалы) и подключаемых через оборудование резидентных шлюзов доступа;

- вызовы от оборудования сети доступа, не предназначенного для работы в сетях ССП (концентраторы с интерфейсом V5) и подключаемого через оборудование шлюзов доступа;

- вызовы от оборудования, использующего первичный доступ (УПАТС) и подключаемого через оборудование шлюзов доступа;

- вызовы от сети ТфОП, обслуживаемые с использованием сигнализации ОКС7, с включением сигнальных каналов ОКС7 либо непосредственно в Softswitch, либо через оборудование сигнальных шлюзов;^:

- вызовы от других Softswitch, обслуживаемые с использованием сигнализации SIP-T.

Надежность — свойство объекта сохранять во времени и в установленных пределах значения всех параметров и способность выполнять требуемые функции в заданных режимах и условиях применения. Требования по надежности к оборудованию Softswitch характеризуются средней наработкой на отказ, средним временем восстановления, коэффициентом готовности, сроком службы. При проектировании сети следует понимать, что выход из строя Softswitch приведет к пропаже всех видов связи в обслуживаемом сетевом фрагменте (домене); поэтому должны быть предусмотрены меры по обеспечению дублирования и защиты оборудования.

Шлюзы (Gateways) — устройства доступа к сети и сопряжения с существующими сетями. Оборудование шлюзов реализует функции по преобразованию сигнальной информации сетей с коммутацией пакетов в сигнальную информацию пакетных сетей, а также функции по преобразованию информации транспортных каналов в пакеты IP / ячейки ATM и маршрутизации пакетов IP / ячеек ATM. Шлюзы функционируют на транспортном уровне / уровне доступа.

Для реализации возможности подключения к мультисервисной сети различных видов оборудования ТфОП используются различные программные и аппаратные конфигурации шлюзового оборудования:

- транспортный шлюз (Media Gateway (MG)) — реализация функций преобразования речевой информации в пакеты IP / ячейки ATM и маршрутизации пакетов IP / ячеек ATM;

- сигнальные шлюзы (Signalling Gateway (SG)) — реализация функции преобразования систем межстанционной сигнализации сети ОКС7 (квазисвязный режим) в системы сигнализации пакетной сети (SIGTRAN (MxUA));

- транкинговый шлюз (Trunking Gateway (TGW)) — совместная реализация функций MG и SG;

- шлюз доступа (Access Gateway (AGW)) — реализация функции MG и SG для оборудования доступа, подключаемого через интерфейс V5;

- резидентный шлюз доступа (Residential Access Gateway (RAGW)) — реализация функции подключения пользователей, использующих терминальное оборудование ТфОП/ЦСИС к мультисервисной сети.

Оборудование транспортного шлюза должно выполнять функции устройства, производящего обработку информационных потоков среды передачи.

Оборудование транспортного шлюза должно реализовывать следующий перечень обязательных функций:

- функцию адресации: обеспечивает присвоение адресов транспортировки IP для средства приема и передачи;

- функцию транспортировки: обеспечивает согласованную транспортировку потоков среды передачи между доменом IP и доменом сети с коммутацией каналов, включая, например, выполнение процедур преобразования кодировок и эхокомпенсации;

- функцию трансляции кодека: маршрутизирует информационные транспортные потоки между доменом IP и доменом сети с коммутацией каналов;

- функцию обеспечения секретности канала среды передачи: гарантирует секретность транспортировки информации в направлении к шлюзу и от шлюза;

- функцию транспортного окончания сети с коммутацией каналов: включает реализацию процедур всех низкоуровневых аппаратных средств и протоколов сети;

- функцию транспортного окончания сети пакетной коммутации: включает реализацию процедур всех протоколов, задействованных в распределении транспортных ресурсов, на сети пакетной коммутации, в том числе процедуры использования кодеков;

- функцию обработки транспортного потока с пакетной коммутацией / коммутацией каналов: обеспечивает преобразование между каналом передачи аудиоинформации, каналом передачи факсимильной информации или каналом передачи данных на стороне сети с коммутацией каналов и пакетами данных (например RTP/UDP/IP или ATM) на стороне сети пакетной коммутации;

- функцию предоставления канала для услуги: обеспечивает такие услуги, как передача уведомлений и тональных сигналов в направлении к сети с коммутацией каналов или к сети пакетной коммутации;

- функцию регистрации использования: определяет и/или регистрирует информацию о сигнализации и/или информацию о приеме или передаче сообщений, передаваемых в транспортных потоках;

- функцию информирования об использовании: сообщает внешнему объекту о текущем и/или зарегистрированном использовании (ресурсов);

- функцию ОАМ&Р;

- функцию менеджмента: обеспечивает взаимодействие с системой
менеджмента сети.

Оборудование сигнального шлюза должно выполнять функции посредника при сигнализации между пакетной сетью и сетью с коммутацией каналов.

Оборудование сигнального шлюза сигнализации должно реализовывать следующий перечень обязательных функций:

- функцию окончания протоколов уровня, располагающегося ниже уровня протокола управления вызовом сети с коммутацией каналов;

- функцию секретности сигнальных сообщений: обеспечивает секретность сигнальных сообщений в направлении к шлюзу и от шлюза;

- функцию ОАМ&Р;

- функцию менеджмента: обеспечивает взаимодействие с системой менеджмента сети.

Основными характеристиками шлюзов являются емкость и производительность.

Емкость определяется как в направлении ТфОП, так и в направлении к пакетной сети.

В первом случае емкость определяется количеством подключаемых потоков Е1 в направлении сети ТфОП для транспортных шлюзов, а также количеством аналоговых абонентских линий и количеством (S,T)-интерфейсов для подключения абонентов базового доступа ISDN для резидентных шлюзов доступа.

В направлении к пакетной сети емкость определяется количеством и типом интерфейсов. Например, емкость в направлении пакетной сети может составлять один интерфейс Ethernet 100BaseT.

Как правило, производительность является достаточной для обслуживания потоков вызовов, определяемых емкостными показателями оборудования.

Терминальное оборудование — терминальные устройства, используемые для предоставления голосовых и мультимедийных услуг связи и предназначенные для работы в пакетных сетях.

Существует два основных типа терминальных устройств, предназначенных для работы в пакетных сетях: SIP-терминалы и Н.323-терминалы. Данное оборудование может иметь как специализированное аппаратное (standalone), так и программное исполнение (softphone).

Также иногда используется терминальное оборудование на основе протокола MEGACO. Такое терминальное оборудование совмещает в себе функции аналогового телефонного аппарата и шлюза доступа в части преобразования сигнализации по аналоговым абонентским линиям. Его функциональные возможности ограничиваются возможностями аналогового аппарата, но оно может непосредственно подключаться к пакетной сети.

2 Концепция построения мультисервисной сети IMS

2.1 Общее понятие технологии IMS

Несмотря на постоянно растущую сложность телекоммуникационных устройств и систем, протоколов и приложений, работы в направлении создания универсальной сетевой инфраструктуры продолжаются, проходя последовательно этапы узкополосных цифровых сетей интегрального обслуживания (сетей ISDN), широкополосных сетей ISDN (B-ISDN), сетей следующего поколения (ССП). Наконец, создание концепции IMS — мультимедийной IP-ориентированной подсистемы связи, или подсистемы мультимедийных IP-услуг (IP Multimedia Subsystem – IMS), цель которой обеспечить реальную мультисервисность и мультимедийность сетей с предоставлением всего спектра услуг посредством единой платформы.

Концепция IMS определяет основанную на общераспространенных протоколах семейства TCP/IP архитектуру предоставления сервисов (услуг), которая обеспечивает управление сеансами связи и доставку в рамках этих сеансов любых типов информации – речи, данных, видео, мультимедиа. Принципиально важно то, что в системах, отвечающих концепции IMS, услуги могут предоставляться разными сервис-провайдерами и доставляться до пользователей по различным (проводным и беспроводным) сетям доступа.

В сети IMS пользователь может подписаться на пакет услуг, зарегистрировав для их получения несколько терминалов с различными характеристиками, адресами и типами подключений. Это могут быть: домашний ПК, подключенный к Интернету через DSL-линию или домовую сеть Ethernet; мобильный телефон с включенным сервисом GPRS; ноутбук или карманный ПК, “выходящий на связь” через хот-споты Wi-Fi. Каждый из этих терминалов регистрируется отдельно, но все они ассоциируются с одним пользователем, задающим правила, по которым входящие коммуникационные вызовы будут распределяться между разными терминалами.

Говоря об “общераспространенных протоколах из семейства TCP/IP”, на которых базируется IMS, в первую очередь необходимо выделить SIP. Этот относительно простой протокол предназначен именно для управления сеансами связи (инициация, модификация, завершение), причем он позволяет любому числу пользователей динамически подключаться к сеансу и выходить из него – отсюда широкие возможности по организации всякого рода конференций. Не менее важно и то, что SIP дает возможность динамически в рамках существующего сеанса связи подключать новые типы информации; например, сеанс связи можно начать с текстового чата, потом добавить голосовую связь, а затем при необходимости и видеокартинку. Средства SIP способны при инициации или модификации сеанса связи учитывать характеристики канала доступа и терминала каждого пользователя и задействовать их оптимальным образом. К примеру, для абонента видеотерминала, подключенного по широкополосному каналу, будут доступны все виды связи, вплоть до видео высокого разрешения, а для пользователя старенького мобильника – только базовые (голосовая связь и SMS).

Термин «подсистема» (subsystem) в названии концепции IMS (a название концепции переведено здесь как подсистема IP-ориентированных мультимедийных услуг) можно трактовать как название части сети, элементы которой расположены на плоскости управления между плоскостью медиашлюзов и доступа и плоскостью приложений.

По существу, IMS возникла, когда область управления мультимедийными сеансами на базе протокола SIP была добавлена к архитектуре сетей 3G. Среди основных свойств архитектуры IMS (см. рисунок 2.2) выделим следующие:

- многоуровневая архитектура сети, которая разделяет уровни транспорта (медиашлюзов и доступа), управления и приложений;

- независимость от среды доступа, которая позволяет операторам и сервис - провайдерам осуществлять конвергенцию фиксированных и мобильных сетей;

- поддержка мультимедийного персонального обмена информацией в реальном времени (например, речь, видеотелефония) и аналогичного обмена информацией между людьми и компьютерами;

- полная интеграция мультимедийных приложений реального и не реального времени (например, потоковые приложения и чаты);

- возможность взаимодействия услуг разных видов (например, услуг присутствия Presence или обмена мгновенными сообщениями Instant Messaging);

- возможность организации нескольких услуг в одном сеансе или организации нескольких одновременных синхронизированных сеансов.

2.2 Причины перехода к IMS

Концепция IP Multimedia Subsystem (IMS) описывает новую сетевую архитектуру, основным элементом которой является пакетная транспортная сеть, поддерживающая все технологии доступа и обеспечивающая реализацию большого числа инфокоммуникационных услуг. Ее авторство принадлежит международному партнерству Third Generation Partnership Project (3GPP), объединившему European Telecommunications Standartization Institute (ETSI) и несколько национальных организаций стандартизации.

IMS изначально разрабатывалась применительно к построению мобильных сетей 3-го поколения на базе протокола IP В дальнейшем концепция была принята Комитетом ETSI-TISPAN, усилия которого были направлены на спецификацию протоколов и интерфейсов, необходимых для поддержки и реализации широкого спектра услуг в стационарных сетях с использованием стека протоколов IP.

В настоящее время архитектура IMS рассматривается многими операторами и сервис-провайдерами, а также поставщиками оборудования как возможное решение для построения сетей следующего поколения и как основа конвергенции мобильных и стационарных сетей на платформе IP.

Причину возникновения концепции IMS именно в среде разработчиков стандартов для мобильных сетей можно объяснить следующим образом.

Как известно, в последние годы операторы стационарных сетей активно поддерживают переход от традиционных телефонных сетей к ССП, связывая с ними определенные надежды на сокращение операционных расходов и капитальных вложений, а также на развитие новых услуг, ожидая, как следствие, существенного повышения доходов.

Естественно, идея построения сетей ССП оказалась привлекательной и для мобильных операторов, которые в последние годы столкнулись с резким падением доходов, что связано, в том числе, и с дерегулированием рынка, ростом конкуренции, тарифными войнами, высоким оттоком абонентов и т. д.

Однако следует признать, что основная технологическая идея сетей ССП - разделение транспортных процессов и процессов управления вызовами и сеансами на базе элементов платформы Softswitch — не была поддержана своевременной разработкой соответствующего набора стандартов. Это привело к тому, что основные сетевые элементы ССП, поставляемые различными производителями, зачастую оказываются несовместимыми между собой.

В сетях мобильных операторов, где одним из основных источников доходов является роуминг, такая несовместимость оказывается куда более значительным недостатком, чем в стационарных сетях. Именно это и определило активность международных организаций (в первую очередь ETSI и 3GPP), которые начали разработку новых принципов построения и стандартов мобильных сетей 3G, основываясь на уровневой архитектуре ССП.

По существу концепция IMS возникла в результате эволюции сетей UMTS, когда область управления мультимедийными вызовами и сеансами на базе протокола SIP добавили к архитектуре сетей 3G. Среди основных свойств архитектуры IMS можно выделить следующие:

- многоуровневость — разделяет уровни транспорта, управления и приложений;

- независимость от среды доступа — позволяет операторам и сервис-провайдерам конвергировать фиксированные и мобильные сети;

- поддержка мультимедийного персонального обмена информацией в реальном времени (например голос, видео-телефония) и аналогичного обмена информацией между людьми и компьютерами (например игры);

- полная интеграция мультимедийных приложений реального и нереального времени (например потоковые приложения и чаты);

- возможность взаимодействия различных видов услуг;

- возможность поддержки нескольких служб в одном сеансе или организации нескольких одновременных синхронизированных сеансов.

2.3 Стандартизация IMS

Стандартизация архитектуры IMS является предметом внимания широкого круга международных организаций, благодаря ключевой роли IMS в эволюции сетей в направлении к ССП. Концепция IMS в ее настоящем виде является, главным образом, результатом работ трех международных организаций по стандартизации — 3GPP, 3GPP2 и ETSI.

Партнерство 3GPP было создано в конце 1998 г. по инициативе института ETSI с целью разработки технических спецификаций и стандартов для мобильных сетей связи 3-го поколения (сетей UMTS), базирующихся на развивающихся сетях GSM.

Партнерство 3GPP2 появилось в 1998 г. также по инициативе ETSI и Международного союза электросвязи (МСЭ) для разработки стандартов сетей 3G (сети CDMA-2000) в рамках проекта IMT-2000, созданного под эгидой МСЭ. Оно было образовано практически теми же организациями, что и в случае 3GPP. Основным вкладом организации 3GPP2 в развитие стандартов для мобильных сетей 3G явилось распространение концепции IMS на сети CDMA2000 (IP-транспорт, SIP-сигнализация), описанное в спецификации под общим названием MultiMedia Domain (MMD).

Оба партнерства разрабатывают стандарты сетей 3G, ориентируясь на широкое применение IP-ориентированных протоколов, стандартизованных Комитетом IETF, и используя основные идеи архитектуры сетей ССП.

Впервые концепция IMS была представлена в документе 3GPP Release 5 (март 2002 г.). В нем была сформулирована основная ее цель — поддержка мультимедийных услуг в мобильных сетях на базе протокола IP — и специфицированы механизмы взаимодействия мобильных сетей 3G на базе архитектуры IMS с беспроводными сетями 2G.

Архитектура сетей 3G в соответствии с концепцией IMS имеет несколько уровней (плоскостей) с разделением по уровням транспорта, управления вызовами и приложений. Подсистема IMS должна быть полностью независима от технологий доступа и обеспечивать взаимодействие со всеми существующими сетями — мобильными и стационарными, телефонными, компьютерными и т. д.

В документе 3GPP Release 6 (декабрь 2003 г.) ряд положений концепции IMS был уточнен, добавлены вопросы взаимодействия с беспроводными локальными сетями и защиты информации (использование ключей, абонентских сертификатов).

В релизах 6 и 7 определена идеология осуществления IP-коммуникаций посредством SIP. В соответствии с ней SIP начинается непосредственно с мобильного терминала.

Спецификация Release 7 добавляет две основные функции, которые являются ключевыми в стационарных сетях:

- Network Attachment, которая обеспечивает механизм аутентификации абонентов и необходима в стационарных сетях, поскольку в них отсутствуют SIM-карты идентификации пользователя;

- Resource Admission, резервирующая сетевые ресурсы в стационарных сетях для обеспечения сеансов связи.

Работы, направленные на расширение концепции IMS на стационарные сети, проводятся Комитетом TISPAN. Интерес к архитектуре IMS со стороны ETSI привел к созданию новой рабочей группы (2003 г.), объединившей известную группу TIPHON (Telecommunications and Internet Protocol Harmonization Over Networks) и Технический комитет SPAN (Services and Protocols for Advanced Networks), который отвечает за стандартизацию стационарных сетей.

Новая группа, получившая название TISPAN (Telecommunications and Internet converged Services and Protocols for Advanced Networking), отвечает за стандартизацию современных и перспективных конвергируемых сетей, включая VoIP и ССП, а также все, что связано с архитектурой IMS.

2.4 Архитектура IMS

-многоуровневая архитектура сети, которая разделяет уровни транспорта (медиашлюзов и доступа), управления и приложений;

- независимость от среды доступа, которая позволяет Операторам и сервис-провайдерам осуществлять конвергенцию фиксированных и мобильных сетей;

Принцип, на котором строится концепция IMS, состоит в том, что доставка любой услуги никаким образом не соотносится с коммуникационной инфраструктурой (за исключением ограничений по пропускной способности). Воплощением этого принципа является многоуровневый подход, используемый при построении IMS. Он позволяет реализовать независимый от технологии доступа открытый механизм доставки услуг, который дает возможность задействовать в сети приложения сторонних поставщиков услуг.

Один из двух основных логических блоков IMS (см. рисунок 2.1) – блок управления сеансами связи (Call Session Control Function – CSCF), или SIP-серверы. Их основная задача – обработка SIP-запросов с целью организации сеансов мультимедиасвязи между пользователями. Они “следят” за выполнением правил безопасности и выделением необходимых ресурсов для предоставления различных услуг. В задачи CSCF входит управление другими сетевыми элементами для надлежащего обслуживания пользователей (медиашлюзами, пограничными устройствами и т. п.). Логически серверы управления сеансами связи делятся на три группы: Serving-CSCF (S-CSCF), Proxy-CSCF (P-CSCF) и Interrogating-CSCF (I-CSCF).

Второй по важности блок IMS – это абонентская база данных (Home Subscriber Server — HSS). В первом приближении HSS можно сравнить с используемым в сотовых сетях регистром HLR, в котором хранится информация об активных абонентах и их местонахождении. Однако функции HSS значительно шире. Это база данных с информацией не только по абонентам мобильных сетей, но и по абонентам сетей фиксированной связи (как уже отмечено выше, для IMS неважно, каким способом подключен абонент). В ней хранится информация о разнообразных предпочтениях абонента, например, по переадресации и фильтрации вызовов, оповещении и сообщениях голосовой почты, персональная адресная книга (buddy list) для рассылки сообщений и организации конференций. Также на сервере HSS есть все необходимые данные для учета доступности/статуса (presence) и местонахождения (location) абонента. Вместо устаревшего протокола Radius для взаимодействия между HSS и серверами CSCF используется протокол Diameter, стандартизованный организацией IETF. Помимо других усовершенствований, в Diameter предусмотрена поддержка функции тарификации, в том числе и для оказания популярных услуг с предоплатой (prepaid). На предоставленной упрощенной схеме показаны только основные элементы IMS (см. рисунок 2. 1).

Рисунок 2.1 – Упрощенная схема архитектуры IMS

На схеме также показаны еще два важных элемента архитектуры IMS: отвечающие за управление медиашлюзами (Breakout Gateway Control Function – BGCF, или Media Gateway Control Function – MGCF) и обработку медиапотоков (Media Resource Function – MRF). Если к сеансу связи надо подключить абонента, находящегося в сети с коммутациией каналов (сеть сотовой связи или ТфОП), блок BGCF/MGCF обеспечивает доведение до нее соответствующей сигнальной информации. При необходимости он преобразует сигнальные сообщения из формата SIP в формат ISUP. Подобная функциональность типична для коммутаторов softswitch, но в архитектуре IMS она выделена в отдельный логический элемент.

Системы MRF обеспечивают обработку медиапотоков, передаваемых между серверами приложений и конечными устройствами. Их функции – проигрывание различных голосовых сообщений, транскодирование информационных потоков, “смешивание” речевых/видеопотоков в конференцию и т. п.

Сервисная архитектура представляет собой набор логических функций, которые можно разделить на три уровня: уровень абонентских устройств и шлюзов, уровень управления сеансами и уровень приложений.

Уровень абонентских устройств и транспорта

На этом уровне инициируется и терминируется сигнализация SIP, необходимая для установления сеансов и предоставления базовых услуг, таких как преобразование речи из аналоговой или цифровой формы в IP-пакеты с использованием протокола RTP (Realtime Transport Protocol). На этом уровне функционируют медиашлюзы, преобразующие базовые потоки VoIP в телефонный формат TDM. Медиасервер предоставляет различные медиасервисы, в том числе конференц-связь, воспроизведение оповещений, сбор тоновых сигналов, распознавание речи, синтез речи и т.п. Ресурсы медиасервера доступны всем приложениям, т.е. любое приложение (голосовая почта, бесплатный номер 800, интерактивные VXML-сервисы и т.д.), которому необходимо воспроизвести оповещение или получить цифры набранного номера, может использовать общий сервер. Медиасерверы также поддерживают и нетелефонные функции, например, тиражирование голосовых потоков для оказания сервиса мгновенной многоточечной связи (PTT).

Уровень управления вызовами и сеансами

На этом уровне располагается функция управления вызовами и сеансами CSCF (Call Session Control Function), которая регистрирует абонентские устройства и направляет сигнальные сообщения протокола SIP к соответствующим серверам приложений. Функция CSCF взаимодействует с уровнем транспорта и доступа для обеспечения качества обслуживания по всем сервисам. Уровень управления вызовами и сеансами включает сервер абонентских данных HSS (Home Subscriber Server), где централизованно хранятся уникальные сервисные профили всех абонентов. Профиль содержит текущую регистрационную информацию (например, IP-адрес), данные роуминга, данные по телефонным услугам (например, номер переадресации), данные по обмену мгновенными сообщениями (список абонентов), параметры голосовой почты (например, приветствия) и т.д. Централизованное хранение позволяет различным приложениям использовать эти данные для создания персональных справочников, информации о присутствии в сети абонентов различных категорий, а также совмещенных услуг. Централизация также существенно упрощает администрирование пользовательских данных и гарантирует однородное представление активных абонентов по всем сервисам.

На уровне управления вызовами и сеансами также располагается функция управления медиашлюзами MGCF (Media Gateway Control Function), которая обеспечивает взаимодействие сигнализации SIP с сигнализацией других медиашлюзов (например, H.248). Функция MGCF управляет распределением сеансов по множеству медиашлюзов, для медиасерверов это выполняется функцией MSFC (Media Server Function Control).

Уровень серверов приложений

Этот уровень содержит серверы приложений, которые обеспечивают обслуживание конечных пользователей. Архитектура IMS и сигнализация SIP обеспечивают достаточную гибкость для поддержки разнообразных телефонных и других серверов приложений. Так, разработаны стандарты SIP для сервисов телефонии и сервисов IM.

Верхний уровень эталонной архитектуры IMS содержит набор серверов приложений, которые, в принципе, не являются элементами IMS. Эти элементы верхней плоскости включают в свой состав как мультимедийные IP-приложения, базирующиеся на протоколе SIP, так и приложения, реализуемые в мобильных сетях на базе виртуальной домашней среды.

Архитектура приложений IMS достаточно сложна, но ключевым моментом здесь является высокая гибкость при создании новых и интеграции с традиционными приложениями. Например, среда пересылки сообщений может интегрировать традиционные свойства телефонного вызова, например обратный вызов и ожидание вызова, с вызовом Интернет. Чтобы сделать это, архитектура IMS позволяет запустить множество услуг и управлять транзакциями между ними:

- SCIM (Service Capability Interaction Manager) — обеспечивает управление взаимодействием плоскости приложений и ядра IMS;

- SIP AS (SIP Application Server) — сервер приложений, служащий для выполнения услуг, базирующихся на протоколе SIP Ожидается, что все новые услуги в IMS будут находиться именно в сервере SIP AS;

- OSA-SCS (Open Service Access — Service Capability Server) — сервер возможных услуг, который обеспечивает интерфейс к услугам, базирующимся на открытом доступе услугам (OSA — Open Service Access);

- IM-SSF (IP Multimedia — Service Switching Function) — сервер коммутации услуги, служит для соединения подсистемы IMS с услугами в системе приспособленных к пользователю приложений для улучшения логики мобильной сети (CAMEL — Customized Applications for Mobile network Enhanced Logic);

- TAS (Telephony Application Server) — сервер телефонных приложений принимает и обрабатывает сообщения протокола SIP, a также определяет, каким образом должен быть инициирован исходящий вызов. Сервисная логика TAS обеспечивает базовые сервисы обработки вызовов, включая анализ цифр, маршрутизацию, установление, ожидание и перенаправление вызовов, конференц-связь и т.д;

- HSS (Home Subscriber Server) — сервер домашних абонентов — аналогичен элементу сетей GSM — серверу HLR (Home Location Register) — является базой пользовательских данных. Сервер HSS обеспечивает открытый доступ в режиме чтения/записи к индивидуальным данным пользователя, связанным с услугами. Доступ осуществляется из различных точек окончания - таких как телефон, приложения Web и SMS, телевизионные приставки типа set-top box и т. д.

2.5 Услуги IMS

В обычных сетях каждая услуга поддерживается своим сервисным узлом или группой таких узлов, которые выполняют все функции, необходимые для ее оказания. При этом единственно возможный путь комбинации разных услуг для создания качественно новой услуги – это взаимодействие сервисных узлов через соответствующие протоколы. Часто каждая услуга создается «с чистого листа». Такой способ создания и предоставления услуг неизбежно связан с высокими затратами и сложен технически.

Структура IMS дает возможность уйти от раздельного обслуживания абонентов, при котором функции по предоставлению услуг и их тарификации, управлению группами абонентов и другие дублируются в разных (фиксированная, мобильная и мультимедийная) сетях. Это экономически не эффективно для операторов и очень неудобно для абонентов, которые вынуждены использовать разные терминалы и сети доступа к различным услугам, получая разные счета от разных провайдеров за их оказание.

На базе IMS услуги предоставляются с помощью серверов приложений, где хранится логика услуг. Один такой сервер может поддерживать сразу несколько услуг – например, телефонию и передачу текстовых сообщений. Это называется коллокацией услуг, она позволяет снизить нагрузку на основные функциональные компоненты IMS, например, на компонент управления сеансами связи (Call Session Control Function – CSCF).

Как уже отмечалось, в IMS (посредством услуговых блоков) обеспечиваются общие по структуре и исполнению функции, которые могут использоваться практически всеми услугами сети. Примеры таких общих функций: информирование о присутствии абонента в сети (presence), управление списками пользователей, тарификация, функционал службы каталогов и др. Кроме ускорения и упрощения процессов создания и предоставления услуг, многократное применение общей функциональной инфраструктуры для прикладного уровня в IMS минимизирует текущие и капитальные затраты операторов.

В IMS пользователи получают доступ к услугам через функциональный компонент CSCF, который динамически назначается пользователю при его регистрации в сети или при получении запроса на соединение от другого пользователя. Маршрутизация запросов к серверу услуги не зависит от самой услуги, т. е. пользователя будет обслуживать тот сервер, маршрут к которому наиболее оптимален и на котором есть логика данной услуги. Можно сказать, что в отличие от традиционной интеллектуальной платформы архитектура услуг на базе IMS ориентирована на пользователя и способна к значительному масштабированию.

Процессы регистрации и авторизации в IMS максимально упрощены как для операторов, так и для пользователей. В традиционных сетях каждая услуга имеет свой (стандартный или фирменный) способ аутентификации пользователей, а путь к серверу услуги и узел доступа к ней тоже зависят от услуги. Что же касается IMS, то, однажды зарегистрировавшись в сети, пользователь получает доступ ко всем услугам, на которые он подписался, причем он не должен обращаться за разными услугами к разным поставщикам. Аутентификация пользователя выполняется в CSCF, который транслирует запрос на услугу серверу приложений, а тот, запросив, в свою очередь, единую абонентскую базу данных (Home Subscriber Server – HSS), подтверждает, что пользователь аутентифицирован и авторизован для предоставления услуги.

2.6 Дополнительные услуги в сетях IMS

Архитектура IMS-системы предусматривает возможность использования ее элементов для предоставления множества услуг и работы множества приложений (см. рисунок 2.2). Это позволяет сократить как капитальные затраты на оборудование и ПО, так и расходы, связанные с их обслуживанием и технической поддержкой. Внедрение принципиально нового сервиса требует построения соответствующей инфраструктуры для его доставки в отличие от традиционных систем, в которых средства управления услугами и их доставки жестко “связаны” с конкретной услугой (например, АТС – телефония, сервер MCU – видео-конференц-связь и т. п.).

Реализовав принципы IMS, оператор может серьезно сэкономить и при наращивании мощностей своей сети. При использовании традиционной – “монолитной” – системы оператор вынужден модернизировать ее полностью, даже когда требуется повысить емкость (или другие характеристики) только одного логически выделенного функционального блока. В “слоеной” сети IMS каждый слой можно наращивать отдельно: транспортный – когда повышается объем трафика; управления сервисами (сеансами связи) – когда растет число абонентов и/или сеансов связи; наконец, прикладной – когда растет популярность конкретного сервиса или необходимо внедрить новый. Понятно, что при этом у оператора есть широкие возможности по оптимизации своих инвестиций в новые аппаратные и программные средства.

Реализация новых услуг еще одно преимущество архитектуры IMS. Независимость IMS от специфики сетевого транспорта и каналов доступа делает ее отличной основой для конвергенции служб фиксированной и мобильной связи (Fixed Mobile Convergence — FMC). Но здесь важно заметить, что IMS отнюдь не единственно возможный технологический фундамент FMC. Более того, на начальном этапе конвергенции экономически выгодными, скорее всего, окажутся другие решения.

Рисунок 2.2 – Дополнительные услуги IMS

Концепция IP Multimedia Subsystem (IMS) оказывает большое влияние на сферу услуг связи дополнительной потребительской ценности (Value Added Services — VAS), или дополнительных услуг. Новая технология обещает скорые и радикальные изменения в способах общения людей, их работы, потребления ими информации и развлечений.

Движущей силой этого процесса является не какая-то специфическая суперуслуга, а совокупность услуг. Сегодня уже понятно, что одна сколько угодно новаторская услуга связи не способна подвигнуть операторов на развитие инфраструктуры IMS, равно как одно суперприложение не может удовлетворить все потребности пользователей. А вот стремление предоставлять множество самых разных услуг по любым сетям и для любых терминалов толкает операторов к скорейшему принятию IMS.

Концепция IMS изменяет привычную практику ответа на вызовы. Абонент может ответить на звонок с любого аппарата, оказавшегося в данную минуту у него под рукой: с обычного, мобильного или IP-телефона, с программного клиента или устройства типа Skype и даже со специально оборудованного телевизора, подключенного к широкополосной сети. При этом он, в зависимости от необходимости, может выбирать любой вид коммуникаций: обмен текстовыми сообщениями, голосовую или видеосвязь (например, Push-to-Show) — и, не прерывая сеанса связи, переключаться между этими режимами.

Новый сценаpий управления вызовами выглядит следующим образом: абонент A звонит абоненту B. Коммутатор ТфОП посылает уведомление серверу интеллектуального управления вызовами. Тот связывается с абонентским устройством, принадлежащим абоненту A, на котором появляется сигнал о вызове и меню доступных способов его обработки. Абонент A может ответить на звонок, принять звонок на другом абонентском устройстве, переправить его другому абоненту, ответить автоматическим сообщением, запросить данные о звонящем или просто не отвечать на звонок.

Сети IMS включают в себя новые мощные компоненты поддержки услуг: серверы определения присутствия абонента и его местонахождения, формирования сообществ и интерактивных Web-технологий (rich media). Эти компоненты предоставляют новый уровень персонализации услуг и сами новые услуги (развлечения, информация, обучение, онлайновая торговля и т. д.), значительно расширяющие возможности абонентов в использовании телекоммуникаций. Например, информация о присутствии абонентов в едином коммуникационном пространстве особо актуальна во внеурочное время. Так, ночью абонент может проверить, кто из коллег или друзей доступен, можно ли с кем-нибудь из них поговорить или же общение будет ограничено только лишь возможностью послать им сообщение.

Услуги на основе контроля географического местонахождения больше всего востребованы в поездках, когда абонент получает возможность делиться с семьей и друзьями впечатлениями о происходящих событиях в онлайновом дневнике или блоге, поддерживаемом средствами создания сообществ и потоковой передачи мультимедийной информации.

Концепция IMS предусматривает подключение к любым сетям (сотовой связи, фиксированным, DSL, Wi-Fi, кабельным и т. д.) и прозрачное предоставление услуг по любым каналам и на любые терминалы. В результате пользователи получают расширенный доступ к услугам в любых условиях и согласно своим предпочтениям.

IMS подразумевает горизонтальную архитектуру приложений услуг, позволяющую совмещенное использование сетевых ресурсов, что дает возможность более эффективно задействовать ресурсы и управлять ими, а следовательно, и снижать капитальные затраты на создание сетей. В сетях IMS значительно уменьшатся операционные затраты. Новая концепция позволит операторам поддерживать множество услуг, а благодаря универсальным стандартам вырастет и скорость их внедрения на рынок.

Основным протоколом в IMS является SIP протокол. Основанная на протоколе SIP, архитектура IMS предлагает гибкие и мощные средства установления и модификации сеансов мультимедийной связи.

3 Общая характеристика мультимедийного трафика

3.1 Классификация мультимедийного трафика

Под мультимедийным трафиком понимается цифровой поток данных, который содержит различные виды сообщений, воспринимаемых органами чувств человека (обычно звуковая и/или видеоинформация). Мультимедийные потоки данных передаются по телекоммуникационным сетям с целью предоставления удаленных интерактивных услуг. Наиболее распространенными на сегодняшний день мультимедийными услугами, предоставляемыми пользователям сети, являются: видеотелефония, высокоскоростная передача мультимедийных данных, IP-телефония, цифровое телевизионное вещание, мобильная видеосвязь и цифровое видео по запросу.

В зависимости от типа предоставляемого сервиса выделяются две основные категории мультимедийного трафика:

1) трафик реального времени, предоставляющий мультимедийные услуги для передачи информации между пользователями в реальном масштабе времени;

2) трафик обычных данных, который образуется традиционными распределенными услугами современной телекоммуникационной сети, таких, как электронная почта, передача файлов, виртуальный терминал, удаленный доступ к базам данных и др.

В качестве примеров услуг, генерирующих трафик реального времени, можно привести следующие.

IP-телефония. Данный сервис осуществляет передачу голосового трафика (речи) между двумя абонентами сети, в которой, в качестве сетевого, используется протокол IP (Internet Protocol). Для организации сервиса «IP-телефония» могут быть использованы локальные, корпоративные, глобальные сети, а также сеть Интернет.

Высококачественный звук. Под «высококачественным звуком» понимается такой сервис, который осуществляет передачу и вещание высококачественного звука, например, музыки, концертов и т.д.

Видеотелефония. Данный сервис осуществляет передачу человеческой речи вместе с его изображением невысокого качества между двумя абонентами.

Видеоконференция. Данный сервис осуществляет передачу голосового и видеотрафика между группой абонентов, причем звуковые и видеосигналы передаются по сети независимо один от другого (по разным транспортным соединениям), их синхронизация на приеме обеспечивается соответствующим протоколом транспортного уровня.

Дистанционное медицинское обслуживание. Данный сервис обеспечивает проведение дистанционного медицинского обследования, диагностики и консультации больных.

Видеомониторинг. Данный сервис осуществляет видеонаблюдение помещений, применяется для охраны территорий различного назначения, оперативной сигнализации о различных нештатных ситуациях.

Вещание радио и телевизионных программ. Данный сервис осуществляет вещание обычных радио- и телевизионных каналов по цифровой телекоммуникационной сети.

Цифровое телевидение. Данный сервис осуществляет вещание высококачественного цифрового телевидения (художественных фильмов, музыкальных видеоклипов, спортивных трансляцией) по запросу клиентов.

Общий подход к параметризации мультимедийного трафика

Имеется множество моделей описания трафика в различных телекоммуникационных сетях.

В общем случае мультимедийный трафик некоторой услуги представляется в виде случайного процесса. Пусть мгновенное значение трафика - есть число блоков информации, которые генерирует соответствующий сервис в единицу времени. Тогда в наиболее общем случае случайный процесс B(t) описывается семейством функции распределения F_в(t)(х), где

F_в(t) (х) = Вер {B(t) Фх}.

Для параметризации мультимедийного трафика, как правило, используется ряд характеристик, которые определены рекомендациями ITU-T. Эти характеристики описывают интегральные параметры случайного процесса 6(f), пример реализации которого приведен на рисунке 3.1.

К характеристикам трафика, который генерируется различными мультимедийными услугами, относятся следующие:

- значения трафика (мгновенное, максимальное, пиковое, среднее и минимальное), бит/с;

- коэффициент пачечности трафика (пульсация);

- средняя длительность пикового трафика;

- средняя длительность сеанса связи;

- форматы элементов трафика;

- максимальный, средний, минимальный размеры пакета;

- интенсивность трафика запросов.

Рисунок 3.1 - Основные параметры мультимедийного трафика

Максимальное значение трафика . Максимальное число блоков информации, которое соответствующий сервис генерирует в единицу времени, определяется как:

= maxB(f).

Пиковое значение трафика. Трафик соответствующего сервиса, который превышает установленный для него пиковый порог .

Среднее значение трафика . Среднее число блоков информации, которое соответствующий сервис генерирует в единицу времени, определяется как

где T^(s) - длительность сеанса связи.

Минимальное значение трафика v. Минимальное число блоков информации, которое соответствующий сервис генерирует в единицу нремени,определяется как

v = minB(f).

Коэффициент пачечности трафика К. Определяется как отношение между максимальным и средним трафиком соответствующего сервиса. Коэффициент пачечности вычисляется по формуле:

Средняя длительность пика . Средняя длительность интервала времени, в течение которого, соответствующий сервис генерирует пиковый трафик, вычисляется по формуле:

где - число пиков в течение сеанса связи; - длительность i-пика процесса B(t), i = 1, N^(Р), а длительность i-пика определяется выражением

= ,

где - моменты начала и окончания i-пика, которые определяются следующими выражениями:

= min t, = min t, где , = 0.

Перечисленные выше параметры используются для описания графика соответствующего сервиса в течение одного сеанса связи с абонентом сервиса.

Интенсивность запросов λ на получение обслуживания абонентами сети у соответствующего сервиса определяется как среднее число поступивших запросов на обслуживание в единицу времени.

Средняя длительность сеанса связи - средняя продолжительность интервала времени, в течение которого соответствующий сервис обслуживает поступивший запрос.

Максимальный размер пакета - максимальный размер элемента трафика в битах (элемент трафика передается адресату как единое целое).

Средний размер пакета - средний размер элемента трафика в битах.

Минимальный размер пакета s - минимальный размер элемента трафика в битах.

Некоторые типичные параметры трафика, генерируемого соответствующими источниками, приведены в таблице 3.1.

Т а б л и ц а 3.1 - Параметры трафика мультимедийных услуг

Тип мультимедийного сервиса	Параметры мультимедийных трафиков
Тип мультимедийного сервиса	, Мбит/с	, Мбит/с	К	T^(р) , с	T⁽^s⁾ , с	λ, сеанс/сут
IP-телефония	0,064	0,064	1	100	100	5
Высококачественный звук	1	1	1	53	53	3
Видеотелефония	10	2	5	1	100	6
Видеоконференция	10	2	5	1	1000	6
Дистанционное медицинское обслуживание	10	2	5	1	1000	3
Видеомониторинг	10	2	5	-	-	6
Вещание радио и телевизионных программ	34	34	1	-	-	6
Цифровое телевидение	34	34	1	-	5400	6

3.2 Понятие о самоподобном (фрактальном) трафике

При проектировании, запуске и эксплуатации телекоммуникационных сетей одной из основных проблем является задача обеспечения качества обслуживания. До недавнего времени решение данной задачи при проектировании систем распределения информации обеспечивала теория телетрафика, которая является одной из ветвей теории массового обслуживания, и появилась в результате работ А.К. Эрланга, Т. Энгсета, Г. О.Делла, К. Пальма, А.Я. Хинчина и др.

Данная теория хорошо описывает процессы, происходящие в таких системах распределения информации, как телефонные сети, построенных по принципу коммутации каналов. Наиболее распространенной моделью потока вызовов (данных) в теории телетрафика является простейший поток (стационарный, ординарный поток без последействия). Настоящий период бурного развития высоких технологий привел к появлению и повсеместному распространению сетей с пакетной передачей данных, которые постепенно стали вытеснять системы с коммутацией каналов, но, по-прежнему, они проектировались на основе общих положений теории телетрафика.

Однако, в 1993 году группа американских исследователей W.Leland,

M.Taqqu, W.Willinger и D.Wilson опубликовали результаты своей новой работы, которая в корне изменила существующие представления о процессах, происходящих в телекоммуникационных сетях с коммутацией пакетов. Эти исследователи изучили трафик в информационной сети корпорации Bellcore и обнаружили, что потоки в ней нельзя аппроксимировать простейшими и, как следствие, они уже имеют совершенно иную структуру, чем принято в классической теории телетрафика. В частности, было установлено, что трафик такой сети обладает так называемым свойством самоподобия., т.е. выглядит качественно одинаково при почти любых масштабах временной оси, имеет память (последействие), а также характеризуется высокой пачечностью. В результате теоретический расчет параметров системы распределения информации, предназначенной для обработки такого трафика, по классическим формулам дает некорректные и неоправданно оптимистические результаты.

Более того, привычные алгоритмы обработки трафика, созданные для работы с простейшими потоками, оказываются недостаточно эффективными для потоков с самоподобием. Таким образом, образовалась проблема самоподобия телетрафика, которой за последние 16 лет посвящено более тысячи работ и которая до сих пор не утратила своей актуальности.

Понятие фрактал было впервые введено Бенуа Мандельбротом в 1975 году. Слово образовано от латинского слова fractus – состоящий из фрагментов. С математической точки зрения фрактальный объект, прежде всего, обладает дробной (нецелой) размерностью.

Известно, что точка имеет размерность, равную нулю. Отрезок прямой и окружность, характеризующиеся протяженностью (длиной), имеют размерность, равную единице. Круг и сфера, характеризующиеся площадью, имеют размерность два. Для описания множества с размерностью 1.5 требуется нечто среднее между длиной и площадью.

Другое важное свойство, которым обладают почти все фракталы – свойство самоподобия (масштабная инвариантность). Фрактал можно разбить на сколь угодно малые части так, что каждая часть окажется просто уменьшенной частью целого. Другими словами, если посмотреть на фрактал в микроскоп, то мы увидим ту же самую картинку, что и без микроскопа (см. рисунок 3.2). Природа создавала фракталы на протяжении миллионов лет. Фактически большинство объектов в природе – не круги, квадраты или линии.

Рисунок 3.2 - Примеры фрактальных объектов

В самоподобном трафике присутствует некоторое количество достаточно сильных выбросов на фоне относительно низкого среднего уровня, что значительно увеличивает задержки и джиттер при прохождении самоподобного трафика через сеть, даже в случаях, когда средняя интенсивность трафика намного ниже потенциально достижимой скорости передачи в данном канале.

Самоподобные процессы относятся к процессам с длинной памятью, что позволяет предсказать их будущее, зная относительно недавнее прошлое. Заметим, что прогнозирование телетрафика чрезвычайно важно при разработке алгоритмов работы сетей, обеспечивающих повышение качества обслуживания (QoS). Для провайдеров услуг прогнозирование загрузки сетей позволяет планировать их своевременное развитие.

К настоящему времени показано, что самоподобной структурой обладает трафик в проводных сетях при использовании широко распространенных протоколов Ethernet, OKC 7, VoIP, TCP и др. Аналогичные эффекты обнаружены в сотовых телефонных сетях с коммутацией пакетов. Опубликованы исследования, результаты которых подтверждают наличие самоподобных свойств и в трафике современных телекоммуникационных сетей, использующих технологии беспроводного доступа IEEE 802.116.

В технической литературе вместо термина "фрактальность" иногда используют слово "самоподобность" – перевод с английского "self-similarity". Аналогично, вместо термина "долговременная зависимость" (long-term dependence) употребляется слово "персистентность" (калька с английского "persistence").

Параметр Хёрста

Для практического выявления свойств фрактальности предложен параметр Хёрста (Hurst). Он назван по фамилии автора этой идеи. Параметр Хёрста (Н) определяет степень самоподобия.

Исследуя по летописям за 800 лет годы разливов Нила, Хэрст обнаружил, что существовала тенденция, когда за годом хорошего наводнения следовал еще один плодородный год, и, наоборот, за годом малой воды следовал еще один «голодный» год. Другими словами, казалось, что появление голодных и плодородных лет - неслучайно. Для подтверждения данного факта Хэрст ввел коэффициент 0 < Н < 1, который в его честь сейчас называется параметром (экспонентой) Хэрста. В случае независимости друг от друга уровней ежегодных разливов, логично было бы представить процесс разливов обычным броуновским движением с независимыми приращениями, при этом параметр Хэрста Н = 0,5. Однако, как обнаружил Хэрст, для Нила Н = 0,7.

Проверка на самоподобность и оценка показателя Хёрста Н являются сложной задачей. В реальных условиях всегда оперируют с конечными наборами данных, поэтому невозможно проверить, является или нет трафик самоподобным по определению. Следовательно, необходимо исследовать различные свойства самоподобности в реальном измеренном трафике. При этом возникают следующие проблемы.

1. Даже если подтверждаются свойства самоподобности, нельзя сразу делать вывод, что проанализированные данные имеют самоподобную структуру. Следует говорить о самоподобной структуре в заданном масштабном диапазоне для заданного набора данных.

2. Оценка показателя Хёрста зависит от многих факторов, таких как методика оценки, размер выборки, масштаб времени и т.д.

Одним из способов вычисления коэффициента Н является анализ так называемой R/S статистики (нормированного размаха).

Для выборочного случайного набора определяют выборочное среднее, выборочную дисперсию и интегральное отклонение:

. (3.1)

Изменчивость случайного процесса на интервале определяется как неубывающая функция длины следующего интервала (для ):

. (3.2)

Хёрст показал, что для многих естественных процессов справедливо соотношение такого вида:

. (3.3)

Следует заметить, в случае 0,5 < Н < 1 говорят о персистентном (поддерживающемся) поведении процесса либо о том, что процесс обладает длительной памятью. Другими словами, если в течение некоторого времени в прошлом наблюдались положительные приращения процесса, т.е. происходило увеличение, то и впредь в среднем будет происходить увеличение. Иначе говоря, вероятность того, что процесс на i + 1 шаге отклоняется от среднего в том же направлении, что и на i шаге настолько велика, насколько параметр Н близок к 1. То есть персистентные стохастические процессы обнаруживают четко выраженные тенденции изменения при относительно малом «шуме».

В случае 0 < Н < 0,5 говорят об антиперсистентности процесса. Здесь высокие значения процесса следуют за низкими, и наоборот. Другими словами, вероятность того, что на i+ 1 шаге процесс отклоняется от среднего в противоположном направлении (по отношению к отклонению на i шаге) настолько велика, насколько параметр Н близок к 0.

При Н = 0,5 отклонения процесса от среднего являются действительно случайными и не зависят от предыдущих значений, что соответствует случаю броуновского движения.

4 Качество обслуживания в мультисервисных сетях

4.1 Функции качества обслуживания

Одним из основных аспектов, который должен приниматься во внимание при проектировании мультисервисных сетей, является обеспечение качества обслуживания. Специфика пакетных сетей состоит в том, что, в отличие от сетей с коммутацией каналов, в одном и том же информационном потоке может передаваться разнородный трафик. При этом каждый из типов трафика характеризуется рядом критичных и некритичных параметров. Для передачи голосового трафика через пакетные сети вводится понятие классов обслуживания, позволяющих оценить качество предоставления услуги в пакетной сети. Определение качества обслуживания в настоящий момент является субъективным и базируется на методе экспертных оценок, т.е. априори невозможно абсолютно гарантировать, что при проектировании сети будут заложены сетевые характеристики, позволяющие однозначно обеспечить требуемое качество.

Функции качества обслуживания (QoS) заключаются в обеспечении гарантированного и дифференцированного обслуживания сетевого трафика путем передачи контроля за использованием ресурсов и загруженностью сети ее оператору. QoS представляет собой набор требований, предъявляемых к ресурсам сети при транспортировке потока данных. QoS обеспечивает сквозную гарантию передачи данных и, основанный на системе правил, контроль за средствами повышения производительности IP-сети, такими как механизм распределения ресурсов, коммутация, маршрутизация, механизмы обслуживания очередей и механизмы отбрасывания пакетов.

Способность сети обеспечивать различные уровни обслуживания, запрашиваемые теми или иными сетевыми приложениями, наряду с проведением контроля за характеристиками производительности — полосой пропускания, задержкой/дрожанием и потерей пакетов — может быть классифицирована по трем перечисленным ниже категориям.

Негарантированная доставка данных (best-effort service). Обеспечение связности узлов сети без гарантии времени и самого факта доставки пакета в пункт назначения. Отбрасывание пакета может произойти только в случае переполнения буфера входной или выходной очереди маршрутизатора.

На самом деле негарантированная доставка пакетов не является частью QoS вследствие отсутствия гарантии качества обслуживания и гарантии обеспечения доставки пакетов. Негарантированная доставка пакетов является на сегодняшний день единственной услугой, поддерживаемой в Internet.

Дифференцированное обслуживание (differentiated service). Дифференцирование обслуживание предполагает разделение трафика на классы на основе требований к качеству обслуживания. Каждый класс трафика дифференцируется и обрабатывается сетью в соответствии с заданными для этого класса механизмами QoS. Подобная схема обеспечения качества обслуживания (QoS) довольно часто называется схемой CoS.

Следует отметить, что дифференцированное обслуживание само по себе не предполагает обеспечения гарантий предоставляемых услуг. В соответствии с данной схемой трафик распределяется по классам, каждый из которых имеет свой собственный приоритет. По этой причине дифференцированное обслуживание довольно часто называют мягким QoS (soft QoS).

Дифференцированное обслуживание удобно применять в сетях с интенсивным трафиком приложений.

Гарантированное обслуживание (guaranteed service). Гарантированное обслуживание предполагает резервирование сетевых ресурсов с целью удовлетворения специфических требований к обслуживанию со стороны потоков трафика.

В соответствии с гарантированным обслуживанием выполняется предварительное резервирование сетевых ресурсов по всей траектории движения трафика.

Гарантированное обслуживание довольно часто называют еще жестким QoS (hard QoS) в связи с предъявлением строгих требований к ресурсам сети.

4.2 Характеристики производительности сетевого соединения

Внедрение механизмов QoS предполагает обеспечение со стороны сети соединения с определенными ограничениями по производительности. Основными характеристиками производительности сетевого соединения являются полоса пропускания, задержка, дрожание и уровень потери пакетов.

Термин полоса пропускания (bandwidth) используется для описания номинальной пропускной способности среды передачи информации, протокола или соединения.

Как правило, каждое соединение, нуждающееся в гарантированном качестве обслуживания, требует от сети резервирования минимальной полосы пропускания. К примеру, приложения, ориентированные на передачу оцифрованной речи, создают поток информации интенсивностью 64 Кбит/с. Эффективное использование таких приложений становится практически невозможным вследствие снижения полосы пропускания ниже 64 Кбит/с на каком-либо из участков соединения.

Задержка при передаче пакета (packet delay), или латентность (latency), на каждом переходе состоит из задержки сериализации, задержки распространения и задержки коммутации. Ниже приведены определения каждого из названных выше типов задержки.

Задержка сериализации (serialization delay). Время, которое требуется устройству на передачу пакета при заданной ширине полосы пропускания. Задержка сериализации зависит как от ширины полосы пропускания канала передачи информации, так и от размера передаваемого пакета. Например, передача пакета размером 64 байт при заданной полосе пропускания 3 Мбит/с занимает всего лишь 171 не. Обратите внимание, что задержка сериализации очень сильно зависит от полосы пропускания: передача того же самого пакета размером 64 байт при заданной полосе пропускания 19,2 Кбит/с занимает уже 26 мс. Довольно часто задержку сериализации называют еще задержкой передачи (transmission delay).

Задержка распространения (propagation delay). Время, которое требуется переданному биту информации для достижения принимающего устройства на другом конце канала. Эта величина довольно существенна, поскольку в наилучшем случае скорость передачи информации соизмерима со скоростью света. Задержка распространения зависит от расстояния и используемой среды передачи информации, а не от полосы пропускания. Для линий связи глобальных сетей задержка распространения измеряется в миллисекундах.

Задержка коммутации (switching delay). Время, которое требуется устройству, получившему пакет, для начала его передачи следующему устройству. Как правило, это значение меньше 10 нс.

Обычно каждый из пакетов, принадлежащий одному и тому же потоку трафика, передается с различным значением задержки. Задержка при передаче пакетов меняется в зависимости от состояния промежуточных сетей.

Если сеть не испытывает перегрузки, то пакеты не ставятся в очередь в маршрутизаторах, а общее время задержки при передаче пакета состоит из суммы задержки сериализации и задержки распространения на каждом промежуточном переходе.

Если же сеть перегружена, задержки при организации очередей в маршрутизаторах начинают влиять на общую задержку при передаче пакетов, и приводят к возникновению разницы в задержке при передаче различных пакетов одного и того же потока. Колебание задержки при передаче пакетов получило название джиттер-пакетов (packet jitter).

Данный параметр имеет большую важность, поскольку именно он определяет максимальную задержку при приеме пакетов в конечном пункте назначения. Принимающая сторона может попытаться компенсировать дрожание пакетов за счет организации приемного буфера для хранения принятых пакетов на время, меньшее или равное верхней границе дрожания.

Уровень потери пакетов (packet loss) определяет количество пакетов, отбрасываемых сетью во время передачи. Основными причинами потери пакетов являются перегрузка сети и повреждение пакетов во время передачи по линии связи. Чаще всего отбрасывание происходит в местах перегрузки, где число поступающих пакетов намного превышает верхнюю границу размера выходной очереди. Кроме того, отбрасывание пакетов может быть вызвано недостаточным размером входного буфера. Как правило, уровень потери выражается как доля отброшенных пакетов за определенный интервал времени.

Категории и классы качества передачи речи

Документ ETSI TS 102 024 — 2, разработанный в рамках проекта TIHPON (Release 5, сентябрь 2003 г.), определяет три класса качества:

- широкополосный (wideband), обеспечивающий пользователям качество лучшее, чем в ТфОП. Он требует использования широкополосных кодеков (обрабатывающих аналоговые сигналы с полосой более 3,1 кГц) и сетей IP, спроектированных в соответствии с требованиями QoS;

- узкополосный (narrowband), обеспечивающий пользователям качество, подобное ТфОП. Он требует использования спроектированных в соответствии с требованиями QoS сетей IP;

- негарантированный (best effort), предоставляющий пригодные для использования услуги, но без гарантий на характеристики соединения. Могут быть периоды значительного ухудшения качества речи и большие задержки. Этот класс качества обеспечивается в сетях IP, разработанных без учёта требований QoS, например, общедоступного Интернета.

Широкополосный и узкополосный классы обеспечивают гарантии характеристик для 95% всех соединений.

Узкополосный класс делится на три подкласса:

- высокий (high), обеспечивающий качество, эквивалентное тому, которое предоставляется услугами ЦСИС;

- средний (medium), обеспечивающий качество, эквивалентное тому, которое предоставляется услугами беспроводной мобильной телефонии в условиях хорошей радиосвязи, например в сетях GSM, использующих кодеки EFR, или системами, использующими кодеки по Рекомендации МСЭ-Т G.726 на скорости 32 Кбит/с;

- приемлемый (acceptable), обеспечивающий качество, эквивалентное тому, которое предоставляется обычными услугами беспроводной мобильной телефонии, например в сетях GSM, использующих кодеки FR, или системами, включающими геостационарные спутники.

Каждый из вышеуказанных классов определяется тремя характеристиками:

- общим рейтингом качества передачи (R);

- качеством речи, воспринимаемым слушателем (качество односторонней неинтерактивной передачи речи из конца в конец);

- задержкой из конца в конец (средней односторонней).

4.3 Соглашение об уровне качества услуги (SLA)

Операторы связи нуждаются в универсальном способе договоренности с пользователем о качестве предоставляемых услуг – методе, который бы представил для оператора качество услуг с точки зрения пользователя. Таким методом стало "соглашение об уровне обслуживания" (Service Level Agreement, SLA).

Чтобы обеспечить определенный уровень качества услуги доставки информации, необходимо решить две задачи:

- контроль производительности сети;

- выполнение специальных процедур для поддержания требуемого уровня качества услуги.

Система управления должна использовать набор показателей для контроля производительности мультисервисной сети и ее объектов (коммутаторов, маршрутизаторов, шлюзов, серверов приложений и др.).

Показатели, используемые для описания качества услуги:

- задержка установления соединения (establishment delay);

- задержка доставки данных «из конца в конец» (end-to-end delay);

- джиттер (jitter);

- задержка разъединения соединения (release delay);

- пиковая скорость передачи пакетов (Peak-rate throughput) - максимальное число пакетов, которое приложение может передавать в единицу времени;

- средняя скорость пакетов в единицу времени (Statistical throughput);

- коэффициент потерь (Loss ratio) – отношение числа потерянных пакетов к количеству переданных;

- приоритет - определяет очередность обслуживания запросов;

- стоимость - определяет максимальную допустимую стоимость сетевого соединения.

Для полноценного использования этих показателей, необходимо определить ряд операций, позволяющих поддерживать качество услуги на уровне, удовлетворяющем пользователя.

К таким операциям относятся:

- спецификация качества услуги (QoS Specification);

- отображение качества услуги (QoS Mapping);

- установление соглашения о качестве услуги (QoS Negotiation);

- резервирование ресурсов (Resource Allocation);

- контроль доступа (Admission Control);

- техническое обслуживание (maintenance);

- мониторинг (monitoring);

- повторное установление соглашения (QoS Renegotiation).

Спецификация качества услуги (QoS Specification) - определяет требуемые уровни качества, которые интерпретируются системой. На каждом уровне OSI (1-ом, 2-ом, …, 7-ом), участвующем в предоставления услуги, используется своя спецификация качества. Значения уровня качества могут устанавливаться в виде порогов или интервалов. Спецификации качества могут определить действия, которые необходимо выполнить при нарушении (ухудшении) заданного уровня качества услуги.

Отображение QoS (QoS Mapping) — выполняет функции автоматического преобразования уровней качества услуги на разных уровнях, что освобождает пользователя от необходимости оценивать уровень качества услуги в терминах, используемых на нижних уровнях OSI.

Установление соглашения о качестве услуги (QoS Negotiation) — определение совокупности параметров, обеспечивающих требуемый для данного сеанса уровень качества услуги, и выяснение компонентов системы, способных его обеспечить. Например, на сетевом уровне выбирается маршрут, в котором все входящие в него узлы смогут обеспечить выбранные параметры качества услуги.

Резервирование ресурсов (Resource Allocation) — гарантия необходимого уровня качества услуги на протяжении всего сеанса, часто бывает необходимо назначать определенный набор ресурсов для использования в данном сеансе. К ним могут относиться буферы, процессорное время, полоса пропускания и др.

Данная функция должна выполняться в тесном взаимодействии с функцией установления соединения.

Контроль доступа (Admission Control) — проверка того, что система в состоянии обеспечить желаемый уровень качества услуги, не нарушив работу уже выполняющихся приложений.

Техобслуживание (QoS maintenance) — поддержание оговоренного уровня качества не всегда требует статического выделения ресурсов во время установления соглашения об уровне качества. Часто вместо этого необходимо использовать динамическое перераспределение ресурсов системы, чтобы гарантировать, что загрузка отдельных компонентов системы не будет превышена.

Мониторинг (QoS monitoring) позволяет определить ухудшение параметров качества услуги в течение сеанса связи, что дает пользователю возможность своевременно предпринять необходимые действия. Например, принять предлагаемый провайдером новый уровень качества услуги, отказаться от продолжения сеанса, попытаться произвести процедуру повторного установления соглашения о качестве услуги.

Повторное установление соглашения (QoS Renegotiation) — процедура установления соглашения для тех компонентов системы, которые уже участвуют в сеансе связи. Необходимость ее проведения может быть обусловлена как понижением уровня качества, так и желанием оператора зарезервировать общие системные ресурсы за счет низкоприоритетных сеансов. Помимо этого, пользователь может захотеть использовать в разное время одни и те же ресурсы для различных целей и воспользоваться при этом повторным установлением соглашения с целью экономии средств.

Требования, предъявляемые к средствам доставки информации

Мультисервисная сеть обслуживает трафик всех видов служб. Предъявлять одинаковые требования к показателям качества доставки информации для всех видов служб не представляется разумным по техническим и экономическим соображениям. Поэтому в рекомендации ITU-T Y.1541 [3] выделено шесть классов, различающихся величинами показателей качества доставки. В таблице 10.1 приведены значения показателей качества доставки информации для всех шести классов. Эти значения определяются для таких показателей: IPTD – задержка переноса IP пакетов, IPDV – вариация задержки IP пакетов, IPLR – доля потерянных IP пакетов, IREP – доля искаженных IP пакетов. Символ "U" (первая буква в слове "Unspecified") указывает на то, что показатель для данного класса обслуживания не нормируется.

Таблица 4.1 - Показатели качества доставки информации

Класс качества доставки	IPTD	IPDV	IPLR	IREP
0 (приоритет 1)	100 мс.	50 мс.	10^-3	10^-4
1 (приоритет 1)	400 мс.	50 мс.	10^-3
2 (приоритет 2)	100 мс.	U	10^-3
3 (приоритет 2)	400 мс.	U	10^-3
4 (приоритет 3)	1 с.	U	10^-3
5 (приоритет 3)	U	U	U	U

При большом времени распространения сигналов могут возникать сложности с соблюдением норм на среднее значение времени задержки IP пакетов для классов "0" и "2". Величины IPTD определены для максимальной длины информационного поля пакета 1500 байтов.

Величина IPDV определяется разницей между верхней границей, в качестве которой рекомендуется 99,9% квантиль (долей), и нижней границей задержки, измеренной в течение интервала оценки. В качестве длительности этого интервала предлагается выбирать одну минуту.

Класс обслуживания "0" предназначен для обмена информацией в реальном времени (в частности, для речи с использованием IP технологии). Он предусматривает создание отдельной очереди с приоритетной обработкой пакетов. Для класса обслуживания "0" характерны ограничения на принципы маршрутизации (максимальное число транзитов) и допустимое расстояние между взаимодействующими терминалами (время распространения сигналов).

Интерактивность (вероятность использования диалогового режима) для класса "0" определяется как "высокая" – high. Класс обслуживания "0" может использоваться, например, для телефонной связи высокого качества (perfectly). Естественно, что тарифы за подобные услуги будут максимальными.

Класс обслуживания "1" также предназначен для обмена информацией в реальном времени, но с менее жесткими требованиями. Поэтому накладываются менее существенные ограничения на принципы маршрутизации и время распространения сигналов, чем для класса "0". Также предусматривается создание отдельной очереди с приоритетной обработкой пакетов. Класс обслуживания "1" обеспечивает хорошее (good) качество телефонной связи.

Класс обслуживания "2" ориентирован на обмен данными с высокой степенью интерактивности. К этому классу относится, в частности, сигнальная информация. Для класса обслуживания "2" характерны такие же ограничения на принципы маршрутизации и время распространения сигналов, как для класса "0". Для пакетов этого класса формируется своя очередь на обработку, которая осуществляется со вторым приоритетом. Это означает, что пакеты классов "0" и "1" имеют преимущество по обслуживанию, по сравнению с пакетами других классов.

Классу обслуживания "3", предназначенному для обмена с менее высоким уровнем интерактивности, присущи те же ограничения на принципы маршрутизации и время распространения сигналов, что и классу "1". Обслуживание пакетов этого класса должно осуществляться со вторым приоритетом. Этот класс считается приемлемым для интерактивного обмена данными.

Класс обслуживания "4" предназначен для обмена различной информацией с низкой вероятностью потери (короткие транзакции, потоковое видео и прочие). Допускаются длинные очереди пакетов на обработку, которая осуществляется со вторым приоритетом. Никакие ограничения на маршрутизацию и время доставки сообщений не накладываются.

Класс обслуживания "5" ориентирован на те IP приложения, которые не требуют высоких показателей качества доставки информации. Соответствующие пакеты формируют отдельную очередь; обслуживание осуществляется с самым низким приоритетом (в данном случае он имеет третий номер). Никакие ограничения на маршрутизацию и время доставки сообщений не накладываются. Типичным примером услуг, поддерживаемых с классом обслуживания "5", можно считать "электронную почту".

5 Основные задачи математического моделирования мультисервисных сетей

5.1 Система мониторинга и управления сетью

Как современные цифровые системы связи, так и будущие мультисервисные сети являются сложными и большими техническими системами, процесс функционирования которых имеет стохастический характер. Их процессы функционирования реализуются сложными алгоритмами, которые зачастую являются эвристическими. Мультисервисные сети будут состоять из большого количества разнотипных компонентов, распределенных на большой территории. Эти компоненты имеют сложную структуру и алгоритмы взаимодействия, и они функционируют при наличии ненадежных элементов, в условиях реальных помех, а также пассивного и активного противодействия, в том числе и информационного.

На этапах разработки и проектирования мультисервисной сети, в условиях ее реального функционирования и развития, в соответствии с требованиями обеспечения качества обслуживания и надежности, живучести и информационной безопасности, возникает задача оценивания широкого класса вероятностно-временных характеристик. Это вызывает необходимость разработки соответствующего математического аппарата для анализа таких сложных систем, создания системы мониторинга мультисервисной сети и управления сетью в реальном масштабе времени. Необходимость управления может возникнуть в результате развития и возникновения различных нештатных ситуаций в процессе функционирования сети. К таким нештатным ситуациям относятся: перегрузка сети в целом, перегрузка ее отдельных компонентов или сегментов, выход из строя отдельных компонентов сети из строя, преднамеренное нарушение нормального процесса функционирования сети. Независимо от типа нештатной ситуации, с точки зрения поведения сложной системы, какой является информационная сеть, ее последствия заключаются в полном или частичном отказе функционирования компонент сети, снижении ее производительности в целом и отдельных компонент, нарушении связности сети, а также в ухудшении качества обслуживания некоторой части абонентов, и в искажении или уничтожении информации, предоставляемой им. Эти компоненты могут быть как аппаратными (временный вывод из строя маршрутизатора или сервера), так и программными (неверное функционирование программы пакетирования сообщений или направление трафика неверному адресату). Эти ситуации могут привести, например, к появлению хаотического трафика на сети. Отметим, что, с точки зрения моделирования, аппаратные и программные компоненты равнозначны. И те, и другие - суть средства, предназначенные для обработки и пересылки информации. Таким образом, поскольку все эти перечисленные ситуации приводят к ненадежному функционированию как различных компонент в отдельности, так и всех информационных сетей в целом, мы приходим к необходимости их всестороннего и тщательного математического анализа и моделирования на этапах проектирования, разработки, эксплуатации и модернизации.

Таким образом, основными задачами системы мониторинга и управления сетью являются следующие:

- обнаружение предвестников нештатных ситуаций определенного типа в течение заданного интервала времени с заданной вероятностью;

- локализация нештатной ситуации определенного типа с заданной вероятностью (определение множества компонентов сети, в которых эта ситуация развивалась);

- выработка и реализация мер, осуществляющих нейтрализацию обнаруженной и локализованной нештатной ситуации.

Исходя из характера функционирования мультисервисных сетей и основных задач их мониторинга, основным принципом построения системы мониторинга и обнаружения нештатных ситуаций видится ее построение в виде специализированной распределенной обучающейся экспертной системы. Это вызвано тем, что в реальных телекоммуникационных сетях объем информации, на основе которой приходится принимать решение, является очень большим, а сама информация является не полностью достоверной, устаревшей, а также искаженной этими же нештатными ситуациями.

Основными факторами, влияющими на информацию, на основе которой будут приниматься решения, являются следующие:

- распределенный характер функционирования мультисервисных сетей;

- многочисленность телекоммуникационных технологий, применяемых в мультисервисных сетях;

- конечная производительность мультисервисных сетей как в целом, так и ее компонентов в отдельности;

- ненадежность отдельных компонентов мультисервисных сетей;

- недостаточная информационная безопасность мультисервисных сетей;

- изменяющаяся во времени топология мультисервисных сетей;

- случайная, нестационарная и разнородная информационная нагрузка на мультисервисные сети;

- разнообразие типов нештатных ситуаций в мультисервисных сетях.

Эти факторы приводят к тому, что, кроме системы сбора, хранения, и передачи измерительной информации, одним из важных компонентов системы мониторинга и обнаружения нештатных ситуаций является экспертная самообучающаяся система, которая автоматизировала бы управление сетью. Основным математическим аппаратом, на основе которого осуществляется построение систем обучения, являются нейронные сети, которые, в общем случае, позволяют создавать самообучающиеся системы искусственного интеллекта. Вторым не менее важным, элементом системы мониторинга является система статистического анализа измерительной информации. Третьим элементом системы мониторинга является система математического моделирования.

Система мониторинга и управления мультисервисной сетью должна обеспечивать:

- оценку соответствующего набора вероятностно-временных характеристик, как самой сети, так и ее системы мониторинга;

- определение оптимальных алгоритмов и режимов функционирования сети в реальном масштабе времени;

- построение необходимых правил логического вывода для принятия управленческих решений с помощью экспертной системы обнаружения нештатных ситуаций;

- своевременную идентификацию нештатных ситуаций на сети;

- быструю реализацию выработанных управленческих решений.

При этом необходимо отметить, что традиционные статистические методы расчета телефонных сетей малоприменимы, поскольку они предназначены для однородного трафика и дают лишь приблизительные вероятностные оценки. Если клиент заключил договор, предусматривающий гарантированное соединение с гарантированным качеством сервиса, то сеть обязана предоставить ему такое соединение любой ценой.

Эффективные средства управления трафиком позволят существенно изменить работу пользователей, повысить эффективность использования коммуникационного оборудования сети. С одной стороны, например, используя Интернет на скорости 16 кбит/с, экономный пользователь сможет на некоторое время заказать для себя полосу пропускания 2 Мбит/с, чтобы загрузить большой файл, а затем возвратиться в обычный режим. Когда же он не работает в сети, его почтовый клиент сможет один раз в час автоматически подключаться в самом медленном (дешевом) режиме, чтобы принять и передать новые письма. С другой стороны, оператор мультисервисной сети или система управления сетью в реальном масштабе времени в автоматическом или полуавтоматическом режиме может осуществлять управление трафиком в сети с целью поддержания качества обслуживания подключившихся пользователей. Управление трафиком может заключаться, например, или в увеличении пропускной способности некоторых каналов передачи данных, или в изменении маршрута доставки данных по некоторым установленным соединениям, или в ограничении входного трафика от менее приоритетных пользователей. Выработка требуемых управленческих решений должна производиться на основе статистического анализа и прогноза трафика пользователей, загрузки коммуникационного оборудования сети, его технического состояния, проводимых профилактических и ремонтных мероприятий.

5.2 Математические методы моделирования мультисервисных сетей

Задачи анализа и проектирования мультисервисных сетей требуют разработки специализированных программных средств и использования специальных технологий их моделирования. Технология (см. рисунок 5.1) использования инструментальных средств математического моделирования включает в себя следующие этапы :

- анализ исследуемой системы и формулирование целей ее моделирования;

- построение концептуальной модели (КМ), описывающей необходимый набор параметров исследуемой системы;

Рисунок 5.1 - Общая схема математического моделирования мультисервисных сетей

- построение программной модели (ПМ) исследуемой системы, которое заключается в отображении объектов концептуальной модели на множество объектов программной модели;

- проведение эксперимента с программной моделью (выполнение ее программного кода);

- анализ и интерпретация результатов экспериментов с моделями;

- принятие проектных и управленческих решений.

Построение концептуальной и программной моделей исследуемой системы заключается в выборе соответствующего множества объектов (модельных и программных) и установлении между ними структуры связей, соответствующей структуре связей элементов исследуемой системы.

5.3 Нагрузка мультисервисной сети

Нагрузкой, обслуживаемой пучком соединительных устройств (приборов, линий, каналов) на некотором интервале времени, называют суммарное время занятия этих устройств на указанном интервале. По отношению к вызовам, поступившим в течение некоторого времени на пучок соединительных устройств, обслуженная нагрузка определяется как суммарное время обслуживания всех этих вызовов.

На практике чаще пользуются интенсивностью нагрузки, вычисляя эту величину как математическое ожидание нагрузки в единицу времени. В честь основоположника теории телетрафика А.К. Эрланга за единицу измерения интенсивности нагрузки принят эрланг (Эрл). Такая величина интенсивности нагрузки имеет место для непрерывно занятого соединительного устройства.

При организации измерений обслуженной нагрузки широкое распространение находит следующее теоретическое положение: мгновенное значение интенсивности обслуженной нагрузки в момент времени t количественно равно числу занятых соединительных устройств пучка в рассматриваемый момент времени - i(t). Очевидно, что i(t) есть случайная величина и при математическом описании обслуженной нагрузки используется математический аппарат теории случайных процессов.

Наряду с этим существует понятие поступающей нагрузки. Она определяется как обслуживаемая нагрузка в предположении, что потери вызовов отсутствуют, т.е. каждому поступившему вызову предоставляется свободное соединительное устройство.

В дальнейшем будем рассматривать только стационарные потоки вызовов. В этом случае как поступающая, так и обслуживаемая нагрузки описываются стационарными случайными процессами и их статистические параметры в вероятностном смысле не зависят от времени.

В расчетах чаще всего используют среднее значение интенсивности обслуженной нагрузки, вычисляемое как математическое ожидание случайной величины i(t):

M[i(t)] = ,

где p_i - вероятность того, что в произвольный момент времени в пучке из V соединительных устройств занято ровно i устройств, i = .

Другой важной характеристикой случайного процесса, описывающего функционирование пучка соединительных устройств при обслуживании вызовов, является дисперсия обслуженной нагрузки:

D[i(t)] = .

5.4 Скученность нагрузки

Если поступающий поток вызовов является простейшим, то создаваемая им нагрузка как случайная величина имеет распределение Пуассона. Для случайной величины, которая описывается этим распределением, характерно равенство первых двух моментов, т.е. дисперсия нагрузки совпадает с ее математическим ожиданием. Такая нагрузка называется пуассоновской нагрузкой первого рода и считается равномерной.

Если дисперсия нагрузки меньше ее математического ожидания, то нагрузку называют сглаженной, поскольку ее отклонения от среднего значения будут меньше, чем для пуассоновской нагрузки.

Нагрузка, у которой дисперсия больше математического ожидания, получила название скученной. В этом случае вызовы поступают неравномерно: для некоторых интервалов времени число поступивших вызовов мало, а на других интервалах число вызовов достигает значительной величины, т.е. вызовы группируются в коротких интервалах времени. К примеру, скученная нагрузка создается так называемым избыточным потоком вызовов, которые потеряны на пучке А и поступают для обслуживания на другой пучок В. Этот поток является прерывистым, так как на пучок В вызовы могут поступать только при условии, что в пучке А отсутствуют свободные соединительные устройства.

Скученность z нагрузки измеряется отношением дисперсии нагрузки D к ее математическому ожиданию Y:

z = .

Величина z, которая также называется коэффициентом скученности нагрузки, равна единице для равномерной (пуассоновской) нагрузки, меньше единицы для выровненной (сглаженной) нагрузки и больше единицы для скученной (избыточной) нагрузки.

Если на пучок соединительных устройств поступают сразу несколько п потоков вызовов, то математические ожидания Y_i этих нагрузок суммируются. Для статистически независимых потоков также суммируются и дисперсии D_i соответствующих нагрузок. Таким образом, математическое ожидание Y и дисперсия D суммарной нагрузки рассчитываются по следующим формулам:

, .

Коэффициент скученности объединенной нагрузки определяется следующим выражением:

. (5.1)

5.5 Характеристики нагрузки на участке ЦСИО

Как отмечалось выше, в ЦСИО по одним и тем же каналам связи передаются речевые потоки, потоки данных, изображения и др. При этом отдельные виды информации требуют скорости передачи, которую не обеспечивает стандартный цифровой канал с пропускной способностью 64 кбит/с. В такой ситуации на станциях и узлах У-ЦСИО реализуется режим многоканальной коммутации, когда в зависимости от категории вызова производится одновременное занятие нескольких стандартных цифровых каналов.

Как следствие, при математическом описании мультисервисных систем необходимо иметь в виду, что поток вызовов будет отличаться по своим свойствам от потока занятия каналов. В частности, даже при ординарном потоке поступающих вызовов поток занятия каналов будет неординарным, так как для обслуживания отдельных вызовов каналы занимаются группами. С учетом указанного обстоятельства следует различать два понятия нагрузки: нагрузка по вызовам и нагрузка на каналы.

Для некоторого пучка каналов мгновенная интенсивность обслуживаемой нагрузки по вызовам в момент времени t имеет значение j(t), равное числу одновременно обслуживаемых вызовов. В отличие от этого, интенсивность обслуживаемой нагрузки на каналы есть число j(t) одновременно занятых каналов в момент t. В общем случае i(t) ≠ j(t), так как один вызов может занимать сразу несколько каналов.

Из аналогичных соображений в мультисервисных системах с многоканальной коммутацией необходимо различать соответствующие виды поступающей нагрузки: по вызовам и на каналы. В частности, мгновенное значение интенсивности поступающей нагрузки по вызовам в момент времени t есть случайная величина, равная количеству вызовов, которые обслуживаются в рассматриваемый момент воображаемым пучком с бесконечным числом каналов.

Рассмотрим частный случай, когда для обслуживания каждого поступившего вызова требуется одинаковое число т свободных каналов. Тогда в любой момент времени обслуживаемая нагрузка на каналы будет в т раз больше обслуживаемой нагрузки по вызовам: i(t) = m·j(t). Если поток вызовов простейший и характеризуется параметром λ, то поступающая нагрузка по вызовам будет пуассоновской, а ее математическое ожидание Y_в и дисперсию D_B можно вычислить с помощью следующего соотношения:

Y_B = D_B = λ · h,

где h - среднее время обслуживания одного вызова.

В воображаемом бесконечном пучке каналов, как и в реальном пучке, число занятых каналов будет в т раз больше числа обслуживаемых вызовов. Отсюда вытекают выражения, позволяющие определить интенсивность поступающей нагрузки на каналы и ее дисперсию:

Y_k=m·Y_B = m·λ·h, D_k = m²·D_B = m²·λ·h. (5.2)

Здесь применяется следующее правило, известное из теории вероятностей: если случайная величина умножается на постоянный коэффициент, то на этот же коэффициент нужно умножить ее математическое ожидание, а дисперсия должна умножаться на коэффициент в квадрате.

Из приведенных формул видно, что D_k > Y_k_, и рассматриваемая нагрузка является скученной, что обусловлено неординарностью потока занятий каналов. При этом коэффициент скученности z_k равен числу каналов, которые требуются для обслуживания одного вызова,

(5.3)

При поступлении вызовов от источников разных категорий формулы (17.7) будут справедливы для математического ожидания и дисперсии нагрузки на каналы, которая создается вызовами i-й категории, i = :

Y_i = m_iλ_i h_i,

D_i = λ_i h_i.

Подставляя эти соотношения в формулу (12.1), можем найти коэффициент скученности объединенной нагрузки на каналы:

= (5.4)

Полученное выражение имеет следующий физический смысл: коэффициент скученности мультисервисной нагрузки равен средневзвешенному числу каналов , которые требуются для обслуживания вызовов отдельных категорий, с весами m_iλ_ih_i, равными интенсивности нагрузки на каналы, создаваемой вызовами этих категорий, i =.

6 Проектирование распределенного абонентского концентратора

6.1 Расчет шлюза доступа

Пусть задачи проектирования заключаются в следующем:

1) определить число шлюзов и емкостные показатели составляющего их оборудования.

2) определить транспортный ресурс подключения шлюзов доступа к пакетной сети.

Исходные данные для проектирования примем следующими.

Пользователи услуг связи разных типов:

а) абоненты, использующие аналоговые абонентские линии, которые

включаются в шлюз доступа (RAGW) – Npstn ;

б) абоненты, использующие линии базового доступа ISDN, которые

включаются в RAGW – isdn N ;

в) абоненты, использующие терминалы SIP/H.323, которые включаются в пакетную сеть на уровне коммутатора доступа – sh N ;

г) i _lan N – число пользователей, включаемых в одну LAN, где i – номер LAN, общее число сетей LAN, включаемых на уровне коммутатора

доступа, I, lan N .– общее число пользователей.

Рисунок 6.1 – Шлюз доступа в сети NGN

Здесь стоит обратить внимание на подключение абонентов, использующих терминалы SIP/ H.323. Эти абоненты включаются не в шлюз доступа, а непосредственно в коммутатор доступа. Помимо этого, сразу внесем небольшое уточнение относительно различия между sh N и lan N .

Существует две группы абонентов, использующих терминалы SIP/H.323, которые:

- подключаются непосредственно к коммутатору доступа, и их число

равно sh N ;

- подключаются к коммутатору при помощи LAN, и их число это

∑ Ni LAN , но в нашем случае, предположим, что все сети LAN одинаковые,

тогда это выражение будет выглядеть так: Ni LAN * I .

Для наглядности продемонстрируем схему (см. рисунок 6.2) подключения абонентов, о которых сказано выше.

Рисунок 6.2 - Варианты подключения терминалов SIP/H.323

д) УПАТС, использующие внешний интерфейс ISDN-PRA и включаемые в пакетную сеть через транкинговые шлюзы, где M – количество УПАТС;

N_m_{_} _pbx - число пользовательских каналов, подключаемых к одной 6lAON_m, где m - номер УПАТС; N_pbx - общее количество пользовательских каналов от всех УПАТС к шлюзу доступа;

ж) оборудование сети доступа с интерфейсом V5, включаемое в пакетную сеть через шлюзы доступа, где J - число интерфейсов V5, Nj _v5 - число пользовательских каналов в интерфейсе V5j, где j - номер сети доступа; N_v₅ - общее число пользовательских каналов V5.

Удельная нагрузка на линию, подключающую вышеописанных пользователей:

y_pstn =0,1 Эрл - удельная нагрузка на линию абонента ТфОП в ЧНН;

y_ISDN =0,2 Эрл - удельная нагрузка на линию абонента ISDN в ЧНН;

y_sh =0,2 Эрл - удельная нагрузка на линию абонента, использующего

терминалы SIP/ H.323 в ЧНН;

y_i_{_v5} = 0,8 Эрл - удельная нагрузка на линию, подключающую УПАТС по интерфейсу V5 (соединительная линия);

Y_m _pbx = 0,8 Эрл - удельная нагрузка на линию, подключающую

УПАТС по PRI (соединительная линия).

Параметры нагрузки для абонентов, использующих терминалы SIP/H.323 или подключенных к LAN, не рассматриваем в силу того, что они не создают нагрузку на шлюз, параметры которого мы рассчитываем, так как эти терминалы включаются непосредственно в коммутатор доступа. Их влияние мы примем в учет, когда будем рассматривать коммутатор доступа и сигнальную нагрузку, поступающую на Softswitch.

На практике при построении сети для расчета числа шлюзов, помимо рассчитанной нагрузки учитываются и допустимая длина абонентской линии, топология первичной сети (если таковая уже существует), наличие помещений для установки, технологические показатели типов оборудования, предлагаемого к использованию.

6.2 Расчет основных параметров шлюза доступа и коммутатора доступа

Определив количество шлюзов, можно рассчитать нагрузку на линии, подключаемые к каждому из шлюзов. Для каждого шлюза такие расчеты будут идентичны, различаться будут лишь параметры источников нагрузки.

Y_pstn – общая нагрузка, создаваемая абонентами ТфОП, и поступающая на шлюз доступа:

Y_pstn= N_pstn· y_pstn . (6.1)

Y_ISDN – общая нагрузка, создаваемая абонентами ISDN и поступающая на шлюз доступа:

Y_ISDN = N_ISDN · y_ISDN . (6.2)

Y_j_-v5 - общая нагрузка, создаваемая оборудованием доступа j, подключенным через интерфейс V5:

Y_j_-v5 = N_j_-v5·y_j_-v5 . (6.3)

Общая нагрузка, создаваемая оборудованием сетей доступа, подключенным через интерфейс V5, равна:

Y_v₅= ∑ Y_j_-v5= y_j_-v5∑N_j_-v5. (6.4)

Y_m_-pbx - нагрузка, создаваемая УПАТС m, подключенным по PRI:

Y_m_-pbx= N_m_-pbx·y_m_-pbx . (6.5)

Общая нагрузка, создаваемая оборудованием УПАТС:

Y_PBX= ∑ Y_m_-pbx= y_m_-pbx∑ N_m_-pbx . (6.6)

Выше рассчитаны нагрузки от абонентов различных типов, подключаемых к шлюзам. В нашем случае шлюзы реализуют функции резидентного шлюза доступа, шлюза доступа и транкингового шлюза подключения УПАТС, и к нему подключаются все рассмотренные выше источники нагрузки.

Тогда общая нагрузка на шлюз

Y_GW= y_j-v5∑N_j-v5 + y_m-pbx∑ N_m-pbx + N_pstn· y_pstn + N_ISDN · y_ISDN (6.7)

Стоит отметить, что суммарная нагрузка на линии, которые включаются в шлюз, будет равна нагрузке на сам шлюз, и для дальнейших расчетов примем, что эта нагрузка - на двустороннюю линию, т. е. как от абонента, так и к нему (см. рисунок 6.3).

Абонент Шлюз

Рисунок 6.3 - Нагрузка на линию

Кроме того допустим, что пользовательская нагрузка, поступающая на шлюз, будет равна исходящей пользовательской нагрузке (это позволяет нам не учитывать соединения в пределах одного шлюза).

Пусть V_COD_-m - скорость передачи кодека типа m при обслуживании вызова.

Значения V_COD_-m - для кодеков разных типов приведены в таблице 6.1.

Таблица 6.1 - Скорость передачи кодеков

Тип кодека	Скорость кодека V_COD_-m , кбит/с	Размер речевого кадра, байт	Общая длина кадра, байт	Коэффиц. избыточн. к	Требуемая пропускная способность V_trans_-cod , кбит/с
G. 711	64	80	134	134/80=1,675	108,8
G. 723.1 I/r	6,4	20	74	74/20=3,7	23,68
G. 723.1 h/r	5,3	24	78	78/274=3,25	17,225
G. 729	8	10	64	64/10=6,4	51,2

Полоса пропускания, которая понадобится для передачи информации при условии использования кодека типа m, определяется следующим образом:

V_trans-cod= k·V_COD-m ,

где k - коэффициент избыточности, который рассчитывается для каждого кодека отдельно, как отношение общей длины кадра к размеру речевого кадра.

Для примера рассмотрим популярный кодек G.711. Передаваемую информацию условно можно разделить на две части: речевую информацию и заголовки служебных протоколов. Сумма длин заголовков протоколов RTP/UDP/IP/Ethernet (а именно эти протоколы потребуются для передачи информации в нашем случае) 54 байта (12+8+20+14).

Общая длина кадра при использовании такого кодека 134 байта.

Тогда коэффициент избыточности: k = 134/80 = 1,675.

Смысл этого параметра можно сформулировать следующим образом: для того чтобы передать один байт речевой информации, необходимо в общей сложности передать кадр размером примерно 1,7 байт (см. рисунок 6.4).

ЗАГОЛОВКИ ПРОТОКОЛОВ {RTP/UDP/IP/ Ethernet)	РЕЧЕВАЯ ИНФОРМАЦИЯ
12+8+20+4 =54 байта	80 байт
134 байта

Рисунок 6.4 - Формат кадра G.711, передаваемого по IP сети

Обеспечение поддержки услуг передачи данных в телефонных сетях с коммутацией каналов и в сетях с VoIP осуществляется по-разному. Как известно, при помощи речевых кодеков нельзя передавать такую специфическую информацию, как факс, модемные соединения, DTMF и т.п. Часто для их передачи используется эмуляция каналов «64 кбит/с без ограничений». При расчете транспортного ресурса следует учитывать, что некоторая часть вызовов будет обслуживаться без компрессии пользовательской информации, т.е. будет полностью прозрачный канал без подавления пауз и с кодированием G.711.

Чтобы обеспечить передачу пользовательской информации по IP-сети, необходимо передавать и сообщения сигнальных протоколов, для передачи трафика которых также должен быть предусмотрен транспортный ресурс сети.

Если в оборудовании коммутатора доступа реализована возможность подключения абонентов, использующих терминалы SIP, H.323 либо LAN, то необходимо учесть соответствующий транспортный ресурс. Доля увеличения транспортного ресурса за счет предоставления базовой услуги телефонии таким пользователям может быть определена в зависимости от используемых кодеков и числа пользователей.

Если терминалы SIP и H.323 используются для предоставления мультимедийных услуг, то доля увеличения транспортного ресурса должна определяться, исходя из параметров трафика таких услуг, однако в данном курсовом проекте они рассматриваться не будут.

После определения транспортного ресурса подключения определяются емкостные показатели, т. е. количество и тип интерфейсов, которыми оборудование шлюза доступа будет подключаться к пакетной сети. Количество интерфейсов, помимо требуемого транспортного ресурса, будет определяться из топологии сети.

Для того чтобы рассчитать необходимый транспортный ресурс рассмотрим каждый шлюз отдельно.

При проектировании будем описывать шлюз последовательно двумя разными математическими моделями (см. рисунок 6.5):

- система массового обслуживания с потерями,

- система массового обслуживания с ожиданием.

При помощи первой модели, мы сможем определить, какое количество соединений будет одновременно обслуживаться проектируемыми шлюзами, а при помощи второй определим характеристики канала передачи данных, необходимые для передачи пользовательского трафика с требуемым качеством обслуживания.

6.3 СМО с потерями

Модели упрощают реальные физические процессы, и нам необходимо остановиться на нескольких важных допущениях, используемых в исследуемой модели.

Для предоставления услуг пользователям жестко определены параметры QoS для каждого типа вызовов, и в случае, если заявка не может быть обслужена с требуемым качеством (пропускная способность, тип кодека), она отбрасывается. Таким образом, потери в данной системе - это те вызовы, которые не могут быть обслужены ввиду отсутствия требуемого ресурса (определенного типа кодирования) для передачи данных. Такой подход имеет свое реальное воплощение в некоторых моделях оборудования.

В связи с тем, что информация на шлюзе обрабатывается при помощи различных кодеков (процентное соотношение используемых кодеков для каждого варианта приведено в задании на курсовое проектирование), она поступает в сеть с разной скоростью, и расчет исходящих каналов мы будем производить для каждого типа кодека отдельно. Таким образом, мы делим СМО на логические части по количеству используемых кодеков и рассчитываем при помощи описанного ниже алгоритма общую скорость канала без учета QoS передачи трафика по сети передачи данных.

Рисунок 6.5 - Логическое разбиение СМО на две части

Перейдем непосредственно к расчету.

Для кодеков всех типов алгоритм определения требуемого транспортного ресурса одинаков.

Пусть t - среднее время занятия одной абонентской линии.

В общем случае, необходимо учитывать среднее время занятия одной абонентской линии для каждого типа абонентов (абоненты квартирного сектора, пользователи офисных АТС и др.). Чтобы упростить расчеты, для кодеков абонентов всех категорий используем единую величину, ее значение принято равным 2 мин. t = 2 мин, µ - интенсивность обслуживания поступающих заявок, ρ - потери заявок.

Зная интенсивность потерь и пользуясь В – формулой Эрланга, найдем число виртуальных соединений, которые нам потребуется установить, чтобы предоставить услуги связи с заданным QoS.

x - число соединений, необходимое для обслуживания нагрузки, обрабатываемой кодеком определенного типа.

V_trans_-cod-i - полоса пропускания для одного соединения кодека типа i,

где N - количество соединений определенного типа на одном шлюзе. Таким образом, транспортный поток на выходе кодека i

V_c-i= V_trans_-cod-i · N . (6.9)

Тогда транспортный поток пользовательского трафика на выходе одного шлюза

, (6.10)

где L - число используемых кодеков.

Рассчитаем общий транспортный поток всех шлюзов:

_{,
(6.11)}

где М- количество шлюзов.

Рисунок 6.6 - Кодеки в шлюзе

6.4 СМО с ожиданием

В качестве СМО с ожиданием рассматривается тракт передачи данных (от шлюза до коммутатора доступа). Ранее мы определили ресурс, необходимый для обслуживания поступающей нагрузки, имея в виду вызовы. Теперь мы будем работать на уровне передачи пакетов.

Необходимо отметить, что в отличие от СМО с потерями, где в случае занятости ресурсов заявка терялась, в данном случае возникает задержка передачи пакета, которая при определенных условиях может привести к превышению требований QoS передачи трафика.

При нормальных условиях функционирования системы - задержка незначительная и практически не меняется. Но с увеличением нагрузки, в определенный пороговый момент получается так, что не все пакеты, поступающие в канал могут быть обслужены сразу же. Такие пакеты становятся в очередь, а следовательно, общее время их передачи увеличивается.

На вход СМО с ожиданием со шлюза поступают пакеты с интенсивностью λ.

Поскольку в зависимости от типа используемых кодеков пакеты попадают в сеть с различной скоростью, то нельзя сразу определить параметр λ, его необходимо рассчитать для каждого типа используемого кодека:

, (6.12)

где V_trans__cod - скорость передачи кодека, рассчитанная ранее;

L_packet-cod - общая длина кадра соответствующего кодека.

Теперь можно определить общую интенсивность поступления пакетов в канал:

, (6.13)

где N - число используемых кодеков.

Задержка, вносимая каналом при поступлении пакетов:

, (6.14)

где λ - суммарная интенсивность поступления заявок от всех каналов, ц -интенсивность обслуживания. Вне зависимости от размера пакета все они обслуживаются одинаково.

Значения сетевых задержек и их параметров нормируются стандартами ITU (см. рисунок 6.7): предельно допустимая задержка доставки пакета IP от одного пользователя коммерческих услуг VoIP к другому не должна превышать 100 мс. Задержку при передаче пакета вносят все сегменты соединения (сеть доступа, магистральная сеть и т.п.). Приблизительно можно считать вклад каждого сегмента одинаковым.

Абонент А Шлюз 1 Шлюз 2 Абонент Б

Общая задержка

Рисунок 6.7 - Составные части задержки

Зная величину допустимой задержки и интенсивность поступления заявок (пакетов), можно рассчитать интенсивность обслуживания заявок в канале, после чего определить допустимую загрузку канала:

(6.15)

Зная транспортный поток, поступающий в канал и зная, что этот поток должен загрузить канал на величину р, определим общую требуемую пропускную способность канала τ:

. (6.16)

Рассчитав транспортный ресурс, необходимый для передачи пользовательской и сигнальной информации от каждого шлюза на коммутатор доступа, рассчитаем общий входящий трафик, который поступает на коммутатор доступа.

Рассчитывать транспортный ресурс, необходимый для подключения коммутатора доступа к сети выходит за рамки данных расчетов, поэтому коммутатор доступа мы рассмотрим лишь для того, чтобы охватить возможные варианты абонентского доступа, а также показать, какое влияние оказывают абоненты различных категорий на общую сигнальную нагрузку.

Для передачи сигнального трафика обычно создается отдельный логический канал, параметры которого необходимо определить.

Пусть:

L_MEGACO - средняя длина (в байтах) сообщения протокола Megaco/H.248;

N_MEGACO - среднее количество сообщений протокола Megaco/H.248 при обслуживании одного вызова;

L_V₅_UA - средняя длина сообщения протокола V5UA;

N_V₅_UA - среднее количество сообщений протокола V5UA при обслуживании одного вызова;

L_IUA - средняя длина сообщения протокола IUA;

N _IUA - среднее количество сообщений протокола IUA при обслуживании одного вызова;

L_SH - средняя длина сообщения протоколов SIP/H.323;

N_SIP - среднее количество сообщений протоколов SIP/H.323 при

обслуживании одного вызова.

В коммутаторе доступа для обмена сообщениями протокола MEGACO, используемого для управления шлюзом, должен быть предусмотрен транспортный ресурс, который определяется формулой:

V_MEGACO= k_sig[(P_pstn· N_pstn+ P_ISDN· N_ISDN+ P_v₅· N_v₅ + P_PBX· N_PBX)L_MEGACO· N_MEGACO]/450,

^{где
Nv5 =
J · Nj-v5
, (6.17)}

N_PBX =M · N_m_–v5 , (6.18)

N_LAN= I · N_i_-LAN,

k_sig - коэффициент использования транспортного ресурса при передаче сигнальной нагрузки.;

P _pstnI - удельная интенсивность потока вызовов в ЧНН от абонентов,

использующих доступ по аналоговой телефонной линии;

P_ISDN - удельная интенсивность потока вызовов от абонентов, использующих базовый доступ ISDN;

P_V₅ - удельная (приведенная к одному каналу интерфейса) интенсивность потока вызовов от абонентов, подключаемых к пакетной сети через сети доступа интерфейса V5;

P_PBX - удельная (приведенная к одному каналу интерфейса) интенсивность потока вызовов от УАТС, подключаемых к пакетной сети;

P_SH - удельная интенсивность потока вызовов от абонентов, использующих терминалы SIP, H.323 (используется для терминалов, подключаемых как прямо к станции, так и при помощи LAN).

Сигнальный трафик в сети передается не равномерным непрерывным потоком, а отдельными блоками в течение всего сеанса связи.

Пусть T- длительность сеанса связи, а t1, t2,…,t 5 - длительности блоков сигнальной информации.

Тогда коэффициент k_sig показывает величину, обратную той части времени, которая отводится из всего сеанса связи для передачи сигнальной информации:

. (6.20)

Примем значение k_sig =5, что соответствует нагрузке в 0,2 Эрл (т. е.

одна пятая часть времени сеанса тратится на передачу сигнальной информации).

1/450 - результат приведения размерностей «байт в час» к «бит в секунду» (8/3600=1/450), значение 1/90, приведенное ниже, получается при использовании k_sig =5, и, следовательно, 5 ·1/450=1/90.

Для расчета транспортного ресурса шлюзов, необходимого для передачи сигнальной информации, используются те же параметры, что и для расчета транспортного ресурса гибкого коммутатора.

Так, для передачи сигнальной информации с целью обслуживания вызовов различных типов требуются следующие объемы полосы пропускания (бит/с):

V_ISDN= (P_ISDN· N_ISDN· L_IUA· N_IUA)/90, (6.21)

V_V_{5 =}(P_V₅· N_V₅· L_V_5UA· N_V_5UA)/90, (6.22)

V_PBX₌(P_PBX· N_PBX· L_IUA· N_IUA)/90, (6.23)

V_{SH =}(P_SH· N_SH· L_SH· N_SH)/90, (6.24)

V_{LAN =}(P_SH· N_LAN· L_SH· N_SH)/90. (6.25)

6.5 Расчет оборудования гибкого коммутатора

Основной задачей гибкого коммутатора при построении распределенного абонентского концентратора является обработка сигнальной информации обслуживания вызова и управление установлением соединений.

Рисунок 6.8 - Softswitch класса 5 в сети NGN

Пусть необходимо определить требуемую производительность оборудования гибкого коммутатора.

Исходные данные для проектирования

К сети NGN могут подключаться пользователи разных типов, и для обслуживания их вызовов будут использоваться разные протоколы сигнализации.

В соответствии с данными отраслевого документа «Общие технические требования к городским АТС» удельная интенсивность потока вызовов (среднее число вызовов от одного источника в ЧНН) соответствует значениям, приведенным в таблице 6.2

Т а б л и ц а 6.2

P_PSTN	P_ISDN	P_V5	P_PBX	P_SH
5	10	35	35	10

Общая интенсивность потока вызовов от источников всех типов, обрабатываемых гибким коммутатором:

P_CALL= P_pstn· N_pstn+ P_ISDN· N_ISDN+ P_SH· N_SH+ P_v5· N_v5 +

P_PBX· N_PBX + P_SH· N_LAN (6.26)

Удельная производительность коммутационного оборудования может различаться в зависимости от типа обслуживаемого вызова, т.е. производительность при обслуживании, например, вызовов ТфОП и ISDN, может быть разной.

В документации на коммутационное оборудование, как правило, указывается производительность для наиболее «простого» типа вызовов. В связи с этим, при определении требований к производительности можно ввести поправочные коэффициенты, которые характеризуют возможности обслуживания системой вызовов того или иного типа относительно вызовов «идеального» типа.

Таким образом, нижний предел производительности гибкого коммутатора ( P_SX) при обслуживании потока вызовов с интенсивностью P_CALLможет быть определен по формуле:

P_SX= k_pstn· P_pstn· N_pstn+ k_ISDN· P_ISDN· N_ISDN+ k_SH· P_SH· N_SH+

k_v5· P_v5· ∑N _j-v5 + k_{PBX ·} P_PBX· ∑N_m-BX + k_SH· P_SH· ∑ N _i-LAN.(6.26)

7 Расчет оборудования распределенного транзитного коммутатора

7.1 Расчет оборудования шлюзов

Рисунок 7.1 - Транспортный шлюз в сети NGN

Пусть необходимо опредлить число шлюзов, определить транспортный ресурс подключения транкинговых шлюзов к пакетной сети и емкостных показателей подключения.

Исходные данные для проектирования:

а) количество линий E1, используемых для взаимодействия источников нагрузки разных типов с оборудованием шлюзов:

- АТС, использующие систему сигнализации ОКС7 и подключаемые через транспортный шлюз MGW и сигнальный шлюз SGW;

- АТС, подключаемые по каналам ОКС7 непосредственно к Softswitch и через транспортный шлюз MGW к пакетной сети. В данном случае сигнальный шлюз реализуется в оборудовании Softswitch;

б) удельная интенсивность нагрузки на каналы, поступающей

oт ТфОП на транспортный шлюз;

в) удельная интенсивность нагрузки на каналы соединительных линий, поступающей от ТфОП;

г) типы кодеков в планируемом к внедрению оборудовании шлюзов. Вводятся следующие обозначения:

N_1- _E1 - число потоков Е1 от АТС ТфОП, подключенных к транспортному шлюзу l;

Y_E₁ - удельная нагрузка одного канала 64 кбит/с в составе Е1;

Y_l_-GW - общая нагрузка, поступающая на транспортный шлюз от АТС ТфОП;

V_INT - полезный транспортный ресурс одного интерфейса;

N_INT - количество интерфейсов;

I - число типов интерфейсов;

N_i_INT - количество интерфейсов типа I;

V_i _INT - полезный транспортный ресурс интерфейса типа I.

N_El - число интерфейсов E1, подключаемых к одному шлюзу.

Тогда значение удельной нагрузки (в эрлангах)

Y_l_-GW = N_1- _E1· 30 · Y_E₁ (7.1)

Значение удельной нагрузки у_Е1 при расчетах примем равным 0,8 эрл. Такая нагрузка считается допустимой для соединительных линий.

Расчет необходимого транспортного ресурса для передачи пользовательской нагрузки будет аналогичным тому расчету, который был приведен в шестой главе.

Число каналов и их скорость известна, следовательно, пользуясь формулой (6.12), определяем интенсивность поступления пакетов на шлюз. В таблице 7.1 приведены нормируемые ITU параметры QoS для передачи трафика разных классов. Трафик VoIP обычно относят к нулевому классу. Теперь по формуле (6.14) определим значение интенсивности обслуживания поступающих вызовов на коммутатор доступа.

Т а б л и ц а 7.1 - Значения параметров задержки

Сетевые характеристики	Классы QOS
Сетевые характеристики	1	2	3	4	5
Задержка доставки пакета IP, IPDT	100 мс	400мс	100мс	400мс	Н
Вариация задержки пакета IP, IPDV	50 мс	50 мс	Н	Н	Н
Коэффициент потери пакетов IP, IPLR	0,001	0,001	0,001	0,001	Н

По формулам (6.15) и (6.16) находим нагрузку канала и рассчитываем необходимый транспортный ресурс.

Для передачи сигнального трафика создается отдельный логический канал, параметры которого необходимо определить. Помимо пользовательской информации, на транспортный шлюз поступают сообщения протокола MEGACO, для которых также должен быть выделен транспортный ресурс, и его можно вычислить по формуле:

V_MEGACO= k_sig · L_MEGACO· N_MEGACO· P_MEGACO/450 (бит/c),

где P_MEEGACO - интенсивность поступления сообщений протокола MEGACO на шлюз в ЧНН; значение k_sig берем равным 5, как и в предыдущих разделах.

Таким образом, общий транспортный ресурс MGW (бит/с)

V_GW= τ + V_MEGACO.

Количество и тип интерфейсов подключения транспортного шлюза к пакетной сети определяется транспортными ресурсами шлюза и топологией пакетной сети.

Транспортный ресурс шлюза и количество интерфейсов связаны соотношением:

V_GW= N_INT· V_INT (бит/с).

Параметры интерфейса подключения к пакетной сети определяются, исходя из интенсивности обмена сигнальными сообщениями в процессе обслуживания вызовов.

Количество интерфейсов можно определить по формуле:

N_INT= V_GW/ V_INT ,

где V_INT - полезный транспортный ресурс одного интерфейса.

При физической реализации сигнального шлюза (ОКС7) совместно с транспортным, необходимо рассчитать транспортный ресурс сигнального шлюза, который потребуется для передачи сообщений протокола MxUA (M2UA или M3UA).

7.2 Расчет оборудования гибкого коммутатора

Основной задачей гибкого коммутатора (см.рисунок 7.2) при построении транзитного уровня коммутации является обработка сигнальной информации обслуживания вызова и управление установлением соединений. Требования к производительности гибкого коммутатора определяются интенсивностью потока вызовов, требующих обработки.

Рисунок 7.2 - Softswitch класса 4 в сети NGN

Пусть необходимо определить требуемую производительность оборудования гибкого коммутатора.

Производительность

Интенсивность потока поступающих вызовов определяется интенсивностью потока вызовов, приходящейся на один магистральный канал 64 кбит/с линии Е1, а также числом Е1, используемых для подключения станции к транспортному шлюзу.

Вводятся следующие обозначения:

P_CH - интенсивность потока вызовов, обслуживаемых одним магистральным каналом 64 кбит/с;

P_GW - интенсивность потока вызовов, обслуживаемых транспортным

шлюзом;

L - число транспортных шлюзов, обслуживаемых гибким коммутатором.

Интенсивность потока вызовов (выз/чнн), поступающих на транспортный шлюз l, определяется формулой:

P_l-GW= N_l-E1· 30 · P_CH.

Следовательно, интенсивность потока вызовов (выз/чнн), поступающих на гибкий коммутатор, можно вычислить как

Параметры интерфейсов подключения к пакетной сети

Параметры интерфейса подключения к пакетной сети определяются, исходя из интенсивности обмена сигнальными сообщениями в процессе обслуживания вызовов. При использовании гибкого коммутатора для организации распределенного транзитного коммутатора сообщения сигнализации ОКС7 поступают на Softswitch в формате сообщений протокола M2UA или M3UA, в зависимости от реализации.

Введем следующие обозначения:

Lmxua - средняя длина сообщения (в байтах) протокола MxUA;

Nmxua - среднее количество сообщений протокола MxUA при обслуживании вызова;

L_MEGACO - средняя длина сообщения (в байтах) протокола MEGACO, используемого для управления транспортным шлюзом;

N_MEGACO - среднее количество сообщений протокола MEGACO при обслуживании вызова;

P_SIG - интенсивность потока вызовов, обслуживаемых сигнальным

шлюзом.

Тогда транспортный ресурс Softswitch (бит/с), необходимый для обмена сообщениями протокола MxUA:

V_SX-MXUA= k_sig· Lmxua· Nmxua·P_SX/450,

где k - коэффициент использования ресурса.

Аналогично, транспортный ресурс гибкого коммутатора (бит/с), необходимый для обмена сообщениями протокола MEGACO:

V_SX-MEGACO= k_sig· L_MEGACO· N_MEGACO·P_SX/450.

Суммарный минимальный полезный транспортный ресурс Softswitch (бит/с), требуемый для обслуживания вызовов в структуре транзитного коммутатора:

V_SX= V_SX-MXUA+ V_SX-MEGACO.

Определение транспортного ресурса сигнального шлюза производится по аналогии с расчетом транспортного ресурса гибкого коммутатора. Необходимая полоса пропускания SGW определяется интенсивностью потока поступающих вызовов и объемом информации, требуемой для обслуживания каждого вызова.

Учитывая среднюю длину и количество сообщений протокола MxUA, необходимых для обслуживания одного вызова, можно вычислить транспортный ресурс (бит/с) сигнальных шлюзов для подключения к пакетной сети (с приведением размерностей):

V_SIG= k_sig· P_sig· Lmxua· Nmxua /45 .

7.3 Расчет оборудования сети IMS

На риcунке 7.3 представлена упрощенная схема архитектуры IMS. На ней изображены только основные функциональные элементы архитектуры, сертифицированной 3GPP. Рассмотрим сети ТфОП и IMS, между которыми организуется взаимодействие.

Рисунок 7.3 - Архитектура IMS. Стык сети ТфОП и IMS

Вызовы, создаваемые в сети ТфОП, попадают через оборудование шлюзов в сеть IMS, а именно к Softswitch, выполняющему роль MGCF.

От Softswitch информация поступает на I-CSCF, P-CSCF и S-CSCF, где начинается процесс обслуживания вызова. В зависимости от типа передаваемой информации и требуемой услуги для обслуживания вызова может быть задействован MRF и/или сервер (а) приложений (AS).

Во избежание путаницы, на рисунке 7.3 отмечены только те логические связи между элементами, которые имеют значение и/или учитываются при расчетах в курсовом проекте. На линиях, указан протокол, при помощи которого осуществляется взаимодействие между функциональными объектами.

7.4 Расчет необходимого транспортного ресурса, необходимого для обеспечения сигнального обмена с функцией S-CSCF

Попадая в сеть IMS, вызовы в конечном итоге обслуживаются одной из S-CSCF. Этот сетевой элемент представляет собой SIP-сервер, управляющий сеансом связи. Для выполнения своих функций он получает от других сетевых элементов всю информацию об устанавливаемом соединении и требуемой услуге (см. рисунок 7.4).

Рисунок 7.4 - S-CSCF в архитектуре IMS

Как уже было сказано во второй главе, функции IMS могут иметь разную физическую декомпозицию, то есть, они могут быть реализованы как в виде единого блока, обладающего всеми возможностями, так и представлять собой набор устройств, каждое из которых отвечает за реализацию конкретной функции. Независимо от физической реализации, интерфейсы остаются стандартными. Поэтому, рассчитав в отдельности каждую из функций, можно оценить требуемую производительность сервера как при отдельной ее реализации, так и в случае реализации совместно с другими элементами.

Задача

Определить транспортный ресурс функции S-CSCF, необходимый для обслуживания вызовов, учитывая только обмен сообщениями SIP.

Исходные данные для проектирования

Вызовы из сети ТфОП через оборудование шлюзов поступают на Softswitch (см. рисунок 7.4), который в архитектуре IMS выполняет функции MGCF. Softswitch по протоколу SIP обращается к I-CSCF, которая в свою очередь, в ходе установления соединения обменивается сообщениями SIP с S-CSCF. Через I-CSCF Softswitch передает S-CSCF адресную информацию, информацию о местонахождении вызываемого пользователя, а также информацию об услуге, запрашиваемой вызываемым абонентом. Получив эту информацию и обработав ее, S-CSCF начинает процесс обслуживания вызова. В зависимости от требуемой услуги, S-CSCF может обратиться к медиа-серверу (MRF) или к серверам приложений (AS). Таким образом, S-CSCF ведет сигнальный обмен с MGCF, I-CSCF, MRF, AS. В ходе предоставления речевых услуг существует также SIP-соединение с P-CSCF, но мы его не учитываем в процессе расчета транспортного ресурса, так как его влияние незначительно.

Введем следующие обозначения: Среднее число SIP сообщений при обслуживании одного вызова между :

a) SS и S-CSCF – _Nsip1l ;

b) MRF и S-CSCF – N_sip2 ;

c) AS и S-CSCF – N_sip3 ;

d) I-CSCF и S-CSCF - N_sip4 ;

Средняя длина сообщения SIP в байтах - L_sip;

X% - процент вызовов, при обслуживании которых требуется обращение к серверу MRF;

Y% - gроцент вызовов, при обслуживании которых требуется обращение к серверам приложений AS;

V_ss_-s-csc_f - транспортный ресурс между MGCF и S-CSCF, который требуется для обмена сообщениями по протоколу SIP во время обслуживания вызовов;

V_as_-s-csc_f - транспортный ресурс между серверами приложений (AS) и

S-CSCF, который требуется для обмена сообщениями по протоколу SIP во время обслуживания вызовов;

V_mrf-s-cscf - транспортный ресурс между MRF и S-CSCF, который требуется для обмена сообщениями по протоколу SIP во время обслуживания вызовов;

V_-csc_f-s-csc_f - транспортный ресурс между I-CSCF и S-CSCF, который

требуется для обмена сообщениями по протоколу SIP во время обслуживания вызовов;

V_s_-csc_f - общий транспортный ресурс S-CSCF, который требуется для

обмена сообщениями по протоколу SIP во время обслуживания вызовов.

Тогда общий требуемый транспортный ресурс будет равен суммарному транспортному ресурсу взаимодействия функции S-CSCF с другими элементами IMS архитектуры:

V_{s-csc f} = V_-csc_f-s-csc_f + V_mrf-s-cscf + V_as_-s-csc_{f +} V_ss_-s-csc_f ,

где V_ss_-s-csc_f =k_sig(L_sig·N_sig·P_sig)/450

V_as_-s-csc_f = k_sig(L_sig·N_sig·P_sig)/450

V_mrf-s-cscf= k_sig(L_sig·N_sig·P_sig)/450

V_-csc_f-s-csc_f= k_sig(L_sig·N_sig·P_sig)/450.

Значения P_sx, k_sig и L_sip, которые используются в формулах (40) -

(44), были рассчитаны или заданы в предыдущих разделах:

- Величина P_sx рассчитывается в разд. 4 при расчете оборудования гибкого коммутатора по формуле (40).

-Значение h_sig задается в разд. 4 при расчете шлюза доступа.

- Значение параметра L_sip совпадает со значением параметра L_sh.

7.5 Расчет необходимого транспортного ресурса, необходимого для обеспечения сигнального обмена с функцией I-CSCF

Так же, как и S-CSCF, функциональный элемент I-CSCF участвует в соединениях, затрагивающих взаимодействие разнородных сетей. Помимо функций SIP-прокси, он взаимодействует с HSS и SLF, получает от них информацию о местонахождении пользователя и об обслуживающем его S-CSCF.

Будем проводить расчет транспортного ресурса, необходимого для взаимодействия I-CSCF с другими элементами сети. Как видно из диаграммы и рис. 24, I-CSCF взаимодействует с S-CSCF, с Softswitch (MGCF), а также с P-CSCF и HSS. При расчете будем учитывать взаимодействие только с первыми двумя компонентами, так как взаимодействие с HSS происходит при помощи протокола DIAMETER, что выходит за рамки курсового проектирования.

Задача

Определить транспортный ресурс на I-CSCF для обеспечения сигнального обмена по SIP, необходимого для обслуживания вызовов.

Рисунок 7.5 - I-CSCF в архитектуре IMS

Данные для проектирования

I-CSCF связан SIP-соединением только с Softswitch (MGCF) и S-CSCF.

1) Число SIP-сообщений при обслуживании одного вызова между :

a) I-CSCF и S-CSCF - N_sip₄ ;

b) SSW и I-CSCF -N_sip5.

2) Средняя длина сообщения SIP в байтах - ^^sⁱ^p. Введем следующие обозначения:

V-_cscf - общий транспортный ресурс I-CSCF, который требуется для

обмена сообщениями по протоколу SIP во время обслуживания вызовов, V_ss_-i-cscf - транспортный ресурс между SoftSwitch и I-CSCF, который

требуется для обмена сообщениями по протоколу SIP во время обслуживания вызовов.

Тогда общий транспортный ресурс:

V_i-csc
f = V_{ss-i-csc f} + V_{i-csc f-s-csc f}.

Значение V_i_-cscf-_s_-_csc_f рассчитано ранее по (6.44), а V_ss__i-cscf вычисляется по формуле:

V_ss_{-i-csc f}= k_sig(L_sip· N_sip₅· P_sx .

На функциональную схему сети IMS необходимо нанести полученные результаты расчета транспортных ресурсов для S-CSCF и I-CSCF.

Список литературы

1. Телекоммуникационные системы и сети: Учебное пособие. В 3 томах. Том 3. – Мультисервисные сети / В.В. Величко, Е.А. Субботин, В.П. Шувалов, А.Ф. Ярославцев; под ред. проф. В.П. Шувалова. – М.: Горячая линия Телеком, 2005.

2. Гургенидзе А.Т., Кореш В.И. Мультисервисные сети и услуги широкополосного доступа. – СПб.: Наука и техника, 2003.

3. Филимонов А.Ю. Построение мультисервисных сетей Ethtrnet. – СПб.: БХВ-Петербург, 2007.

4. Крылов В.В., Самохвалова С.С. Теория телетрафика и ее приложения. - СПб.: БХВ-Петербург, 2005.

5. Лагутин В.С., Степанов С.Н. Телетрафик мультисервисных сетей связи. – М.: Радио и связь, 2000.

6. Ершов В.А., Кузнецов Н.А. Мультисервисные телекоммуникационные сети. – М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э.Баумана, 2003.

7. Шелухин О.И., Тенякишев А.М., Осин А.В. Фрактальные процессы в телекоммуникациях. – М.: Радиотехника, 2003.

8. Гольдштейн А.Б., Гольдштейн Б.С. SOFTSWITCH – СПб.: БХВ – Санкт-Тетербург, 2006.

Содержание

Введение 3

1 Мультсервисные телекоммуникационные сети 4

1.1 Особенности современных услуг связи 4

1.2 Понятие сети ССП и ее базовые принципы 6

1.3 Архитектура мультисервисной сети 8

1.4 Оборудование мультисервисной сети 13

2 Концепция построения мультисервисной сети IMS 17

2.1 Общее понятие технологии IMS 17

2.2 Причины перехода к IMS 18

2.3 Стандартизация IMS 20

2.4 Архитектура IMS 21

2.5 Услуги IMS 26

2.6 Дополнительные услуги в сетях IMS 27

3 Общая характеристика мультимедийного трафика 30

3.1 Классификация мультимедийного трафика 30

3.2 Понятие о самоподобном (фрактальном) трафике 33

4 Качество обслуживания в мультисервисных сетях 38

4.1 Функции качества обслуживания 38

4.2 Характеристики производительности сетевого соединения 39

4.3 Соглашение об уровне качества услуги (SLA) 42

5 Основные задачи математического моделирования мультисервисных

сетей 46

5.1 Система мониторинга и управления сетью 46

5.2 Математические методы моделирования мультисервисных сетей 48

5.3 Нагрузка мультисервисной сети 49

5.4 Скученность нагрузки 50

5.5 Характеристики нагрузки на участке ЦСИО 51

6 Проектирование распределенного абонентского концентратора 53

6.1 Расчет шлюза доступа

6.2 Расчет основных параметров шлюза доступа и коммутатора доступа 56

6.3 СМО с потерями 59

6.4 СМО с ожиданием 61

6.5 Расчет оборудования гибкого коммутатора 65

7 Расчет оборудования распределенного транзитного коммутатора 66

7.1Расчет оборудования шлюзов 66

7.2 Расчет оборудования гибкого коммутатора 69

7.3 Расчет оборудования сети IMS 71

7.4 Расчет необходимого транспортного ресурса, необходимого для обеспечения сигнального обмена с функцией S-CSCF 72

7.5 Расчет необходимого транспортного ресурса, необходимого для обеспечения сигнального обмена с функцией I-CSCF 74

Список литературы 76