eng
Содержание
Содержание
Предисловие научного редактора .............................................................................. 11
Предисловие .............................................................................................................. 13
Соавторы ................................................................................................................... 15
ЧАСТЬ I. МАГИСТРАЛЬНЫЕ СЕТИ И СЕТИ ДОСТУПА ................................. 18
Глава 1. Дорожная карта сетей связи следующего поколения
Мария Ангелеш Каллежо Родригез и Жозе Энрике Габейраш .................................... 18
1.1.
Требования к сетям NGN и роль QoS в Интернете будущего .................. 19
1.2.
Проблемы развития сетей NGN и связанные с этим рекомендации ...... 25
1.3.
Дорожная карта сетей следующего поколения ......................................... 32
Литература .......................................................................................................... 34
Глава 2. Глобальная сеть со сплошным покрытием: инфраструктура
сети датчиков и исполнительных механизмов
Хироши Сайто, Масато Мацуо, Осами Кагами, Шигеру Кувано,
Дайсэй Учида и Юйчи Кадо ....................................................................................... 36
2.1.
Введение....................................................................................................... 36
2.2.
Целевое применение и рынок сбыта.......................................................... 38
2.3.
Требования, концепция и система ............................................................. 40
2.4.
Опорная сеть ................................................................................................ 42
2.5.
Беспроводная сеть доступа [35] .................................................................. 47
2.6.
Беспроводной терминал ............................................................................. 56
2.7.
Интерфейс прикладного программирования и промежуточное ПО ......... 62
2.8.
Экспериментальная часть [36] .................................................................... 67
2.9.
Выводы ......................................................................................................... 76
Литература .......................................................................................................... 77
Глава 3. Проводные сети доступа
Скотт Рейнольдс ....................................................................................................... 80
3.1.
Введение....................................................................................................... 80
3.2.
Сети доступа на основе медных кабелей ................................................... 81
3.3.
Пассивные оптические сети ....................................................................... 97
3.4.
Гибридные коаксиальноBоптические сети ............................................... 119
3.5.
Заключение ................................................................................................ 124
Литература ........................................................................................................ 124
Глава 4. Беспроводные оптоволоконные сети: технологии, архитектура,
задачи на будущее
Навид Газисаиди и Мартин Мaйер .......................................................................... 127
4.1.
Введение..................................................................................................... 127
4.2.
Сравнение FiWiBсетей RoF и R&F ........................................................... 129
4.3.
Технологии сетей FiWi .............................................................................. 133
4.4.
Архитектура FiWi ....................................................................................... 138
6
Содержание
4.5.
ТехникоBэкономическая оценка .............................................................. 148
4.6.
Вызовы и требования будущего................................................................ 152
4.7.
Выводы ....................................................................................................... 157
Литература ........................................................................................................ 158
Глава 5. Пакетная транспортная сеть
Хао Лонг ................................................................................................................... 161
5.1.
Введение..................................................................................................... 161
5.2.
Транспортные сети Ethernet ...................................................................... 164
5.3.
Транспортные сети MPLS ......................................................................... 177
5.4.
Заключение ................................................................................................ 180
Литература ........................................................................................................ 180
Глава 6. Микроволновые транспортные сети
Рон Надив ................................................................................................................ 181
6.1.
Введение..................................................................................................... 181
6.2.
Основы микроволновой радиосвязи ........................................................ 183
6.3.
Различные виды технологий радиопередачи ........................................... 192
6.4.
Микроволновые радиосети ...................................................................... 196
6.5.
Альтернативные пути развития мобильных транспортных сетей .......... 211
Литература ........................................................................................................ 222
ЧАСТЬ II. ТЕХНОЛОГИИ ПРОВОДНЫХ СОЕДИНЕНИЙ ............................. 224
Глава 7. Дорога к высокоскоростному широкополосному доступу
по медному кабелю
Томас Мейджсэчер, Пер Одлин, Мигель Берг, Стефан Хёст,
Энрике Арейзага, Пер Ола Бергсон, Эдуардо Якоб .................................................. 224
7.1.
Введение..................................................................................................... 224
7.2.
Гибридные широкополосные сети доступа на основе оптоволоконных
и медных технологий ................................................................................ 227
7.3.
Технологии физического уровня последнего участка сети ..................... 232
7.4.
Юридические аспекты и регулирование.................................................. 238
7.5.
Прогнозирование производительности ................................................... 241
7.6.
Выводы ....................................................................................................... 243
Литература ........................................................................................................ 243
Глава 8. Динамическое распределение полосы пропускания в сетях
EPON и GPON
Бьёрн Скубик, Джайя Чен, Джаввад Ахмед, Бьяо Чен и Лена Восинска ................. 245
8.1.
Введение..................................................................................................... 245
8.2.
Стандарты PON ......................................................................................... 246
8.3.
Требования к передаче трафика ............................................................... 251
8.4.
Параметры производительности .............................................................. 252
8.5.
Схемы DBA ................................................................................................ 255
8.6.
Заключение ................................................................................................ 269
Литература ........................................................................................................ 269
Содержание 7
Глава 9. Пассивные оптические сети Ethernet следующего поколения: 10GBEPON
Марек Хайдуцзения и Энрике Дж. А. да Силва ........................................................ 272
9.1.
Сокращения ............................................................................................... 273
9.2.
Архитектура 10GBEPON ........................................................................... 274
9.3.
Совместимость сетей 1GBEPON и 10GBEPON........................................ 302
9.4.
Сфера применения систем 10GBEPON.................................................... 304
9.5.
Выводы ....................................................................................................... 306
Благодарность .................................................................................................. 307
Литература ........................................................................................................ 307
Глава 10. Широкополосный доступ по линиям электропередач
Ларс Торстен Бергер ................................................................................................ 308
10.1.
Введение ................................................................................................... 308
10.2.
Сценарии внедрения систем PLC .......................................................... 310
10.3.
Регулирование электромагнитной совместимости ............................... 312
10.4.
Характеристики канала связи ................................................................. 314
10.5.
Шумовые характеристики ...................................................................... 319
10.6.
Среднее отношение сигнал–шум ........................................................... 321
10.7.
Обзор технологий PLC ............................................................................ 322
10.8.
Выводы ..................................................................................................... 330
Литература ........................................................................................................ 331
Глава 11. Технология передачи информации по линиям электропередач
и интеллектуальная сеть
Тае Еунг Сунг ........................................................................................................... 336
11.1.
Введение ................................................................................................... 336
11.2.
Технология передачи информации по электрическим сетям ............... 337
11.3.
Характеристики каналов связи линий электропередач ........................ 345
11.4.
Методы связывания ................................................................................ 349
11.5.
Стандарты ................................................................................................ 350
11.6.
Практический пример ............................................................................. 350
11.7.
Интеллектуальные сети ........................................................................... 361
11.8.
Заключение .............................................................................................. 366
Благодарность .................................................................................................. 367
Литература ........................................................................................................ 367
ЧАСТЬ III. ТЕХНОЛОГИИ БЕСПРОВОДНОЙ СВЯЗИ
И УПРАВЛЕНИЕ СПЕКТРОМ............................................................................ 370
Глава 12. Сигнализация в мультимедийной конференцсвязи в сетях 4G:
архитектура, анализ и задачи
Чунян Фу, Ферат Кендек и Роч Глито ..................................................................... 370
12.1.
Основные положения: сети 4G, MANET и конференцсвязь ............... 371
12.2.
Сигнализация в конференцсвязи в сетях 4G ......................................... 380
12.3.
Межуровневая оптимизация систем сигнализации .............................. 391
12.4.
Заключение .............................................................................................. 400
Литература ........................................................................................................ 400
8
Содержание
Глава 13. Взаимное сосуществование и безопасность в когнитивных
радиосетях
Шамик Сенгупта, Сантанакришнан Ананд и Раджаратнам Чандрамули ............. 404
13.1.
Введение ................................................................................................... 404
13.2.
Обзор когнитивных радиосетей ............................................................. 406
13.3.
Проблемы и их решения ......................................................................... 408
13.4.
Сосуществование многочисленных сетей CR ....................................... 411
13.5.
Риск атаки эмуляцией основного пользователя.................................... 414
13.6.
Имитационное моделирование и его результаты .................................. 418
13.7.
Выводы ..................................................................................................... 421
Литература ........................................................................................................ 422
Глава 14. Мобильный вариант WIMAX
Ариан Саед ............................................................................................................... 425
14.1.
Введение ................................................................................................... 425
14.2.
Уровень MAC ........................................................................................... 435
14.3.
Обзор уровня PHY ................................................................................... 443
Благодарность .................................................................................................. 468
Литература ........................................................................................................ 468
Глава 15. Персональные сверхширокополосные сети:
технология MIMO
Шеран Витанаж, Магнус Сандрелл, Джастин П. Кун, Ю Вонг ............................. 470
15.1.
Введение ................................................................................................... 470
15.2.
Технология сверхширокополосной связи .............................................. 472
15.3.
Применение предварительного кодирования и нескольких антенн
в системах UWB....................................................................................... 478
15.4.
Выбор передающей антенны .................................................................. 483
15.5.
Формирование адаптивной диаграммы направленности
при передаче в UWBBсистемах ............................................................... 491
15.6.
Заключение .............................................................................................. 495
Благодарность .................................................................................................. 495
Литература ........................................................................................................ 495
ЧАСТЬ IV. ГОРОДСКИЕ, ОПОРНЫЕ СЕТИ И СЕТИ
ХРАНЕНИЯ ДАННЫХ ......................................................................................... 498
Глава 16. Городская интегрированная сеть доступа следующего поколения:
интеграция технологий и конвергенция беспроводных сетей
Шин9Ва Уон, Диванилсон Р. Кампело и Леонид Г. Казовский ................................. 498
16.1.
Исследования в области городских сетей и сетей доступа ................... 499
16.2.
Интеграция городских и широкополосных сетей доступа ................... 506
16.3.
Конвергенция оптических и беспроводных сетей доступа................... 517
16.4.
Будущее городских сетей доступа........................................................... 529
Благодарность .................................................................................................. 532
Литература ........................................................................................................ 532
Содержание 9
Глава 17. Отказоустойчивая кольцевая сеть с пакетной передачей:
новая технология городских сетей следующего поколения
Юэфэн Цзи и Синь Лю ............................................................................................. 535
17.1.
Введение ................................................................................................... 535
17.2.
Обзор технологии отказоустойчивой кольцевой сети RBR .................. 540
17.3.
Структура узла сети RBR ........................................................................ 545
17.4.
Схема управления RBR ........................................................................... 547
17.5.
Стратегия QoS в сети RBR ...................................................................... 549
17.6.
Оценка эффективности сети RBR.......................................................... 553
17.7.
Выводы ..................................................................................................... 556
Литература ........................................................................................................ 557
Глава 18. Мультипротокольная коммутация по меткам
Марио Бальди .......................................................................................................... 559
18.1.
Почему MPLS?......................................................................................... 559
18.2.
Основная идея и принципы работы ....................................................... 563
18.3.
История MPLS ......................................................................................... 573
18.4.
Протоколы и функции ............................................................................ 576
18.5.
MPLS и другие термины ......................................................................... 589
Литература ........................................................................................................ 597
Глава 19. Сети хранения данных
Юджин Ортенберг и Кристиан фан ден Бранден .................................................... 599
19.1.
Введение ................................................................................................... 599
19.2.
Введение в сети хранения данных .......................................................... 599
19.3.
Концепция сети хранения данных ......................................................... 603
19.4.
Применение сетей хранения данных ..................................................... 612
19.5.
Протоколы сетей хранения данных ....................................................... 621
19.6.
Протоколы NAS ....................................................................................... 650
19.7.
Виртуализация ......................................................................................... 652
19.8.
Выводы ..................................................................................................... 658
Литература ........................................................................................................ 658
ЧАСТЬ V. ТЕХНОЛОГИЯ ФОТОННЫХ И ЭЛЕКТРОННЫХ
ИНТЕГРАЛЬНЫХ СХЕМ ..................................................................................... 660
Глава 20. Перестраиваемые оптические мультиплексоры ввода/вывода
и технологии селективной коммутации по длинам волн
Нео Антониадес, Хорхес Эллинас, Джонатан Хома и Криша Бала ........................ 660
20.1.
Введение ................................................................................................... 660
20.2.
Архитектура ROADM следующего поколения ...................................... 667
20.3.
Коммутация с селекцией по длине волны ............................................. 671
20.4.
Использование ROADM ......................................................................... 682
20.5.
Заключение: тенденции будущего .......................................................... 686
Литература ........................................................................................................ 687
10
Содержание
Глава 21. Интегральные микросхемы для компенсации дисперсии
в оптических каналах связи
Энтони Кхан Карусон, Фэйсал А. Муса, Джонатан Сюутер
и Джордж Эндж ...................................................................................................... 689
21.1.
Мотивация ............................................................................................... 689
21.2.
Дисперсия в оптическом волокне .......................................................... 690
21.3.
Электронная компенсация дисперсии с линейной коррекцией .......... 695
21.4.
Фильтры с конечной импульсной характеристикой ............................. 696
21.5.
Электронная компенсация дисперсии с помощью IIRBфильтров ......... 711
21.6.
Электронная компенсация дисперсии с коррекцией
нелинейных искажений и решающей обратной связью ...................... 714
21.7.
Альтернативные методы компенсации дисперсии ............................... 716
21.8.
Заключение .............................................................................................. 718
Литература ........................................................................................................ 718
Глава 22. Высокопроизводительные оптические интегральные
микросхемы
Бернард Голл, Роберт Свобода и Хорст Циммерманн .............................................. 721
22.1.
Оптическое поглощение в полупроводниках ........................................ 721
22.2.
PinBфотодиод ........................................................................................... 724
22.3.
Интегральные фотодиодные приемники............................................... 733
22.4.
Заключение .............................................................................................. 743
Литература ........................................................................................................ 743
Глава 23. Беспроводной MIMOBтрансивер с поддержкой гибридного запроса
повторной передачи
Димитрис Тумпакарис, Жунгвон Ли, Эдвард В. Янг, Хай9Линг Лоу
и Джон М. Чоффи .................................................................................................... 745
23.1.
Введение ................................................................................................... 745
23.2.
Применение HARQ в беспроводных системах MIMO ......................... 747
23.3.
Реализация передатчика ......................................................................... 750
23.4.
Архитектуры приемника ......................................................................... 754
23.5.
Моделирование HARQ в беспроводных системах MIMO .................... 771
23.6.
Заключение .............................................................................................. 780
Литература ........................................................................................................ 781
Глава 24. Радиочастотные трансиверы
Алиреза Зольфагари, Хуман Дараби и Генрик Йенсен .............................................. 783
24.1.
Архитектуры передатчиков ..................................................................... 783
24.2.
Архитектура приемника .......................................................................... 792
24.3.
Практические примеры .......................................................................... 794
Литература ........................................................................................................ 799
Предметный указатель ............................................................................................ 800
Часть 1
Сети с прямым доступом и с обратной связью
Глава I
Ориентиры развития сетей связи следующего поколения
Мария Ангелеш Каллежо Родригез и Жозе Энрике Габейраш
В последние годы по всему миру был запущен ряд проектов, призванных способствовать построению Интернета будущего (такие как GENI [1] и FIND [2] в США,
недавно созданный в Европе Future Internet Assembly [3] и Akari Project [4] в Японии). Во всех этих инновационных программах сообщества разработчиков предлагают новые стратегии развития существующего Интернета, которые с точки
зрения поддержания статус кво являются либо революционными, либо эволюционными. В случае революционных подходов, то есть при проектировании новых сетей, что называется, «с чистого листа», это правило предлагается использовать с самых первых этапов разработки (таких как обеспечение безопасности или
новая технология сетевой виртуализации), отбрасывая любые требования для обеспечения совместимости с существующей инфраструктурой. С другой стороны,
эволюционный путь в качестве отправной точки рассматривает существующую
инфраструктуру Интернета и предполагает преобразование архитектуры существующих сетей следующего поколения для соответствия требованиям будущих сервисов.
Цель этой главы – представить: а) обзор того, как проходит эволюция сетей
связи следующего поколения (NGN – Next Generation Communication Networks),
и б) описание ее роли в создании Интернета будущего. Также целью данной главы
является определение основных требований к сетям будущего, кроме того, в ней
обсуждается, как улучшение возможностей существующих сетей NGN позволит
обеспечить эти требования. Чтобы сделать такой обзор, в главе описывается набор целей, которым должны соответствовать сети будущего с учетом поведения
пользователей и развитием трафика Интернета, затем анализируются основные
проблемы и решения, связанные с обеспечением качества предоставляемых услуг
(QoS – Quality of Service), и, наконец, предлагается схема развития, которая должна задавать направление эволюции существующих сетей в Интернете будущего
с множественным доступом и множественной транспортировкой данных.
1.1. Требования к сетям NGN и роль QoS в Интернете будущего 17
1.1. Требования к сетям NGN и роль QoS
в Интернете будущего
В качестве первого шага построения Интернета будущего необходимо проанализировать ожидаемую эволюцию поведения пользователей Интернета. Одна из основных черт, характеризующих планирование работы сетей, имеющихся в настоящее
время, – это высокая неопределенность эволюции требований, предъявляемых к
этим сетям пользователями. В наши дни пользователи характеризуются разнообразием. Существует много различных приложений с разнообразными требованиями (сообщения «точка–точка», потоковая передача, передача голоса по протоколу
IP, блоги, социальные сети, чаты, игры и пр.), доступ к которым может производиться с различных устройств (мобильные устройства, персональные компьютеры,
игровые приставки и т.п.) с использованием различных способов подключения (мобильные подключения разных типов, стационарные подключения с разными способами передачи данных).
Были предприняты многочисленные попытки оценить, как ведут себя различные пользователи Интернета, но, вероятно, для определения потребностей
Интернета будущего наилучшим подходом для предсказания будущих пользовательских ожиданий могла бы являться классификация поведения пользователей
в зависимости от их возраста. В этом смысле основные группы поколений иденифицируются следующим образом:
• поколение X (родившиеся в 1960–1970 е годы) использует Интернет для
веб серфинга и доступа к электронной почте;
• поколение Y (родившиеся в 1980 х годах) использует Интернет в течение
всего дня, поэтому оно оценивает подключения к нему с точки зрения повсеместной распространенности и надежности;
• и, наконец, поколение Z (родившиеся в 1990–2000 х годах) привыкло к технологическим переменам и гораздо лучше знакомо с технологиями [5]. Это
поколение находится в сети почти постоянно и в течение всей жизни использует сети связи и медиатехнологии.
Ясно, что даже на протяжении небольшого отрезка времени появляются новые
модели использования сетевых технологий; это связано с тем, что предлагается
все более увеличивающийся набор сервисов, а с также тем, что люди начинают
пользоваться Интернетом с более раннего возраста. Следовательно, в зависимости от возможностей взаимодействия, при развитии сетей следующего поколения
необходимо рассматривать множество новых требований: сети будущего должны
обеспечивать выполнение новых требований к трафику и требований надежности, которые позволят конечным пользователям доверять доступности подключения, повсеместность доступа к сети, безопасность при использовании услуг, гибкость в удовлетворении различных требований, прозрачность и открытость, не
препятствующие развитию новых услуг, и способность предоставлять перспективные сервисы, объединяющие в себе все эти характеристики.
Важным индикатором для оценки пропускной способности каналов, которую должны обеспечивать сети будущего, являются оценки роста трафика в бли18 Глава 1. Ориентиры развития сетей связи следующего поколения
жайшие годы. По информации компании Cisco [6], как показано на рис. 1.1 (там
же), мы можем отметить значительный рост потребностей в новых мультимедийных приложениях, таких как онлайновые игры, потоковое видео или видеоконференции, требующих более высокой производительности сетей или гарантированной услуги QoS.
Рис. 1.1. Развитие интернет трафика по типу приложений [6]
Более того, это особенно важно для нового поколения молодых людей (о котором было упомянуто выше), которое всегда «висит» в Интернете ; для них можно организовывать собственные сервисы и обеспечивать подключение как важную услугу, за которую они готовы платить, чтобы иметь возможность доступа к
широкому набору интернет услуг. Предоставление сервисов подключения с улучшенным QoS станет ключевым элементом для бизнес модели операторов в Интернете будущего.
Из за той стратегической роли, которую стандарты играют в инновациях,
конкуренции и регулировании, в процессе создания сетей NGN важно обнаруживать изъяны в стандартизации, чтобы гарантировать честную игру различных
участников во время создания схемы будущего развития технологий. В этом контексте ключевую роль будут играть спецификации архитектуры сетей следующего поколения. Но каковы же основные цели создания таких сетей? Большинство
согласно с тем, что они могут быть выражены следующими основными положениями.
• Предоставление услуг высокого качества. В понятие «сети нового поколения» мы включаем эволюцию технологий доступа и внутренней организации, которые способны обеспечить более высокую полосу пропускания как
мобильных, так и стационарных сетей. Развитие этих технологий и является одной из основных тем, рассматриваемых в следующих главах.
• Эффективная среда доставки различных услуг. Важным вопросом, связанным с
сетями нового поколения, является интеграция новых сервисов в IP-сети. Все
эти сервисы должны быть интегрированы таким образом, чтобы были обеспе
чены возможности операторского уровня. Это позволит операторам предоставлять услуги (как по месту работы, так и по месту жительства) по одной сети.
0
2 000 000
4 000 000
6 000 000
8 000 000
10 000 000
12 000 000
14 000 000
2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011
Передача голоса
по протоколу IP
Видеоконференции
Игры
Соединения
«точка–точка»
Веб
Тб/месяц
1.1. Требования к сетям NGN и роль QoS в Интернете будущего 19
Кроме того, должно быть обеспечено предоставление таких же возможностей другим поставщикам услуг, не имеющим собственной сетевой инфраструктуры. Для эффективного выполнения такого сценария все возможности, связанные с предоставлением различных услуг в сетях NGN, должны быть
реализованы таким образом, чтобы управление ими было простым и для
операторов, и для конечных пользователей.
• Интеграция мобильных и стационарных сетей и сервисов. Поскольку конечные пользователи привыкли подключаться к Интернету посредством различных устройств и через разнотипные сети, то будет естественным ожидать, что в будущем все сервисы будут доступны из сетей всех типов путем
адаптации к характеристикам передачи этих сетей и оконечных пользовательских устройств.
В этой главе будет рассматриваться, как возможности управления сетями NGN
должны развиваться, чтобы сделать возможным обеспечение QoS и конвергенцию
сетевых сервисов, независимо от того, используется ли стационарный или мобильный доступ. Это означает, что необходимо избегать ненужного усложнения, которое может сделать принятые решения невыполнимыми на практике. В этой главе
не будет рассматриваться эволюция сетевых технологий, которые могли бы обеспечить более развитые сетевые функции (этому посвящены остальные части этой
книги), а основной упор будет сделан на то, как различные механизмы управления
этими функциями должны быть реализованы и стандартизированы, чтобы сделать
возможным достижение целей, поставленных перед сетями нового поколения.
Чтобы оценить пути реализации таких механизмов, прежде всего необходимо
рассмотреть структуру этих сетей. В документе ITU-T [8] показан и описан предварительный проект архитектуры сетей NGN. В этой архитектуре можно различить следующие уровни.
• Транспортный уровень, включающий:
Транспортные функции (в сетях доступа, сетях масштаба крупных городов и базовых сетях). Развитие данных функций связано с эволюцией
сетевых технологий (новые оптические решения для базовых сетей,
FTTH, новые механизмы беспроводной связи и пр.).
Функции управления транспортом (ресурсами и поступлением данных,
а также сетевой оснасткой). В настоящее время существуют несколько
видов стандартизации, касающихся направлений развития этого слоя:
ETSI/TISPAN [9], 3GPP [10] и ITU-T [11].
• Сервисный уровень, который включает функции управления сервисами (в
том числе сервисы, обслуживающие профиль пользователя) и функции
обеспечения сервисов и приложений. В принципе любой сервисный уровень может использовать возможности транспортного уровня, но наиболее
четким вариантом стандартизации (а также коммерческого применения)
пока является IMS (мультимедийная подсистема IP), развиваемая в проекте 3GPP, описывающем среду, в которой сетевой оператор.
Таким образом, принимая во внимание предсказываемые запросы пользователей к качеству услуг и рассматривая различные технологически ориентированные решения, предлагаемые для обеспечения сетями NGN требуемого уровня QoS,
20 Глава 1. Ориентиры развития сетей связи следующего поколения
одной из главнейших и сложных задач можно считать гарантированное обеспечение требований пользователей к QoS между конечными точками, вовлеченными
в коммуникационный процесс, затрагивающий несколько сегментов сети. Как
объясняется в документах ITU T [7] и [8], новая архитектура должна быть разработана так, чтобы обеспечивать выполнение этой цели, главная особенность которой – объединение и синхронизация задач, выполняемых на различных уровнях сетей при передаче данных из конца в конец (e2e – end-to-end). Более того,
решение должно также предусматривать взаимодействие с домашним шлюзом,
поскольку этот объект отвечает за управление домашней сети – первым и/или
последним звеном в цепочке сетевых соединений, и будут играть ключевую роль
в обеспечении качественной связью конечных пользователей.
В этом смысле возможности управления транспортом являются важнейшим
элементом, необходимым для успешного выполнения требований QoS при передаче из конца в конец. Несмотря на то, что многочисленные усилия по стандартизации, которые привели к разработке и воплощению этой функции управления в документах ETSI/TISPAN [9], 3GPP [10] и ITU T [11], общего решения до
сих пор не существует, поскольку каждый из предлагаемых вариантов стандарта
основывается на различных технологиях, и предлагаемые решения содержат различные интерфейсы для резервирования и выделения ресурсов. Таким образом, к
настоящему времени реализованы только частичные решения по обеспечению
QoS в отдельных базовых технологиях, не имеющие существенного значения для
передачи данных из конца в конец. Кроме того, эти решения обычно требуют ручного конфигурирования администратором (что приводит к значительным операционным затратам) и, таким образом, изменение конфигурации по интерактивным запросам пользователей при таких решениях крайне затруднено.
В следующем разделе будет приведен обзор экспериментальной системы, предназначенной для решения этой проблемы (система EuQoS). Она разработана для
создания основы, способной обеспечить e2e QoS для конечных пользователей при
работе в гетерогенных сетях. Разработка этой системы и ее внедрение позволили
авторам решить проблемы, имеющиеся в настоящее время в существующих спецификациях управления транспортными функциями сетей NGN, и предоставить
ряд рекомендаций по разработке архитектуры, способной реализовать интеграцию стационарного и мобильного доступа для обеспечения IP сервисов операторского уровня.
1.1.1. Система EuQoS как решение для обеспечения QoS
при передаче данных из конца в конец
Главным достижением проекта EuQoS [12] стали проектирование, разработка,
интеграция, тестирование и утверждение механизмов QoS в гетерогенных сетях
при сохранении принципа открытости Интернета. В сущности, система EuQoS
обеспечила новый подход, который позволяет оператору сети получать преимущества от того, что требования новых интернет сервисов становятся движущей
силой новых коммерческих предложений, основанных на улучшенных возможностях, затребованных конечными пользователями.
1.1. Требования к сетям NGN и роль QoS в Интернете будущего 21
Архитектура этой системы, представленная в работе Каллежо и др. [13], дает
возможность операторам обеспечивать качественное соединение конечных
пользователей по гетерогенным сетям. Такой подход рассматривает нейтральность
сети как требование к Интернету будущего, выдвигаемое и пользователями, и регуляторами, и, следовательно, система должна давать возможность конечному
пользователю затребовать от сети специфический тип услуг (реального времени,
нереального времени и т.д.) независимо от конкретных услуг, предоставляемых
данным провайдером. Это означает, что нельзя заранее установить связь между
приложениями и уровнями сервиса. Система EuQoS способна гарантировать e2e
QoS в соответствии с требованиями пользователя путем координации работы механизмов QoS, имеющихся в различных сетевых технологиях и встречающихся
на пути прохождения сигнала. Это достигается определением набора хорошо известных классов обслуживания e2e (известных конечному пользователю), которые ставятся в соответствие с различными базовыми сетевыми механизмами в
каждом коммуникационном сегменте. Для обеспечения масштабируемости такого решения используются два подхода: долговременный период предоставления
услуг (ресурсы резервируются в соответствии с интегральными показателями масштабов сети и ожидаемыми потребностями пользователей) и краткосрочный период сессий, устанавливаемых конечными пользователями (процессы, применяющиеся в технологиях доступа, должны вызываться для обеспечения соединения
на долгосрочный период).
Для построения и использования маршрутов с гарантированной QoS, а также наблюдения за их состоянием в работе Каллежо и др. [13] была предложена
многоуровневая архитектура. Она изображена на рис. 1.2, где показаны основные уровни и интерфейсы. Кратко опишем реализованную в ней функциональность.
• Плоскость услуг обеспечивает интерфейс QoS по требованию, который дает
возможность конечным пользователям запросить для своих приложений гарантированное QoS. Кроме того, в ней выполняются аутентификация, авторизация, управление учетными записями (AAA – Authentication, Authorization
and Accounting) и начисление платы за услуги. Этот интерфейс обеспечивает
QoS как службу, которая может быть использована любым приложением или
другой службой без необходимости интеграции в плоскость услуг полного
стека прикладной сигнализации.
• Плоскость управления отвечает за работу процедур управления для обеспечения QoS как на этапе запроса данных, так и на этапе их получения. Плоскость управления разделена два уровня.
• Уровень, не зависимый от сетевых технологий, предоставляет опорную
точку, которая используется плоскостью услуг и домашним шлюзом, чтобы запрашивать резервирование ресурсов, он управляет абстрагированной
топологией домена, поддерживает набор правил оператора, определяет
местоположение пользователей и взаимодействует с другими доменами,
вовлеченными в маршрут e2e с гарантированным QoS, используя интерфейс, предоставляемый другими не зависимыми от сетевых технологий
уровнями.
22 Глава 1. Ориентиры развития сетей связи следующего поколения
• Уровень, зависимый от сетевых технологий, предоставляет хорошо извест
ный интерфейс для независимых уровней и соотносит классы обслужива
ния e2e со специфическими базовыми механизмами сети, применяет спе
циальные алгоритмы входного контроля (например, в мобильных сетях он
может учитывать физические параметры, а в стационарных сетях эта воз
можность опциональна) и взаимодействует с сетевым оборудованием для
настройки политики QoS.
Согласно замыслу и оценке системы EuQoS, следующие принципы должны
обеспечиваться при создании спецификации возможностей управления сетями
будущего.
1. Должен предоставляться набор хорошо известных независимых от техно
логий классов обслуживания. Эти e2e классы обслуживания должны до
пускать реализацию сервисов при использовании различных технологий без
необходимости применения специфических для каждого типа сети реше
ний. Такие классы перечислены в ссылке 14.
2. Необходимо провести разграничение между различными уровнями и соз
дать четкую спецификацию опорных точек на каждом уровне или плоско
сти. Это позволит реализовать многочисленные сценарии поверх одной и
той же инфраструктуры (с возможностями прямого доступа к слою управ
ления для домашнего шлюза или провайдера услуг; домашний пользова
тель сможет использовать интерфейс QoS по требованию).
3. Необходимо различать механизмы, зависимые и не зависимые от сетевых
технологий. Это сделает внедрение решений более простым. Поставщики
услуг, или вендоры, должны лишь обеспечить общий интерфейс для при
менения возможностей QoS в их системах управления. Более того, если в
будущем такой интерфейс будет предоставляться сетевым оборудованием,
разработка специальных систем управления окажется ненужной.
Все эти принципы применимы к проектированию систем управления с целью
обеспечения гарантированного QoS, но некоторые из них можно использовать и
при разработке других элементов.
Рис. 1.2. Архитекутра EuQoS (опорные точки и протоколы)
NSIS
SOAP
Пользователь
EuQoS Плоскость услуг
EQ SAP
NSIS
Слой управления
Не обусловленный
технологиями Домашний
NSIS шлюз
Обусловленный
технологиями
COPS
Реализация,
зависимая от технологий
Схема
транспортного уровня
QoS
по требованию и связанные с этим рекомендации
На основании опыта авторов в разработке, внедрении и проверке систем, способных обеспечить услугу QoS в гетерогенных сетях, в этом разделе определяется ряд
проблем, связанных с разработкой сетей NGN, рассматриваются возможности и
даются рекомендации по их преодолению, которые могут ускорить процессы стандартизации некоторых инициатив ITU T по развитию сетей NGN в области обеспечения возможности конечных пользователей управлять услугами, такими как
AMS (Advanced Multimedia System – улучшенная система мультимедиа), а также
любой другой процесс стандартизации.
1.2.1. Проблемы эффективного обеспечения QoS
В результате множества приведенных в данной работе исследований различных
решений и архитектур были обнаружены возможные узкие места в существующих стандартах и коммерческих решениях.
Проблема 1: интеграция сигналов от приложений в сетях NGN. Большинство
современных спецификаций сетей NGN предполагает интеграцию прикладной
сигнализации. Это означает, что для предоставления QoS некоторым специфическим службам такая сеть должна не только знать о существовании этой сигнализации, но также участвовать в процессе согласования служб между собой (при
выборе кодеков, обнаружении пользователей и др.).
Широко известным примером является IMS, которая описывает использование протокола SIP (Session Initiation Protocol – протокол инициализации сессии)
как единственного способа взаимодействия с функцией P CSCF (Proxy Call Session
Control Function – прокси сервер управления вызовами и сеансами, который является первым местом взамодействия конечного пользователя с управляющими
объектами IMS). Если обнаружится, что протокол SIP не подходит для работы с
различными приложениями или сервисами, основа управления IMS становится
бесполезной в качестве плоскости услуг (или на уровне приложений) NGN в сетях Интернета будущего для любых типов приложений. К тому же имеется некоторое количество жалоб от разработчиков приложений в связи с недостатком спецификаций, описывающих действия в случае обнаружения сигнализации приложения.
Более того, необходимо учитывать большое разнообразие протоколов приложений, используемых сейчас в Интернете (MSN, Skype, приложения потоковой связи «точка–точка» и т.п.), сохранение существующих принципов разработки может привести к сложным системам, где несколько шлюзов должны быть
интегрированы для взаимодействия с наиболее популярными пользовательскими приложениями, причем не обязательно основанными на протоколе SIP. Наконец, если мы примем во внимание, что в Интернете будущего пользователи будут не только потреблять услуги, но и предоставлять их и даже создавать новые,
можно ожидать, что в будущем появятся разнообразные приложения, не использующие IMS.
Резюмируя, скажем, что требование интеграции в NGN прикладной сигнализации может привести к двум основным сценариям.
• Сложные системы, ответственные за управление многочисленными сигнальными протоколами или с несколькими шлюзами, в которых предоставление перспективных услуг для новых (и, возможно, популярных среди
пользователей) приложений будет занимать больше времени. Этот сценарий может привести к появлению решений, управление которыми будет
затруднено из за их сложности, а также недостаточной масштабируемости.
• «Огороженные сады» (walled gardens), где только отдельные услуги будут
предоставляться по принципу QoS, теряя при этом открытость как основной принцип Интернета. Вероятно, такой вариант не станет привлекательным для операторов, поскольку они не смогут предложить своим конечным пользователям передовые услуги соединения (пользователи главным
критерием качества услуг сервис провайдера считают возможность взаимодействия с другими точками сети), а также не смогут предоставить свои
сетевые ресурсы приложениям третьих сторон.
Проблема 2: нечеткие спецификации интерфейсов. В текущих рекомендациях и
спецификациях имеются явно выраженные слабые места в описании спецификаций интерфейсов и опорных точек. Эту проблему можно выразить следующими
положениями.
• Существуют три основных подхода в стандартизации, описывающие функционал управления транспортом в сетях. Каждый из подходов предлагает
свой, отличный от других, интерфейс, что приводит к появлению проблем
взаимодействия. Это хорошо известная проблема, и на самом деле появляются попытки найти совместное, общее для всех решение (например, отчетливо наблюдается попытка интеграции между 3GPP и ETSI/TISPAN).
• Некоторые интерфейсы не имеют точного определения и оставлены для
дальнейшего изучения (как, например, интерфейс взаимодействия между
доверенным CPE и RACF в Y.2111, что будет важным для полной интеграции домашних шлюзов с плоскостью управления оператора).
• Другие интерфейсы определены только в терминах методов, параметров и
требований к транзакциям. Какие протоколы выбирать для этих интерфейсов, пока неясно.
Такое отсутствие четких спецификаций опорных точек может привести к тому,
что разные вендоры будут предлагать свои собственные решения для системы в
целом. Это в свою очередь приведет к проблемам взаимодействия между оборудованием различных производителей, что, конечно, приведет к проблемам взаимодействия при формировании решений с участием нескольких поставщиков (то
есть возможности управления одного производителя окажутся способны взаимодействовать с оборудованием двух различных поставщиков) или при взаимодействии между различными доменами сети.
В качестве примера можно упомянуть рекомендацию ITU T Y.2111, в которой
подробности взаимодействия между различными RACF (опорная точка Ri) оставлены для изучения в будущем. Взаимодействие является обязательным, если
разные домены, вовлеченные в передачу из конца в конец, совместно используют
информацию QoS, это должно быть определено в других подходах стандартизации и реализовано некоторыми поставщиками, в частности:
• ETSI/TISPAN предоставило протокол RCIP (Resource Connection Initiation
Protocol – протокол ресурсов для установления соединения), который предложен, чтобы разрешить взаимодействие между различными RACS (подобно ITU T NGN RACF) в ходе резервирования ресурсов для гарантирования
определенного уровня QoS.
• В ходе работы над книгой изготовитель телекоммуникационного оборудования1 выпустил коммерческую реализацию RACS (модуль ETSI/TISPAN,
подобный ITU T NGN RACF), который предоставляет интерфейс, подобный RCIP, для связи между различными диспетчерами ресурсов.
При таком сценарии весьма вероятно, что окончательная спецификация взаимодействия, основанная на протоколе RCIP, будет отличаться от его реализации
в коммерческом оборудовании, выпускаемом сейчас, что в будущем станет источником проблем при организации взаимодействия.
Проблема 3: нечеткие спецификации функциональных модулей. Текущие спецификации некоторых модулей фактически не описывают общие конечные автоматы модулей и функций. Такой сценарий может привести к появлению решений,
привязанных к производителю, что приведет к соперничеству не только из-за
проблем взаимодействия оборудования различных поставщиков, но так же в связи с тем, что оно будет иметь перекрывающуюся функциональность или, наоборот, изъяны в ней.
Таким образом, необходимо поддерживать спецификации интерфейсов в процессе разработки. Наличие точных определений и стандартизация алгоритмов,
реализующих функциональности фактически могло бы создать конкурентные
различия между различными провайдерами и как минимум, четко определяло бы
входные и выходные параметры и содержало бы исходное описание процессов,
которые должны были бы вызываться в каждом модуле.
Проблема 4: закрытые интерфейсы конфигурирования сетевого оборудования.
Одним из ключевых моментов в предоставлении QoS является координация различных механизмов предоставления этой услуги, доступных в различных сетевых
технологиях. Для такой координации важно иметь доступ к сетевому оборудованию, вовлеченному в процесс передачи данных из конца в конец, и не менее важно иметь доступные механизмы, передающие команды конфигурирования различному оборудованию.
Например, во время интеграции системы EuQoS в некоторые сетевые технологии оказалось необходимым обратить внимание на ряд проблем интеграции в
связи с отсутствием общих опорных точек в различных элементах сети. В частности, при интеграции технологии UMTS имелись различные опорные точки для
взаимодействия с GGSN, зависящие от провайдера. Это привело к необходимости для EuQoS при настройке контекста PDP полагаться на пользовательский интерфейс UMTS, который является единственным удовлетворяющим требования
стандартов решением по интеграции встроенных в UMTS механизмов QoS.
1 Huawei, в RM9000 – диспетчере ресурсов.
С похожими проблемами пришлось столкнуться при интеграции технологий,
где различные стратегии взаимодействия с маршрутизаторами привели к усилившейся зависимости от поставщика оборудования.
Если в сетевом оборудовании имеются закрытые интерфейсы, будет сложно
организовать предоставление гарантированного QoS из за сильной зависимости
от специфических решений поставщиков, которые, вероятно, будут пытаться предоставлять для нового оборудования свои собственные системы управления. Если
к этому присовокупить отсутствие четких спецификаций интерфейса между различными уровнями управления (в частности между технологиями RACS, реализованными в различных доменах), это может в целом привести к проблемам при
организации взаимодействия (как между технологиями, так и между сетевыми
доменами), делая услугу предоставления QoS при передаче данных из конца в конец почти невозможной.
Проблема 5: среда регулирования не вполне ясна. В настоящее время по всему
миру реализовано множество сценариев регулирования и наблюдается четкая тенденция к усилению некоторых способов разделения сервисов и сетевых операций.
При таком сценарии все системы, построенные на вертикальной интеграции сервисов и сетей, вероятно, окажутся неработоспособными. Таким образом, чтобы
гарантировать обоснованность предложений NGN в различных сценариях, необходима четкая спецификация интерфейсов между уровнем сервисов и сетевым уровнем. Это означает, что спецификации NGN должны отвечать требованиям, предъявляемым различными ролями, которые могут возникнуть в разных бизнес-моделях,
появление которых можно предсказать в недалеком будущем.
В этом контексте наличие четких спецификаций опорных точек будет обязательным.
1.2.2. Рекомендации и предложения по обеспечению QoS в NGN
В соответствии с проблемами, показанными в разд. 1.2.1, и на основе опыта авторов в этом разделе приведены рекомендации, которые должны дать возможность
интегрировать возможности предоставления QoS при передаче данных из конца
в конец в концепции NGN ITU T.
Все рекомендации даны с учетом того, что и конечные пользователи (которые
хотят улучшить свой QoE в Интернете), и регуляторы (чья позиция явно выражает
неприятие «огороженных садов») будут требовать обеспечения прозрачности сети.
Рекомендация 1: четко анализировать знания пользователей и их требования. В эпоху Интернета поведение конечных пользователей стало труднопрогнозируемым.
Операторы стали свидетелями эволюции от ситуации с одной услугой и хорошо
предсказуемыми требованиями до состояния с множеством услуг, большинство из
которых создавались пользователями, и требования этих пользователей становились весьма непредсказуемыми. Следовательно, нам надо оценить требования
пользователей и развитие этих требований в настоящее время. Важно провести маркетинговые исследования, чтобы узнать ожидания конечных пользователей и как
эти ожидания могут использовать новые возможности QoS с новыми услугами.
В частности должны быть получены ответы на следующие вопросы.
• Каковы знания конечных пользователей о QoS? Что они действительно знают об этой концепции?
• Какие атрибуты соединения из конца в конец (безопасность, надежность,
доступность, восстановление после сбоев и пр.) могут быть востребованы
конечными пользователями?
• Какие устройства (IPhone, PDA, ноутбуки и пр.) конечные пользователи
используют чаще всего? Как много особенностей услуги должен оговаривать конечный пользователь?
• Какие сервисы Интернета более востребованы конечными пользователями? Какая величина добавленной стоимости услуг оператора приемлема для
конечных пользователей?
Ответив на эти вопросы, мы смогли бы описать текущее использование Интернета и сделать вывод о требованиях к доступу к Интернету будущего. Для этого
важно решить следующие проблемы.
• Определение имеющихся ограничений доступа в Интернет в терминах QoS
с точки зрения конечного пользователя.
• Определение новых требований к производительности сети, особенно принимая во внимание такие новые услуги, как телевидение высокой четкости
(и ассоциированные с ним требования к QoS), 3D приложения или приложения P2P. Это может гарантировать качество e2e QoS (IPTD, IPDV и IPLR)
и других характеристик производительности (доступность, безопасность,
время восстановления после сбоев и пр.).
• Первоначальный вариант интерфейсов конечного пользователя, что может
вызвать появление услуг с расширенными сетевыми возможностями.
Такой анализ будет обязателен в спецификации опорных точек конечного
пользователя для услуги AMS, это должно быть понято конечным пользователем,
при этом надо обеспечить поддержку запросов от различных приложений Интернета с различными требованиями к QoS.
Рекомендация 2: QoS не должно противопоставляться нейтральности сети. Эволюция транспортных технологий NGN, предложенная в виде сетевых сервисов,
создает прекрасные возможности для инноваций, но не только для операторов
(предоставляющих свои собственные услуги), но также для конечных пользователей и поставщиков услуг. Если эти возможности предоставляются на равных
условиях, QoS становится явным стимулом для развития предоставления гарантированных услуг любой стороне.
Фактически для предоставления гарантированного QoS не обязательно сокращение трафика приложений, не использующих QoS. Для соответствия этому
требованию важно предоставить конечному пользователю и поставщику услуг понятный интерфейс (или набор интерфейсов), позволяющий пользователю выбирать, какой уровень QoS требуется для каждого из его потоков данных. Таким образом, услуга QoS будет предоставляться не только для услуг, оказываемых этим
оператором, но также и для других услуг Интернета согласно требованиям конечного пользователя.
Если инфраструктура соответствует этим требованиям, то у оператора сети
могла бы появиться возможность предоставлять свои собственные службы, а так
28 Глава 1. Ориентиры развития сетей связи следующего поколения
же использовать приложения третьих сторон (интернет услуг), побудивших его
предлагать улучшенный сервис подключений с QoS. В сценарии, когда QoS пред
лагается как услуга, необходимо обеспечить наличие механизмов, гарантирую
щих эффективное предоставление возможностей, и, следовательно, эти возмож
ности контроля должны быть учтены при разработке самой системы.
Рекомендация 3: необходимо сделать предварительные наброски новых бизнес
моделей. Кларк и др. [15] говорят, что «можно учиться у прошлого». Для некото
рых членов сообщества разработчиков настоящим потрясением в последние не
сколько лет стала неудача попытки описать QoS так, чтобы она стала услугой,
предоставляемой соединениями из конца в конец. Эта неудача явилась следстви
ем попытки сделать такой же услугой широковещание в сети. Представляется по
учительным проанализировать эти попытки.
Вот одно из предположений. Для провайдеров внедрение QoS означает, что
они должны будут потратить деньги на модернизацию маршрутизаторов, произ
вести дополнительные управленческие и операционные расходы. И это реальные
затраты. Гарантий увеличения прибыли нет. Зачем в таком случае рисковать и де
лать инвестиции?
Если бы пользователи могли обеспечить эффективное конкурентное давление
на провайдеров, выбирая из них, то страх и жадность могли бы подтолкнуть их к ин
вестированию, но конкурентного давления в этом случае недостаточно. С другой сто
роны, если провайдеры используют закрытые механизмы QoS, не делая их открыты
ми для всех, они значительно увеличивают возможности получения доходов. Так,
например, если они внедрят механизмы QoS, но будут применять их только для тех
приложений, которые продают сами, то тем самым они будут уменьшать открытость
Интернета и создадут возможности для вертикальной интеграции. Если интернет
телефония требует для своей работы QoS и провайдеры включают эту услугу только
для своей версии телефонии, то они могут устанавливать монопольные цены.
Это предположение дает нам основание предполагать, что развитие текущей
модели интернета может проходить двумя способами: классический Интернет и
Интернет высокого качества («премиум класса»), когда провайдеры будут вкла
дывать деньги в оборудование NGN, чтобы гарантировать высокие показатели
QoS, но по высоким ценам.
С общественной точки зрения это означало бы потерю Интернетом универ
сальности. В этом контексте является обязательным описание бизнес модели,
призванной обеспечивать лучшее использование ресурсов и прибыль.
В этом контексте также должно быть учтено развитие общества. При изучении
новое поколение было охарактеризовано как «постоянно подключенное», исполь
зующее широкий набор сервисов и приложений в Интернете (социальные сети,
файлообмен, видеопоточные приложения, игры и пр.), таким образом, эти люди
должны высоко ценить, что все эти сервисы прозрачны, надежны, повсеместны и
способны обеспечивать многочисленные требования к профилям трафика. Это
может стать отправной точкой для описания бизнес моделей, которые могли бы
гарантировать внедрение QoS для передачи из конца в конец.
С другой стороны, некоторые поставщики услуг, не объединенные с сетевыми
провайдерами, могли бы сотрудничать с ними (из числа тех, которые контроли
1.2. Проблемы развития сетей NGN и связанные с этим рекомендации 29
руют «последнюю милю») для предоставления операторских услуг. Это может пред
ставлять определенный интерес для сервисов, использующих потоковую переда
чу1, или игровых приложений2.
Необходимо отметить, что спецификации этих бизнес моделей должны так
же принимать во внимание развитие соглашений о взаимодействии.
Рекомендация 4: продвигать стандартизацию коммерческого оборудования и реа
лизацию в нем опорных точек. Как уже говорилось раньше, одной из ключевых
особенностей предоставления QoS является координация различных механизмов
предоставления этой услуги, доступных в различных технологиях. Для такой ко
ординации важно иметь доступ к сетевому оборудованию, задействованному в
процессе передачи данных из конца в конец, также важно иметь возможность
внести небольшие изменения в различное оборудование.
Для достижения поставленной цели необходимо подробное описание опор
ных точек в различном сетевом оборудовании для использования встроенных в
него механизмов обеспечения QoS из конца в конец. Это поможет избежать схо
жих проблем, с которыми столкнулись в проекте EuQoS при интеграции UMTS и
технологий Ethernet, описанных в предыдущем разделе.
Как первый шаг в этом направлении, некоторые компании3 недавно сделали
свои интерфейсы и операционные системы открытыми и предоставили третьей
стороне возможность интегрировать различные приложения, такие, например,
как стратегии управления полосой пропускания.
Рекомендация 5: разработать общую структуру предоставления QoS из конца в
конец: модели взаимосвязей IP. Чтобы действительно соответствовать требовани
ям QoS, необходимо гарантировать, что услуга предоставляется на протяжении
всего маршрута, из конца в конец. Таким образом, необходима координация между
различными доменами и технологиями, по меньшей мере при использовании раз
личных технологий доступа. Следовательно, необходимо определить общие прин
ципы для взаимодействия по протоколу IP в качестве основы для синхронизации
механизмов QoS, использующихся в различных доменах. Необходимо изучить
вклад протоколов маршрутизации (влияние на). Как указано в ссылке 8, система
EuQoS представляет свою технологию междоменной маршрутизации, основыва
ющуюся на EQBGP и дающую возможность различным доменам объявлять о сво
их возможностях обеспечения QoS.
Поэтому чтобы гарантировать предоставление e2e QoS в любой сети, важно
определить классы обслуживания (CoS – classes of services), которые были бы хо
рошо известны всем доменам (отсюда следует, что каждый класс они будут реали
1 На сайте http://www.layer3media.com/joost/joost network.pdf Joost описывает свой вариант архитектуры для обеспечения сервиса VoD (Video on Demand), основанного на системах P2P, но в заключение заявлено, что возможное сотрудничество с сетевыми провайдерами может быть выгодным с точки зрения контроля возможностей, доступных на «последней миле» (то есть не находящихся под контролем поставщиков услуг).
2 Сервис Live приставки XBox мог бы получить преимущества от возможностей QoS для
того, чтобы улучшить QoE конечного пользователя.
3 Компании Juniper и Cisco недавно выпустили SDK для своих операционных систем.
зовывать по своим стратегиям), чтобы определить правила объединения для ин
фраструктуры управления.
Рекомендация 6: реализовывать предварительные версии некоторых интерфей
сов. Как уже говорилось ранее, одной из основных проблем разработки архитек
туры NGN является составление спецификаций интерфейсов и их реализация.
Для их успешной реализации необходима возможность проведения тестирования
взаимодействия. По этой причине можно рекомендовать создание базовых моду
лей для последующего тестирования на совместимость.
Рекомендация 7: создать общий план развития сетей следующего поколения. Для
обеспечения согласованности действий в процессе стандартизации NGN, ITU T,
ETSI/TISPAN и 3GPPP необходимо представить четкий план развития техноло
гий, бизнес моделей, требований пользователей и пр., которые должны быть уч
тены или будут учтены в ближайшем будущем. Это позволит согласовать иссле
довательские работы по стандартизации, а также усилия основных поставщиков
по внедрению новых технологий.
В целом этот план должен помочь различным участникам (операторы, вендо
ры, регуляторы и пр.) определить, когда можно ожидать появления стандартов и
каких именно.
1.3. План развития сетей следующего поколения
Для согласованного и эффективного развития сетей NGN как ключевой компонен
ты Интернета будущего, согласно рекомендациям, представленным в предыдущем
разделе, необходимо подробно изложить план, который определит развитие техно
логий NGN. В рамках проекта EuQoS такой план развития был разработан с учетом
состояния технологий на тот момент. Его представили Каллежо и Энрике [16], позже
он был обновлен (см. рис. 1.3) с учетом последних исследований.
План развития технологий учитывал как технологические перспективы, так и
перспективы для бизнеса. В частности рассматриваются следующие пути развития:
бизнес модели, требования пользователей, плоскость услуг, плоскость управле
ния, базовые сетевые технологии и операционные возможности.
Тенденция развития 1: анализ различных бизнес моделей. При определении пу
тей развития сетей NGN анализ подходящих бизнес моделей является обязатель
ным. Важно четко определить, как можно стимулировать разработку новых воз
можностей в различных заинтересованных кругах.
Чтобы построить Интернет будущего с дополнительными возможностями, важ
но понять, какие стороны получат от этого преимущества и какую прибыль можно
будет получит, как в прямой форме (например, если клиенты непосредственно оп
лачивают услуги), так и косвенно (то есть доходы за счет рекламы). Это могло бы
привести к описанию требований, предъявляемых к открытым интерфейсам (с эко
номической точки зрения), и к развитию существующих моделей взаимодействия.
Тенденция развития 2: анализ требований конечных пользователей. Как отмечено в
рекомендациях, анализ поведения конечных пользователей и оценка их будущих пред
почтений являются необходимыми для успеха сетей NGN. Это требование может
охватывать многие аспекты, такие как безопасность, удобство интерфейса и т.д.
1.3. План развития сетей следующего поколения 31
Рис. 1.3. План развития сетей следующего поколения
Декабрь 2007 г. Декабрь 2008 г. Декабрь 2009 г. Декабрь 2010 г. Декабрь 2011 г.
Сервисы Triple Play Бизнес(модели
Открытый
интерфейс
Нейтральность сети
Домашние сети
Легкость использования
и понятность Безопасность
Безопасность
Безопасность
LTE
Облегченные подходы к QoS
Пересмотр основ QoS
(новые требования к QoS)
FTTx
HGI
UMTS
Ethernet
IP/MPLS
WiFi
xDSL
Междомен(
ность
NAT
EQ(BGP CAC
AAA и начисление оплаты
Передача трафика
Услуга QoS по требованию
Зависимый от технологий
профиль пользователя
В соответствии с технологиями
Независимо
от технологий
IPv6
NAT
Wimax
GMPLS
HSPA
Спутник
Обслуживание топологии
Оценка производительности
Наблюдение за трафиком Интернета
Восстановление после сбоев
Система контроля QoS
Алгоритмы многоуровневого восстановления
Координация IP/GMPLS
Обнаружение атак DoS
Слежение
по потокам
NASS (TISPAN)
Интеграция со слоем Новые модели данных
управления 3GPP
Управление динами(
ческой адресацией
Предоплата
PCE
Открытые интерфейсы для конфигурирования профиля пользователя
Модель Интернета
Разделение по структуре: API для третьих лиц
Модели взаимосвязей IP
E2E QoS
Доступность услуг
Широкая распространенность услуг
Требования пользователей
Плоскость услуг
Слой управления
Базовые технологии
OAM
Блуждающий
пользователь
Любые сигналы
приложений (SIP, H.323)
Наблюдение
потоков
в совокупности
Тенденция развития 3: эволюция плоскости управления. Это направление раз
вития сосредоточено на анализе функций, которые должна обеспечивать плос
кость управления сетей NGN. Эти технические функции разрабатываются соглас
но бизнес моделям и требованиям пользователей.
В данной теме рассматриваются вопросы управления профилями пользовате
лей и механизмами AAA.
Тенденция развития 4: эволюция плоскости управления. При данном направле
нии развития должен быть проведен анализ механизмов и возможностей, кото
рые должны быть интегрированы (разработаны) для внедрения услуги гарантиро
ванного QoS. При развитии данной плоскости необходимо учитывать операции с
точки зрения разных масштабов времени (например, для резервирования всех
потоков или действий, совершаемых по запросу пользователя).
Тенденция развития 5: эволюция базовых сетевых возможностей (транспортные
возможности). По мере появления новых сетевых технологий важно ответить на
вопрос, когда будут созданы решения, способные взаимодействовать с новым се
тевым оборудованием и использовать их встроенные механизмы QoS.
Кроме того, важно убедиться, что различные сетевые технологии могут взаимо
действовать и работать согласованно. Примером может служить согласование ра
боты оптических систем и IP марштуризаторов ядра (магистральных IP маршру
тизаторов) IP.
Тенденция развития 6: эволюция OAM (Operation, Administration, and Maintenance –
работа, администрирование и обслуживание). Понятие OAM включает в себя все
функции, которые должна выполнять коммерческая система, главным образом в
области безопасности и аудита (контроля). Это ключевое требование для гаран
тированной возможности отслеживать доставку услуг, использующих механиз
мы QoS.
Литература
1. http://www.geni.net/.
2. http://www.nets find.net/.
3. http://www.future internet.eu/.
4. http://akari project.nict.go.jp/eng/index2.htm.
5. The generation Z connection: Teaching information literacy to the newest net generation,
Teacher Librarian. Available online. February 2006.
6. Cisco, Global IP traffic forecast and methodology 2006–2011, January 2008.
7. ITU T Y.2001, General overview of NGN, December 2004.
8. ITU T Y.2012, Functional requirements and architecture of the NGN release 1, June
2006.
9. http://www.etsi.org/tispan/.
10. http://www.3gpp.org/.
11. http://www.itu.int/en/pages/default.aspx.
12. http://www.euqos.eu/.
13. M. A. Callejo, J. Enriquez, et al., EuQoS: End to end QoS over heterogeneous networks,
ITU,T Innovations in NGN – Future Network and Services, Geneva, pp. 177–184. May
2008.
Литература 33
14. X. Masip, J. Enriquez, M. A. Callejo, et al., The EuQoS system: A solution for QoS routing
in heterogeneous networks. IEEE Communi. Maga., Vol. 45, pp. 96–103. February 2007.
15. D. D. Clark, J. Wroclawski, K. Sollins, and R. Braden, Tussle in cyberspace: Defining
tomorrow’s Internet, SIGCOMM 2002.
16. M. A. Callejo and J. Enriquez, Bridging the standardization Gap to provide QoS in current
NGN architectures, IEEE Communi. Maga., Vol. 46, pp. 132–137, October 2008.
ÃËÀÂÀ 2
ÇÎÍÀËÜÍÀß ÑÅÒÜ
ÑÎ ÑÏËÎØÍÛÌ ÏÎÊÐÛÒÈÅÌ:
ÈÍÔÐÀÑÒÐÓÊÒÓÐÀ ÄËß ÎÁÚÅÄÈÍÅÍÈß
 ÑÅÒÜ ÄÀÒ×ÈÊÎÂ
È ÈÑÏÎËÍÈÒÅËÜÍÛÕ ÌÅÕÀÍÈÇÌÎÂ
Хироши Сайто, Масато Мацуо, Осами Кагами, Шигеру Кувано,
Дайсэй Учида и Юйчи Кадо
2.1. Введение
Рост трафика Интернета был устойчивым, поскольку увеличивался темп со
здания проводных и беспроводных линий доступа, что явилось следствием кон
куренции между провайдерами в предоставлении услуг высокоскоростной свя
зи, например от ADSL к FTTH или от третьего поколения сотовых сетей к их
дальнейшему развитию. Как результат этой сильной конкуренции число под
писчиков на услуги широкополосной связи быстро увеличивалось, а цены на
услуги связи снижались, хотя скорость доступа увеличивалась (см. рис. 2.1).
Рис. 2.1. Стоимость широкополосного доступа в Японии. (Указаны цены обычных
услуг ADSL/FTTH, предоставляемых компанией NTT East.) Источник дан
ных: http://www.johotsusintokei.soumu.go.jp/whitepaper/html/H1401000.html
10 000
9000
8000
7000
6000
5000
4000
3000
2000
1000
0
2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006
Цена, йен в месяц
Год
ADSL
FTTH
Источник данных:
http://www.johotsusintokei.soumu.go.jp/whitepaper/ja/h17/html/H1401000.html
2.1. Введение 35
Кроме того, многие провайдеры установили фиксированную оплату. Такая оплата
использовалась в сетях проводной связи, но провайдеры услуг сотовой связи так
же стали вводить ее, преимущественно для услуг передачи данных (см. рис. 2.2).
При такой системе оплаты выручка операторов связи не увеличивается, даже если
объем трафика значительно растет. Однако тем провайдерам, которые уже ввели
безлимитные тарифы, сложно от них отказаться, поскольку они привлекательны
для клиентов с большим трафиком и являются важным фактором для сохранения
таких клиентов.
Безлимитные тарифы и снижение цен неявно подразумевают снижение доходов
провайдеров, когда прекращается рост числа подписчиков на услуги широкополос
ного доступа. Таким образом, провайдерам необходимо искать новые источники до
ходов. А такие источники требуют новых механизмов подключения, не через суще
ствующие уже способы широкополосного доступа к сети. Это происходит потому,
что уже существующие способы не могут являться новыми источниками дохода.
В качестве одной из сторон компьютерных технологий изучалась концепция
«вездесущих (повсеместных) вычислений» (ubiquitous computing) [1]. Эта концеп
ция требует, чтобы компьютеры постоянно находились на службе у людей в их ре
альном окружении. В обществе, где эта концепция претворена в жизнь, компьюте
ры встроены во множество устройств/объектов с датчиками и исполнительными
устройствами, незаметно (прозрачно) для общества. Компьютеры работают и взаи
модействуют друг с другом для предоставления различных услуг. Концепция «вез
десущих вычислений», созданная в 1980 х годах, уже не является только мечтой.
Недавние исследования в области компьютерных технологий, электроники и мик
ромеханики дали нам возможность иметь маленькие, дешевые, потребляющие мало
энергии от встроенных батарей датчики и исполнительные устройства с вычисли
тельными возможностями. Эти компоненты могут быть подключены к чему угодно
Рис. 2.2. Число подписчиков на тарифы с постоянной абонентской платой. Число
подписчиков на пакет услуг pake houdai компании NTT docomo, в кото
ром установлена фиксированная цена, не зависящая от числа переданных
и полученных пакетов данных. Источник данных: http://www.ntt.co.jp/ir/
library/annual/pdf/08/p9.pdf
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
2005 2006 2007 2008
Число подписчиков (×10 000)
Год
36 Глава 2. Зональная сеть со сплошным покрытием: инфраструктура
для объединения в сеть датчиков и исполнительных механизмов
и размещены везде, где потребуется. Мы будем создавать сети с использованием
таких узлов, способные обеспечивать подключение в любое время благодаря ис
пользованию беспроводных каналов, обнаруживать и распознавать интересующие
нас события, а также управлять машинами и устройствами [2–4]. Связывание об
щества такими глобальными сетями – это технический вызов для инженеров связи
и компьютерных инженеров, а технологии, необходимые для создания подобного
общества, несут в себе большой потенциал нового источника доходов для сетевых
операторов.
В этой главе описывается сеть, названная распределенной сетью со сплош
ным покрытием (wide area ubiquitous network, WAUN) [5]. Объективной целью со
здания этой сети было повсеместное предоставление сетевой инфраструктуры
датчиков и исполнительных механизмов, чтобы реализовать глобально соединен
ное сетями общество.
2.2. Целевые применения и рынок сбыта
Появились приложения с интерфейсом «машина–машина», для реализации ко
торых может быть полезна сеть WAUN. Области применения включают следую
щие направления.
1. Безопасность: дом, оборудованный датчиками, обнаруживающими втор
жение через сад или через окна.
2. Управление здоровьем: дом, оборудованный датчиками движения и конт
ролирующий сердцебиение обитателей, дает возможность быстро отреаги
ровать на внезапные недомогания, такие как сердечный приступ во время
приема ванны.
3. Уход: дом сиделка с: а) датчиками, определяющими положение каждого че
ловека в нем и подающими сигнал тревоги, если обитатель входит в опас
ную зону или покидает дом, и б) датчиками, обнаруживающими, что оби
татель упал или испытывает недержание.
4. Управление хранилищами: баки (такие как емкости для бензина или пива)
с датчиками, измеряющими количество оставшейся жидкости и посылаю
щими данные в систему управления хранилищами, которая составляет гра
фик пополнения этих баков.
5. Защита окружающей среды: датчики температуры, влажности и содержа
ния различных химических веществ в лесу, обнаруживающие лесные пожа
ры и другие нарушения безопасности окружающей среды и вычисляющие
количество поглощаемого деревьями углекислого газа.
6. Отслеживание стихийных бедствий: датчики ускорения и нагрузок, отсле
живающие смещения земли и землетрясения, чтобы перекрыть подачу газа
в дом, остановить высокоскоростные поезда или включить красный свет на
светофорах.
7. Управление инфраструктурой: датчики, подключенные к зданиям, мостам,
туннелям и транспортным эстакадам, чтобы обнаружить износ конструк
ций в результате старения для принятия необходимых мер по ремонту этих
сооружений.
2.2. Целевые применения и рынок сбыта 37
8. Управление логистикой: датчики определяют местонахождение грузов и
отслеживают их состояние, например температуру замороженных грузов.
9. Обслуживание автомобилей: датчики следят за состоянием деталей авто
мобиля и дают рекомендации по их замене.
10. Уход за детьми: датчики определяют местонахождение детей и предостав
ляют информацию об этом, такую как «пришел в школу».
11. Управление местами для парковки: датчики отслеживают занятость пар
ковочных мест, чтобы направить автомобиль к свободному.
Большинство этих применений может быть реализовано с помощью существу
ющих сетей, но некоторые из них не применяются широко из за высокой стоимо
сти сетевых соединений, небольшой продолжительности работы от батарей и огра
ниченного сетевого покрытия. Если технология WAUN сможет преодолеть эти про
блемы, это позволит занять ей свою долю рынка на начальном этапе развития.
В дополнение к этим применениям можно было бы предложить многие но
вые услуги, если бы товары, в том числе из списка ежедневных покупок, были
включены в сеть [6].
1. Могло бы быть реализовано управление приемом лекарств, если бы отслежи
вался расход таблеток из упаковки и эти данные пересылались бы лечащему
врачу. Врач смог бы проверять правильность и регулярность приема лекарств
пациентом и, благодаря этому, проверять эффективность лечения. Управле
ние приемом лекарств в частности важно для пожилых людей, которые могут
забыть принять их вовремя. В Японии рынок лекарственных средств имеет
объем около 6,7 триллионов йен в год [7]. Если управление приемом лекарств
будет применено к 10% этого рынка, стоимость этой доли составит 670 милли
ардов йен. Такое управление помогло бы снизить расходы на лекарства.
2. Широко используемые визитные карточки могли бы быть улучшены. Их
раздают на различных деловых встречах, но содержащаяся на них инфор
мация может оказаться устаревшей, например, из за проведенной в компа
нии реорганизации. Карточки, имеющие простой дисплей с технологией
электронных чернил, приемник беспроводной связи и тонкопленочную
батарею, могли бы обновлять отображаемую информацию.
3. Управление личными печатями можно реализовать, отслеживая их исполь
зование. Во многих деловых и личных ситуациях японцы используют лич
ные печати подобно тому, как в западных странах используются подписи.
В частности если бы мы могли отслеживать использование личной печати в
деловых целях, можно было бы достичь значительного прогресса в компь
ютеризации офисной работы. В дополнение к управлению личными печа
тями многообещающим выглядит отслеживание местоположения различ
ных офисных предметов и важных документов.
4. Использование каких либо вещей, очевидно, может быть отслежено по от
крытию упаковки. Это легко бы дало нам возможность определять, был ли ис
пользован тот или иной товар. Это может быть использовано налоговыми аген
тами и при управлении хранилищами. (Службы доставки ежегодно опериру
ют в Японии более чем тремя миллиардами пакетов [8], а японская почта дос
тавляет свыше ста миллионов заказных отправлений в год [9].)
38 Глава 2. Зональная сеть со сплошным покрытием: инфраструктура
для объединения в сеть датчиков и исполнительных механизмов
Здесь мы должны отметить, что эти новые применения можно реализовать, ис
пользуя крохотные датчики и исполнительные механизмы, подключенные к сети.
Они в данном случае будут являться самыми низкоуровневыми телекоммуникаци
онными терминалами. Это может привести к новому взгляду на сети будущего, от
личающемуся от основанных на предположении, что большинство терминалов бу
дут иметь множество функций и высокую производительность, то есть быть чем то
наподобие персональных компьютеров. Однако такие применения потребуют чрез
вычайно большого количества терминалов и откроют новые рынки для сетевых
провайдеров, поскольку в существующих проводных и беспроводных широкопо
лосных сетях не реализовано подключение такого количества устройств.
2.3. Требования, концепция и система в целом
Чтобы поддерживать упомянутые выше применения и получить новый источник
доходов, мы предложили в качестве решения зональную сеть со сплошным по
крытием (WAUN). Сеть WAUN, прежде чем сможет быть использована для этих
применений, должна удовлетворять следующим требованиям: низкая стоимость,
низкое энергопотребление (большой срок службы батарей), поддержка мобиль
ности, поддержка низкоуровневых терминалов, безопасность, расширяемость в
соответствии с количеством терминалов и сплошное (вездесущее) покрытие.
Чтобы обеспечить выполнение этих требований, предложенная нами архитек
тура использует беспроводную связь на большом расстоянии, которая должна слу
жить в качестве первого транзитного участка для беспроводных терминалов (wireless
terminal – WT), хотя основные исследовательские усилия были направлены на со
здание сети датчиков благодаря использованию нескольких беспроводных тран
зитных участков подходящим образом. Такая архитектура была выбрана в основ
ном потому, что соответствующий подход имеет проблемы, связанные с избранной
сетью мобильной связи, такие как потребление энергии, когда терминал использу
ется как мобильный узел коммутации, подход к безопасности мобильных узлов
коммутации и нестабильность зоны покрытия или маршрутизации из за того, что
слишком много мобильных узлов имеют чрезмерную свободу передвижения. К тому
же в дешевых терминалах не работают сложные протоколы маршрутизации.
Поскольку мы выбрали архитектуру, которая не использует для установлен
ного беспроводного соединения несколько транзитных участков, для экономич
ного покрытия больших зон важно иметь достаточно протяженные соединения
(соты большого размера). Фактические расстояния составили несколько кило
метров. Для этого существуют две основных причины. Во первых, по мере того,
как увеличивается радиус соты r, количество точек доступа (access points – AP)
может быть уменьшено до 1/r2 и размер вложений в беспроводную систему связи
уменьшится примерно в той же степени, поскольку основную часть этих расхо
дов составляет стоимость точек доступа. Во вторых, большинство провайдеров
имеют свои сооружения, имеющие энергоснабжение и линии передачи данных,
через каждые несколько километров. Таким образом, если радиус соты сети WAUN
будет больше, чем единицы километров, существующие провайдеры смогут ис
пользовать эти сооружения для размещения точек доступа, что минимизирует
2.3. Требования, концепция и система в целом 39
размер необходимых капитальных вложений. Однако радиосвязь на большем рас
стоянии требует терминалов с большей мощностью. Таким образом, необходимо
удовлетворить противоречивые требования путем использования технологий,
описанных в этой главе. Особой целью наших исследований и разработок явился
«пятикилометровый радиус соты при мощности передатчика 10 мВт и сроке служ
бы батареи терминала 10 лет».
Масштабируемость также является важным фактором. Мы ввели следующие
правила для обеспечения масштабируемости сети WAUN. Соединение устанав
ливается между парой «беспроводной терминал – проводной терминал», для каж
дого беспроводного терминала соответствующий проводной терминал является
единственным и фиксированным. (В реальности один виртуальный проводной
терминал может состоять из множества распределенных проводных терминалов.)
Таким образом, сеть WAUN не поддерживает публичные службы, допускающие
переключение на произвольные терминалы не к произвольному терминалу, а к
терминалам частной компании или какого либо сообщества. К тому же реализа
ция этого правила дает значительное повышение безопасности. (На практике
службы более высокого уровня поддерживают установление соединения с други
ми терминалами.) В результате сеть WAUN может поддерживать множество част
ных сетей датчиков. Общая схема сети WAUN показана на рис. 2.3.
Чтобы удовлетворять сформулированным требованиям, сеть WAUN имеет
следующие возможности.
1. Сеть WAUN служит промежуточным звеном между проводными и беспровод
ными терминалами. Сеть не обеспечивает прозрачности сессий между ними.
2. Беспроводная связь имеет большую дальность (около 5 км). Эта дальность
будет сохраняться большой благодаря использованию различных способов
приема на основе сочетания максимальных отношений времен работы и
бездействия. Это даст возможность сетевому провайдеру покрыть значи
тельную территорию небольшим количеством точек доступа и тем самым
предложить услугу по небольшой стоимости.
Рис. 2.3. Зональная сеть со сплошным покрытием (WAUN)
point
point Магистральная сеть IP
Беспро(
водной
терминал
(WT)
Точка
доступа
(AP)
База данных
Wired
База данных
Wired
Сервер
шлюза
сети
радио(
доступа
(RANS)
Датчик
или орган
управления
Сервер
управления
место(
нахождением
Подписчик базы данных,
аутентификация,
сервер управления
идентификаторами
(сервер SAI)
Шлюз IP
(IP(GW)
Проводной
терминал
40 Глава 2. Зональная сеть со сплошным покрытием: инфраструктура
для объединения в сеть датчиков и исполнительных механизмов
3. Беспроводные терминалы не являются IP терминалами и не используют
протокол передачи данных TCP/IP, поскольку он является протоколом
слишком высокого уровня, а терминалы имеют слабый процессор и малое
количество памяти. Точки доступа, организуемые сетевым провайдером,
преобразуют протокол беспроводной связи, созданный для беспроводных
терминалов сети WAUN, в протоколы, разработанные сообществом IP. Точ
ки доступа также преобразуют идентификаторы беспроводных терминалов,
используемые в соединениях с ними, в те, которые используются в сети
фиксированной связи. Серверы шлюзов сети радиодоступа (radio access
network gateway servers – RANS) выделяют сигналы (то есть пользователь
ские данные и запрос авторизации) от каждого терминала и перенаправля
ют их в соответствующем направлении согласно результату распознавания
источника сигнала.
4. Беспроводные терминалы могут перемещаться. Функция управления мо
бильностью охватывает всю область, в которой работают беспроводные тер
миналы. Эта функция реализуется с помощью технологий регистрации ме
стонахождения, подобных используемым в сетях сотовой связи.
5. Проводные терминалы являются терминалами IP, взаимодействуют с беспро
водными терминалами в сети WAUN и подключены через шлюзы IP (IP GW).
Их интерфейс с сетью WAUN – это широко используемый обычный интер
фейс, такой как TCP/IP, но проводные терминалы IP лишены прямого дос
тупа к таким компонентам сети WAUN, как RANS, по соображениям безо
пасности. Сеть WAUN не поддерживает установление соединения между про
водными терминалами IP.
6. Несколько идентификаторов в сети WAUN используются для того, чтобы
сделать обслуживание удобным, безопасным и эффективным. Сеть WAUN
имеет функции безопасности и преобразования и разрешения идентифи
каторов. В частности, чтобы предотвратить отслеживание перемещений
посторонними лицами, идентификаторы назначаются беспроводным тер
миналам лишь на ограниченное время и часто обновляются. Управление
идентификаторами с взаимной аутентификацией между терминалом и се
тью дает возможность достичь безопасности передачи данных. Сервер аутен
тификации подписчика и управления идентификаторами (SAI) хранит ин
формацию о профиле подписчика, включая информацию беспроводных и
проводных терминалов для целей аутентификации и управления иденти
фикаторами.
2.4. Базовая сеть
Базовая сеть WAUN контролирует обмен данными между парами «проводной тер
минал и мобильный терминал» и обеспечивает функции управления идентифи
каторами, определения местоположения, безопасности и контроля доступа. Что
бы эти функции работали с огромным количеством беспроводных терминалов,
необходимо обеспечить хорошую масштабируемость. В проектировании базовой
сети WAUN имеется два важных момента. Во первых, объем обработки данных,
2.4. Базовая сеть 41
необходимый для управления обменом с беспроводными терминалами, должен
быть сокращен как можно больше, поскольку эти терминалы потребляют мало
энергии и имеют слабые возможности. Во вторых, ограниченная полоса пропус
кания радиоканала должна эффективно использоваться большим количеством
беспроводных терминалов совместно. Таким образом, необходимо уменьшить
количество служебных данных при обмене информацией, чтобы сеть WAUN мог
ла обслужить больше беспроводных терминалов.
2.4.1. Протокол обмена
Протокол обмена сети WAUN для передачи данных между проводным и беспро
водным терминалами показан на рис. 2.4. Точка доступа (AP) преобразует прото
кол беспроводной связи с терминалом в TCP/IP, используемый в базовой сети
WAUN, и наоборот. Между точкой доступа и беспроводным терминалом должна
использоваться облегченная версия протокола обмена, приемлемая для термина
лов с малым уровнем потребления энергии и низкими вычислительными мощно
стями, тогда как для экономичной реализации базовой сети WAUN используется
обычный протокол, такой как TCP/IP.
Базовая сеть WAUN определяет назначение пакета, принятого от беспро
водного терминала, основываясь на идентификаторе этого терминала, посколь
ку соответствующий проводной терминал фиксирован и зарегистрирован на
сервере идентификации подписчиков и управления идентификаторами (SAI).
Рис. 2.4. Коммуникационный протокол сети WAUN
Беспроводной
терминал
Точка доступа
Приложение
Радио(
протокол
сети
WAUN
L1
IP
L2
TCP
L1
IP
L2
TCP
L1
Радио(
протокол
сети
WAUN
L1
IP
L2
TCP
L1
Протокол
базовой
сети
WAUN
Протокол
базовой
сети
WAUN
Протокол
базовой
сети
WAUN
IP(GW
IP
L2
TCP
L1
IP
L2
TCP
L1
Приложение
IP
L2
TCP
L1
Проводной
терминал
Протокол
базовой
сети
WAUN
Протокол
базовой
сети
WAUN
Протокол
базовой
сети
WAUN
RANS
для объединения в сеть датчиков и исполнительных механизмов
Таким образом, нет необходимости сообщать в пакете адрес назначения (когда бес
проводной терминал отправляет пакет проводному терминалу) или адрес источника
(когда проводной терминал отправляет пакет беспроводному). Такое решение дает
три преимущества. Во первых, уменьшается нагрузка на соединение с терминалами
с малым уровнем потребления энергии и низкими вычислительными мощностями и
пресекаются как намеренные, так и ошибочные соединения с неправильным про
водным терминалом. Во вторых, можно эффективно использовать радиоканал. На
пример, адрес IPv6 имеет 128 разрядов. В сети WAUN, где многие терминалы совме
стно используют ограниченную полосу пропускания, такой 128 разрядный адрес ока
зывается слишком обременительным для беспроводного канала. В третьих, соответ
ствующий проводной терминал может быть заменен без необходимости изменять ПО
в беспроводном терминале. В противном случае потребовалось бы изменять ПО в
большом числе беспроводных терминалов, разбросанных по разным местам, если по
каким то причинам стало необходимо заменить проводной терминал.
2.4.2. Управление идентификаторами
Сеть WAUN пересылает данные к беспроводным терминалам и от них, основы
ваясь на их идентификаторах. В зависимости от назначения терминала исполь
зуются следующие три типа идентификаторов.
1. Постоянный идентификатор назначается на весь период обслуживания, что
бы уникально идентифицировать беспроводной терминал. Он используется
только внутри базовой сети WAUN для обеспечения безопасности. Вместо
постоянного идентификатора беспроводной терминал может использовать
временный, а проводной терминал для идентификации беспроводного –
служебный идентификатор. Таким образом, точка доступа выполняет пре
образование временного идентификатора в постоянный и обратно, а шлюз
IP – служебного и временного идентификаторов. Сервер SAI управляет тем,
как взаимосвязаны эти три идентификатора.
2. Временный идентификатор используется для аутентификации беспровод
ного терминала до момента установления соединения. Таким образом, этим
идентификатором управляют и беспроводной терминал, и сервер SAI. Вре
менный идентификатор часто обновляется синхронно на обоих этих уст
ройствах, чтобы избежать отслеживания терминала посторонними. По
скольку этот идентификатор может быть использован повторно, если при
обновлении он оказывается уникальным, его длина может быть уменьшена
по сравнению с постоянным для более эффективного использования поло
сы пропускания беспроводного канала.
3. Служебный идентификатор используется, чтобы беспроводной терминал мог
быть идентифицирован проводным терминалом. Он дает возможность про
зрачно заменить беспроводной терминал на другой, например в случае поломки.
Количество этих идентификаторов огромно, и они должны управляться сер
верами SAI, а преобразование идентификаторов выполняется в точках доступа и
шлюзах IP для каждого случая обмена данными. Следовательно, управление дан
ными и преобразования должны выполняться децентрализованно.
2.4. Базовая сеть 43
2.4.3. Безопасность
Существующие технологии обеспечения безопасности с высокой надежностью в
сетях IP, такие как виртуальная частная сеть (VPN), могут быть применены в
проводной части сети WAUN. Однако для беспроводных соединений требуются
особые усилия, поскольку их полоса пропускания ограничена, а беспроводные
терминалы имеют малые возможности и низкое энергопотребление. Подобно
телефонной сотовой сети, сеть WAUN имеет функции безопасности, которые
предотвращают перехват данных, отслеживание, кражу идентификаторов и их
фальсификацию. Однако эти функции обеспечиваются при более чем вдвое мень
шей длине сообщений, чем в телефонных сотовых сетях. Например, чтобы обно
вить временный идентификатор, в телефонной сотовой сети новый временный
идентификатор в зашифрованном виде передается беспроводному терминалу, тог
да как сеть WAUN передает не сам идентификатор, а уменьшенное количество
информации для одновременного обновления идентификатора на обоих концах
соединения.
Беспроводной терминал аутентифицируется сервером RANS, кэширующим
временный идентификатор (который выдан сервером SAI), когда устанавливает
ся соединение между этим терминалом и точкой доступа. Сервер RANS аутенти
фицирует беспроводной терминал, когда тот включается и когда перемещается за
границы зоны связи. Подобно этому, проводной терминал аутентифицируется
шлюзом IP, который назначен этому терминалу.
2.4.4. Управление доступом (авторизация)
Определение загруженности сети WAUN может основываться на числе обменов
данными, и эта загруженность может ограничивать частоту обмена с каждым терминалом, например, одним разом в час или в сутки. Разрешенная частота обменов данными для каждого беспроводного терминала первоначально определяет
ся контрактом с подписчиком услуги и регистрируется на сервере SAI. Сервер
RANS и шлюз IP временно хранят эти сведения, получая их при аутентификации,
и проверяют частоту соединений. Если частота, с которой беспроводной терминал отправляет и получает данные, выходит за рамки установленного лимита, сер вер RANS и шлюз IP отказываются устанавливать соединение.
2.4.5. Протоколы приема и передачи данных
Протоколы загрузки данных из беспроводного терминала в проводной и скачивания их в обратном направлении показаны на рис. 2.5 и 2.6 [10] соответственно. В протоколе загрузки процедура аутентификации и авторизации выполняется сервером RANS перед каждой передачей данных.
Последовательность аутентификации, показанная на рис. 2.5 и 2.6, включает
процедуру обновления информации в беспроводном терминале. После аутентифи
кации сервер RANS обновляет информацию о беспроводном терминале (включая
зону пейджинга, в которой он находится) на сервере управления местоположением
и кэширует эту информацию у себя. Сервер RANS может хранить информацию о
44 Глава 2. Зональная сеть со сплошным покрытием: инфраструктура
для объединения в сеть датчиков и исполнительных механизмов
беспроводном терминале, находящемся в зонах покрытия точек доступа, которые
обслуживаются этим сервером. Затем он передает информацию шлюзу IP, обслуживающему проводной терминал, который соответствует этому беспроводному
терминалу, обновленную информацию о зоне пейджинга, включая свой адрес. (Шлюз
IP кэширует эту информацию, она дает возможность выбрать нужный сервер RANS,
если протокол скачивания выполняется без запроса информации о зоне пейджин
га, в которой находится беспроводной терминал.Таким образом, использование кэ
шированной информации снижает нагрузку на сервер управления местоположе
нием и сервер SAI и сокращает время, необходимое для обмена данными.)
RANS IP(GW
Датчик
или орган
управ(
ления
Отправка данных
(Если требуется) последовательность аутентификации
Запрос авторизации Запрос авторизации
Ответ авторизации Ответ авторизации
Отправка данных Отправка данных Отправка данных Отправка данных
ACK
Ответ данных Ответ данных Ответ данных
Ответ данных
Последовательность
учета ресурсов
Беспро(
водной
терминал
Точка
доступа
Сервер определения
местоположения/
сервер SAI
Провод(
ной
терминал
Рис. 2.6. Протокол получения данных сети WAUN
Рис. 2.5. Протокол загрузки данных сети WAUN
Отправка данных
(Если требуется) последовательность аутентификации
Отправка данных
Подтверждение
получения
ACK
Запрос пейджинга
Ответ данных Ответ данных Ответ данных
(Если требуется)
последовательность авторизации
Запрос пейджинга
Ответ пейджинга Ответ пейджинга
Отправка данных Отправка данных Отправка данных
Ответ данных
Последовательность
учета ресурсов
RANS IP(GW
Датчик
или орган
управ(
ления
Беспро(
водной
терминал
Точка
доступа
Сервер определения
местоположения/
сервер SAI
Провод(
ной
терминал
Обмен данными
завершен
2.5. Беспроводная сеть доступа [35] 45
В протоколе скачивания сеть WAUN использует четырехходовую последовательность обмена между проводным терминалом и шлюзом IP. Сообщение «уведомление о приеме» показывает, что шлюз IP авторизовал передачу и начал процедуру обмена данными. Сообщение «ответ данных» показывает, что беспроводной терминал был аутентифицирован и принял данные.
2.5. Беспроводная сеть доступа [35]
2.5.1. Основы построения сети
Поскольку сеть WAUN является сетью нового типа, требования [6] к системам
беспроводного доступа, такие как масштабируемость в соответствии с количеством
терминалов, мобильность терминалов и поддержка терминалов с низкой производительностью, не могут быть обеспечены существующими технологиями беспроводного доступа. Для сетей WAUN необходимо разработать новые методы организации беспроводного доступа. С точки зрения сетевой инфраструктуры сотовая конфигурация больше, чем многозвенная, подходит для обеспечения стабильности работы и низкого энергопотребления беспроводных терминалов [6].
Базовый анализ связей [6] предсказывает, что для таких терминалов с мощностью
передатчика 10 мВт можно использовать соты радиусом 5 км. В этом случае мощность, поступающая к приемнику, крайне мала, поэтому создание системы беспроводного доступа с использованием современных беспроводных технологий
является сложной задачей. Таким образом, необходимо разработать сложную технологию, объединяющую беспроводные решения с такими, как модуляция–демодуляция, исправление ошибок и диверсификация. В частности, поскольку беспроводные терминалы должны иметь простую конструкцию и низкий уровень
энергопотребления, точка доступа должна выполнять сложные операции, чтобы
компенсировать простоту терминалов. Важным является также использование
технологии управления доступом, которая могла бы обеспечивать десятки тысяч
беспроводных терминалов с разной степенью обслуживания и в то же время давала бы возможность снизить энергопотребление этих терминалов, поддерживая
прерывистый режим их работы. Кроме того, необходимо создать метод управления сетью для стабильного и эффективного функционирования системы беспроводного доступа, гарантирующего мобильность терминалов и их подключение к
базовой сети.
Следующие разделы описывают архитектуру системы и ключевые технологии
сети беспроводного доступа WAUN.
2.5.2. Архитектура системы
Схема сети беспроводного доступа показана на рис. 2.7. Эта сеть состоит из двух
сетевых элементов: точек доступа и беспроводных терминалов. Они связаны беспроводными каналами связи. И точка, и терминал имеют три функции: интерфейс
физического уровня (physical layer interface, PHY), протокол управления доступом
(medium access control, MAC) и функции сетевого управления (network control, CNT).
46 Глава 2. Зональная сеть со сплошным покрытием: инфраструктура
для объединения в сеть датчиков и исполнительных механизмов
Физический уровень предоставляет функции беспроводных передачи и приема и
модуляции–демодуляции. Протокол управления доступом реализован для обеспечения управления множественным доступом и должен поддерживать различные
уровни качества обслуживания (QoS) сетевой инфраструктуры со сплошным покрытием. Точка доступа соединяется с магистральной сетью WAUN по протоколу
IP через сервер радиодоступа к сети (RANS) и использованием CNT, и подключение к беспроводному терминалу с датчиками или исполнительными механизмами
также устанавливается с использованием CNT. Функция CNT также управляет функциями PHY и MAC точки доступа и беспроводного терминала. Ключевые вопросы, касающиеся этих трех функций, описаны ниже.
Пример сотовой архитектуры показан на рис. 2.8. Каждая сота является шестиугольником размером в несколько километров, их совокупность образует структуру, подобную пчелиным сотам. В трех вершинах каждой соты размещены трехсекторные антенны, излучающие радиосигналы в направлении центра сот. Чтобы
избежать взаимовлияния смежных сот, им назначаются разные частотные каналы.
WT AP
CNT
MAC
PHY
CNT
MAC
PHY
RANS
WT
WT
Беспроводная
связь
Беспроводная сеть доступа
Магистральная сеть IP
Датчик
или орган
управления
Рис. 2.8. Конфигурация беспроводной соты
Рис. 2.7. Схема беспроводной сети доступа
: Точка доступа с трехсекторной антенной
AP(M
AP(R
AP(R AP(R
DROF
DROF
DROF
DROF
Прием
на разнесенные
антенны
Разнесение
точек приема
Прием
на разне(
сенные
антенны
2.5. Беспроводная сеть доступа [35] 47
Чтобы достичь высокой степени покрытия в соте, используются методы приема
на разнесенные антенны и разнесение точек приема. Функция PHY в ячейке
физически разделена между модулями двух типов: модуль модуляции–демодуляции и радиочастотный модуль приема–передачи. Модули первого типа расположены непосредственно среди основного оборудования точки доступа (master
equipment of the AP, AP M), модули второго типа размещены вместе с антенной,
удаленно (remote equipment of the AP, AP R). Обработка всех видов сигналов реализована в AP M. Передаваемые радиочастотные сигналы направляются на модули
AP R, а принимаемые этими модулями сигналы собираются в AP M. Для передачи
радиочастотных сигналов между AP M и AP R используется подсистема цифровой
передачи радиосигнала по кабелю (digitized radio over fiber, DROF) [11]. Оцифроанные радиосигналы передаются между AP M и AP R по сети Ethernet.
Сети с прямым доступом и с обратной связью
Глава I
Ориентиры развития сетей связи следующего поколения
Мария Ангелеш Каллежо Родригез и Жозе Энрике Габейраш
В последние годы по всему миру был запущен ряд проектов, призванных способствовать построению Интернета будущего (такие как GENI [1] и FIND [2] в США,
недавно созданный в Европе Future Internet Assembly [3] и Akari Project [4] в Японии). Во всех этих инновационных программах сообщества разработчиков предлагают новые стратегии развития существующего Интернета, которые с точки
зрения поддержания статус кво являются либо революционными, либо эволюционными. В случае революционных подходов, то есть при проектировании новых сетей, что называется, «с чистого листа», это правило предлагается использовать с самых первых этапов разработки (таких как обеспечение безопасности или
новая технология сетевой виртуализации), отбрасывая любые требования для обеспечения совместимости с существующей инфраструктурой. С другой стороны,
эволюционный путь в качестве отправной точки рассматривает существующую
инфраструктуру Интернета и предполагает преобразование архитектуры существующих сетей следующего поколения для соответствия требованиям будущих сервисов.
Цель этой главы – представить: а) обзор того, как проходит эволюция сетей
связи следующего поколения (NGN – Next Generation Communication Networks),
и б) описание ее роли в создании Интернета будущего. Также целью данной главы
является определение основных требований к сетям будущего, кроме того, в ней
обсуждается, как улучшение возможностей существующих сетей NGN позволит
обеспечить эти требования. Чтобы сделать такой обзор, в главе описывается набор целей, которым должны соответствовать сети будущего с учетом поведения
пользователей и развитием трафика Интернета, затем анализируются основные
проблемы и решения, связанные с обеспечением качества предоставляемых услуг
(QoS – Quality of Service), и, наконец, предлагается схема развития, которая должна задавать направление эволюции существующих сетей в Интернете будущего
с множественным доступом и множественной транспортировкой данных.
1.1. Требования к сетям NGN и роль QoS в Интернете будущего 17
1.1. Требования к сетям NGN и роль QoS
в Интернете будущего
В качестве первого шага построения Интернета будущего необходимо проанализировать ожидаемую эволюцию поведения пользователей Интернета. Одна из основных черт, характеризующих планирование работы сетей, имеющихся в настоящее
время, – это высокая неопределенность эволюции требований, предъявляемых к
этим сетям пользователями. В наши дни пользователи характеризуются разнообразием. Существует много различных приложений с разнообразными требованиями (сообщения «точка–точка», потоковая передача, передача голоса по протоколу
IP, блоги, социальные сети, чаты, игры и пр.), доступ к которым может производиться с различных устройств (мобильные устройства, персональные компьютеры,
игровые приставки и т.п.) с использованием различных способов подключения (мобильные подключения разных типов, стационарные подключения с разными способами передачи данных).
Были предприняты многочисленные попытки оценить, как ведут себя различные пользователи Интернета, но, вероятно, для определения потребностей
Интернета будущего наилучшим подходом для предсказания будущих пользовательских ожиданий могла бы являться классификация поведения пользователей
в зависимости от их возраста. В этом смысле основные группы поколений иденифицируются следующим образом:
• поколение X (родившиеся в 1960–1970 е годы) использует Интернет для
веб серфинга и доступа к электронной почте;
• поколение Y (родившиеся в 1980 х годах) использует Интернет в течение
всего дня, поэтому оно оценивает подключения к нему с точки зрения повсеместной распространенности и надежности;
• и, наконец, поколение Z (родившиеся в 1990–2000 х годах) привыкло к технологическим переменам и гораздо лучше знакомо с технологиями [5]. Это
поколение находится в сети почти постоянно и в течение всей жизни использует сети связи и медиатехнологии.
Ясно, что даже на протяжении небольшого отрезка времени появляются новые
модели использования сетевых технологий; это связано с тем, что предлагается
все более увеличивающийся набор сервисов, а с также тем, что люди начинают
пользоваться Интернетом с более раннего возраста. Следовательно, в зависимости от возможностей взаимодействия, при развитии сетей следующего поколения
необходимо рассматривать множество новых требований: сети будущего должны
обеспечивать выполнение новых требований к трафику и требований надежности, которые позволят конечным пользователям доверять доступности подключения, повсеместность доступа к сети, безопасность при использовании услуг, гибкость в удовлетворении различных требований, прозрачность и открытость, не
препятствующие развитию новых услуг, и способность предоставлять перспективные сервисы, объединяющие в себе все эти характеристики.
Важным индикатором для оценки пропускной способности каналов, которую должны обеспечивать сети будущего, являются оценки роста трафика в бли18 Глава 1. Ориентиры развития сетей связи следующего поколения
жайшие годы. По информации компании Cisco [6], как показано на рис. 1.1 (там
же), мы можем отметить значительный рост потребностей в новых мультимедийных приложениях, таких как онлайновые игры, потоковое видео или видеоконференции, требующих более высокой производительности сетей или гарантированной услуги QoS.
Рис. 1.1. Развитие интернет трафика по типу приложений [6]
Более того, это особенно важно для нового поколения молодых людей (о котором было упомянуто выше), которое всегда «висит» в Интернете ; для них можно организовывать собственные сервисы и обеспечивать подключение как важную услугу, за которую они готовы платить, чтобы иметь возможность доступа к
широкому набору интернет услуг. Предоставление сервисов подключения с улучшенным QoS станет ключевым элементом для бизнес модели операторов в Интернете будущего.
Из за той стратегической роли, которую стандарты играют в инновациях,
конкуренции и регулировании, в процессе создания сетей NGN важно обнаруживать изъяны в стандартизации, чтобы гарантировать честную игру различных
участников во время создания схемы будущего развития технологий. В этом контексте ключевую роль будут играть спецификации архитектуры сетей следующего поколения. Но каковы же основные цели создания таких сетей? Большинство
согласно с тем, что они могут быть выражены следующими основными положениями.
• Предоставление услуг высокого качества. В понятие «сети нового поколения» мы включаем эволюцию технологий доступа и внутренней организации, которые способны обеспечить более высокую полосу пропускания как
мобильных, так и стационарных сетей. Развитие этих технологий и является одной из основных тем, рассматриваемых в следующих главах.
• Эффективная среда доставки различных услуг. Важным вопросом, связанным с
сетями нового поколения, является интеграция новых сервисов в IP-сети. Все
эти сервисы должны быть интегрированы таким образом, чтобы были обеспе
чены возможности операторского уровня. Это позволит операторам предоставлять услуги (как по месту работы, так и по месту жительства) по одной сети.
0
2 000 000
4 000 000
6 000 000
8 000 000
10 000 000
12 000 000
14 000 000
2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011
Передача голоса
по протоколу IP
Видеоконференции
Игры
Соединения
«точка–точка»
Веб
Тб/месяц
1.1. Требования к сетям NGN и роль QoS в Интернете будущего 19
Кроме того, должно быть обеспечено предоставление таких же возможностей другим поставщикам услуг, не имеющим собственной сетевой инфраструктуры. Для эффективного выполнения такого сценария все возможности, связанные с предоставлением различных услуг в сетях NGN, должны быть
реализованы таким образом, чтобы управление ими было простым и для
операторов, и для конечных пользователей.
• Интеграция мобильных и стационарных сетей и сервисов. Поскольку конечные пользователи привыкли подключаться к Интернету посредством различных устройств и через разнотипные сети, то будет естественным ожидать, что в будущем все сервисы будут доступны из сетей всех типов путем
адаптации к характеристикам передачи этих сетей и оконечных пользовательских устройств.
В этой главе будет рассматриваться, как возможности управления сетями NGN
должны развиваться, чтобы сделать возможным обеспечение QoS и конвергенцию
сетевых сервисов, независимо от того, используется ли стационарный или мобильный доступ. Это означает, что необходимо избегать ненужного усложнения, которое может сделать принятые решения невыполнимыми на практике. В этой главе
не будет рассматриваться эволюция сетевых технологий, которые могли бы обеспечить более развитые сетевые функции (этому посвящены остальные части этой
книги), а основной упор будет сделан на то, как различные механизмы управления
этими функциями должны быть реализованы и стандартизированы, чтобы сделать
возможным достижение целей, поставленных перед сетями нового поколения.
Чтобы оценить пути реализации таких механизмов, прежде всего необходимо
рассмотреть структуру этих сетей. В документе ITU-T [8] показан и описан предварительный проект архитектуры сетей NGN. В этой архитектуре можно различить следующие уровни.
• Транспортный уровень, включающий:
Транспортные функции (в сетях доступа, сетях масштаба крупных городов и базовых сетях). Развитие данных функций связано с эволюцией
сетевых технологий (новые оптические решения для базовых сетей,
FTTH, новые механизмы беспроводной связи и пр.).
Функции управления транспортом (ресурсами и поступлением данных,
а также сетевой оснасткой). В настоящее время существуют несколько
видов стандартизации, касающихся направлений развития этого слоя:
ETSI/TISPAN [9], 3GPP [10] и ITU-T [11].
• Сервисный уровень, который включает функции управления сервисами (в
том числе сервисы, обслуживающие профиль пользователя) и функции
обеспечения сервисов и приложений. В принципе любой сервисный уровень может использовать возможности транспортного уровня, но наиболее
четким вариантом стандартизации (а также коммерческого применения)
пока является IMS (мультимедийная подсистема IP), развиваемая в проекте 3GPP, описывающем среду, в которой сетевой оператор.
Таким образом, принимая во внимание предсказываемые запросы пользователей к качеству услуг и рассматривая различные технологически ориентированные решения, предлагаемые для обеспечения сетями NGN требуемого уровня QoS,
20 Глава 1. Ориентиры развития сетей связи следующего поколения
одной из главнейших и сложных задач можно считать гарантированное обеспечение требований пользователей к QoS между конечными точками, вовлеченными
в коммуникационный процесс, затрагивающий несколько сегментов сети. Как
объясняется в документах ITU T [7] и [8], новая архитектура должна быть разработана так, чтобы обеспечивать выполнение этой цели, главная особенность которой – объединение и синхронизация задач, выполняемых на различных уровнях сетей при передаче данных из конца в конец (e2e – end-to-end). Более того,
решение должно также предусматривать взаимодействие с домашним шлюзом,
поскольку этот объект отвечает за управление домашней сети – первым и/или
последним звеном в цепочке сетевых соединений, и будут играть ключевую роль
в обеспечении качественной связью конечных пользователей.
В этом смысле возможности управления транспортом являются важнейшим
элементом, необходимым для успешного выполнения требований QoS при передаче из конца в конец. Несмотря на то, что многочисленные усилия по стандартизации, которые привели к разработке и воплощению этой функции управления в документах ETSI/TISPAN [9], 3GPP [10] и ITU T [11], общего решения до
сих пор не существует, поскольку каждый из предлагаемых вариантов стандарта
основывается на различных технологиях, и предлагаемые решения содержат различные интерфейсы для резервирования и выделения ресурсов. Таким образом, к
настоящему времени реализованы только частичные решения по обеспечению
QoS в отдельных базовых технологиях, не имеющие существенного значения для
передачи данных из конца в конец. Кроме того, эти решения обычно требуют ручного конфигурирования администратором (что приводит к значительным операционным затратам) и, таким образом, изменение конфигурации по интерактивным запросам пользователей при таких решениях крайне затруднено.
В следующем разделе будет приведен обзор экспериментальной системы, предназначенной для решения этой проблемы (система EuQoS). Она разработана для
создания основы, способной обеспечить e2e QoS для конечных пользователей при
работе в гетерогенных сетях. Разработка этой системы и ее внедрение позволили
авторам решить проблемы, имеющиеся в настоящее время в существующих спецификациях управления транспортными функциями сетей NGN, и предоставить
ряд рекомендаций по разработке архитектуры, способной реализовать интеграцию стационарного и мобильного доступа для обеспечения IP сервисов операторского уровня.
1.1.1. Система EuQoS как решение для обеспечения QoS
при передаче данных из конца в конец
Главным достижением проекта EuQoS [12] стали проектирование, разработка,
интеграция, тестирование и утверждение механизмов QoS в гетерогенных сетях
при сохранении принципа открытости Интернета. В сущности, система EuQoS
обеспечила новый подход, который позволяет оператору сети получать преимущества от того, что требования новых интернет сервисов становятся движущей
силой новых коммерческих предложений, основанных на улучшенных возможностях, затребованных конечными пользователями.
1.1. Требования к сетям NGN и роль QoS в Интернете будущего 21
Архитектура этой системы, представленная в работе Каллежо и др. [13], дает
возможность операторам обеспечивать качественное соединение конечных
пользователей по гетерогенным сетям. Такой подход рассматривает нейтральность
сети как требование к Интернету будущего, выдвигаемое и пользователями, и регуляторами, и, следовательно, система должна давать возможность конечному
пользователю затребовать от сети специфический тип услуг (реального времени,
нереального времени и т.д.) независимо от конкретных услуг, предоставляемых
данным провайдером. Это означает, что нельзя заранее установить связь между
приложениями и уровнями сервиса. Система EuQoS способна гарантировать e2e
QoS в соответствии с требованиями пользователя путем координации работы механизмов QoS, имеющихся в различных сетевых технологиях и встречающихся
на пути прохождения сигнала. Это достигается определением набора хорошо известных классов обслуживания e2e (известных конечному пользователю), которые ставятся в соответствие с различными базовыми сетевыми механизмами в
каждом коммуникационном сегменте. Для обеспечения масштабируемости такого решения используются два подхода: долговременный период предоставления
услуг (ресурсы резервируются в соответствии с интегральными показателями масштабов сети и ожидаемыми потребностями пользователей) и краткосрочный период сессий, устанавливаемых конечными пользователями (процессы, применяющиеся в технологиях доступа, должны вызываться для обеспечения соединения
на долгосрочный период).
Для построения и использования маршрутов с гарантированной QoS, а также наблюдения за их состоянием в работе Каллежо и др. [13] была предложена
многоуровневая архитектура. Она изображена на рис. 1.2, где показаны основные уровни и интерфейсы. Кратко опишем реализованную в ней функциональность.
• Плоскость услуг обеспечивает интерфейс QoS по требованию, который дает
возможность конечным пользователям запросить для своих приложений гарантированное QoS. Кроме того, в ней выполняются аутентификация, авторизация, управление учетными записями (AAA – Authentication, Authorization
and Accounting) и начисление платы за услуги. Этот интерфейс обеспечивает
QoS как службу, которая может быть использована любым приложением или
другой службой без необходимости интеграции в плоскость услуг полного
стека прикладной сигнализации.
• Плоскость управления отвечает за работу процедур управления для обеспечения QoS как на этапе запроса данных, так и на этапе их получения. Плоскость управления разделена два уровня.
• Уровень, не зависимый от сетевых технологий, предоставляет опорную
точку, которая используется плоскостью услуг и домашним шлюзом, чтобы запрашивать резервирование ресурсов, он управляет абстрагированной
топологией домена, поддерживает набор правил оператора, определяет
местоположение пользователей и взаимодействует с другими доменами,
вовлеченными в маршрут e2e с гарантированным QoS, используя интерфейс, предоставляемый другими не зависимыми от сетевых технологий
уровнями.
22 Глава 1. Ориентиры развития сетей связи следующего поколения
• Уровень, зависимый от сетевых технологий, предоставляет хорошо извест
ный интерфейс для независимых уровней и соотносит классы обслужива
ния e2e со специфическими базовыми механизмами сети, применяет спе
циальные алгоритмы входного контроля (например, в мобильных сетях он
может учитывать физические параметры, а в стационарных сетях эта воз
можность опциональна) и взаимодействует с сетевым оборудованием для
настройки политики QoS.
Согласно замыслу и оценке системы EuQoS, следующие принципы должны
обеспечиваться при создании спецификации возможностей управления сетями
будущего.
1. Должен предоставляться набор хорошо известных независимых от техно
логий классов обслуживания. Эти e2e классы обслуживания должны до
пускать реализацию сервисов при использовании различных технологий без
необходимости применения специфических для каждого типа сети реше
ний. Такие классы перечислены в ссылке 14.
2. Необходимо провести разграничение между различными уровнями и соз
дать четкую спецификацию опорных точек на каждом уровне или плоско
сти. Это позволит реализовать многочисленные сценарии поверх одной и
той же инфраструктуры (с возможностями прямого доступа к слою управ
ления для домашнего шлюза или провайдера услуг; домашний пользова
тель сможет использовать интерфейс QoS по требованию).
3. Необходимо различать механизмы, зависимые и не зависимые от сетевых
технологий. Это сделает внедрение решений более простым. Поставщики
услуг, или вендоры, должны лишь обеспечить общий интерфейс для при
менения возможностей QoS в их системах управления. Более того, если в
будущем такой интерфейс будет предоставляться сетевым оборудованием,
разработка специальных систем управления окажется ненужной.
Все эти принципы применимы к проектированию систем управления с целью
обеспечения гарантированного QoS, но некоторые из них можно использовать и
при разработке других элементов.
Рис. 1.2. Архитекутра EuQoS (опорные точки и протоколы)
NSIS
SOAP
Пользователь
EuQoS Плоскость услуг
EQ SAP
NSIS
Слой управления
Не обусловленный
технологиями Домашний
NSIS шлюз
Обусловленный
технологиями
COPS
Реализация,
зависимая от технологий
Схема
транспортного уровня
QoS
по требованию и связанные с этим рекомендации
На основании опыта авторов в разработке, внедрении и проверке систем, способных обеспечить услугу QoS в гетерогенных сетях, в этом разделе определяется ряд
проблем, связанных с разработкой сетей NGN, рассматриваются возможности и
даются рекомендации по их преодолению, которые могут ускорить процессы стандартизации некоторых инициатив ITU T по развитию сетей NGN в области обеспечения возможности конечных пользователей управлять услугами, такими как
AMS (Advanced Multimedia System – улучшенная система мультимедиа), а также
любой другой процесс стандартизации.
1.2.1. Проблемы эффективного обеспечения QoS
В результате множества приведенных в данной работе исследований различных
решений и архитектур были обнаружены возможные узкие места в существующих стандартах и коммерческих решениях.
Проблема 1: интеграция сигналов от приложений в сетях NGN. Большинство
современных спецификаций сетей NGN предполагает интеграцию прикладной
сигнализации. Это означает, что для предоставления QoS некоторым специфическим службам такая сеть должна не только знать о существовании этой сигнализации, но также участвовать в процессе согласования служб между собой (при
выборе кодеков, обнаружении пользователей и др.).
Широко известным примером является IMS, которая описывает использование протокола SIP (Session Initiation Protocol – протокол инициализации сессии)
как единственного способа взаимодействия с функцией P CSCF (Proxy Call Session
Control Function – прокси сервер управления вызовами и сеансами, который является первым местом взамодействия конечного пользователя с управляющими
объектами IMS). Если обнаружится, что протокол SIP не подходит для работы с
различными приложениями или сервисами, основа управления IMS становится
бесполезной в качестве плоскости услуг (или на уровне приложений) NGN в сетях Интернета будущего для любых типов приложений. К тому же имеется некоторое количество жалоб от разработчиков приложений в связи с недостатком спецификаций, описывающих действия в случае обнаружения сигнализации приложения.
Более того, необходимо учитывать большое разнообразие протоколов приложений, используемых сейчас в Интернете (MSN, Skype, приложения потоковой связи «точка–точка» и т.п.), сохранение существующих принципов разработки может привести к сложным системам, где несколько шлюзов должны быть
интегрированы для взаимодействия с наиболее популярными пользовательскими приложениями, причем не обязательно основанными на протоколе SIP. Наконец, если мы примем во внимание, что в Интернете будущего пользователи будут не только потреблять услуги, но и предоставлять их и даже создавать новые,
можно ожидать, что в будущем появятся разнообразные приложения, не использующие IMS.
Резюмируя, скажем, что требование интеграции в NGN прикладной сигнализации может привести к двум основным сценариям.
• Сложные системы, ответственные за управление многочисленными сигнальными протоколами или с несколькими шлюзами, в которых предоставление перспективных услуг для новых (и, возможно, популярных среди
пользователей) приложений будет занимать больше времени. Этот сценарий может привести к появлению решений, управление которыми будет
затруднено из за их сложности, а также недостаточной масштабируемости.
• «Огороженные сады» (walled gardens), где только отдельные услуги будут
предоставляться по принципу QoS, теряя при этом открытость как основной принцип Интернета. Вероятно, такой вариант не станет привлекательным для операторов, поскольку они не смогут предложить своим конечным пользователям передовые услуги соединения (пользователи главным
критерием качества услуг сервис провайдера считают возможность взаимодействия с другими точками сети), а также не смогут предоставить свои
сетевые ресурсы приложениям третьих сторон.
Проблема 2: нечеткие спецификации интерфейсов. В текущих рекомендациях и
спецификациях имеются явно выраженные слабые места в описании спецификаций интерфейсов и опорных точек. Эту проблему можно выразить следующими
положениями.
• Существуют три основных подхода в стандартизации, описывающие функционал управления транспортом в сетях. Каждый из подходов предлагает
свой, отличный от других, интерфейс, что приводит к появлению проблем
взаимодействия. Это хорошо известная проблема, и на самом деле появляются попытки найти совместное, общее для всех решение (например, отчетливо наблюдается попытка интеграции между 3GPP и ETSI/TISPAN).
• Некоторые интерфейсы не имеют точного определения и оставлены для
дальнейшего изучения (как, например, интерфейс взаимодействия между
доверенным CPE и RACF в Y.2111, что будет важным для полной интеграции домашних шлюзов с плоскостью управления оператора).
• Другие интерфейсы определены только в терминах методов, параметров и
требований к транзакциям. Какие протоколы выбирать для этих интерфейсов, пока неясно.
Такое отсутствие четких спецификаций опорных точек может привести к тому,
что разные вендоры будут предлагать свои собственные решения для системы в
целом. Это в свою очередь приведет к проблемам взаимодействия между оборудованием различных производителей, что, конечно, приведет к проблемам взаимодействия при формировании решений с участием нескольких поставщиков (то
есть возможности управления одного производителя окажутся способны взаимодействовать с оборудованием двух различных поставщиков) или при взаимодействии между различными доменами сети.
В качестве примера можно упомянуть рекомендацию ITU T Y.2111, в которой
подробности взаимодействия между различными RACF (опорная точка Ri) оставлены для изучения в будущем. Взаимодействие является обязательным, если
разные домены, вовлеченные в передачу из конца в конец, совместно используют
информацию QoS, это должно быть определено в других подходах стандартизации и реализовано некоторыми поставщиками, в частности:
• ETSI/TISPAN предоставило протокол RCIP (Resource Connection Initiation
Protocol – протокол ресурсов для установления соединения), который предложен, чтобы разрешить взаимодействие между различными RACS (подобно ITU T NGN RACF) в ходе резервирования ресурсов для гарантирования
определенного уровня QoS.
• В ходе работы над книгой изготовитель телекоммуникационного оборудования1 выпустил коммерческую реализацию RACS (модуль ETSI/TISPAN,
подобный ITU T NGN RACF), который предоставляет интерфейс, подобный RCIP, для связи между различными диспетчерами ресурсов.
При таком сценарии весьма вероятно, что окончательная спецификация взаимодействия, основанная на протоколе RCIP, будет отличаться от его реализации
в коммерческом оборудовании, выпускаемом сейчас, что в будущем станет источником проблем при организации взаимодействия.
Проблема 3: нечеткие спецификации функциональных модулей. Текущие спецификации некоторых модулей фактически не описывают общие конечные автоматы модулей и функций. Такой сценарий может привести к появлению решений,
привязанных к производителю, что приведет к соперничеству не только из-за
проблем взаимодействия оборудования различных поставщиков, но так же в связи с тем, что оно будет иметь перекрывающуюся функциональность или, наоборот, изъяны в ней.
Таким образом, необходимо поддерживать спецификации интерфейсов в процессе разработки. Наличие точных определений и стандартизация алгоритмов,
реализующих функциональности фактически могло бы создать конкурентные
различия между различными провайдерами и как минимум, четко определяло бы
входные и выходные параметры и содержало бы исходное описание процессов,
которые должны были бы вызываться в каждом модуле.
Проблема 4: закрытые интерфейсы конфигурирования сетевого оборудования.
Одним из ключевых моментов в предоставлении QoS является координация различных механизмов предоставления этой услуги, доступных в различных сетевых
технологиях. Для такой координации важно иметь доступ к сетевому оборудованию, вовлеченному в процесс передачи данных из конца в конец, и не менее важно иметь доступные механизмы, передающие команды конфигурирования различному оборудованию.
Например, во время интеграции системы EuQoS в некоторые сетевые технологии оказалось необходимым обратить внимание на ряд проблем интеграции в
связи с отсутствием общих опорных точек в различных элементах сети. В частности, при интеграции технологии UMTS имелись различные опорные точки для
взаимодействия с GGSN, зависящие от провайдера. Это привело к необходимости для EuQoS при настройке контекста PDP полагаться на пользовательский интерфейс UMTS, который является единственным удовлетворяющим требования
стандартов решением по интеграции встроенных в UMTS механизмов QoS.
1 Huawei, в RM9000 – диспетчере ресурсов.
С похожими проблемами пришлось столкнуться при интеграции технологий,
где различные стратегии взаимодействия с маршрутизаторами привели к усилившейся зависимости от поставщика оборудования.
Если в сетевом оборудовании имеются закрытые интерфейсы, будет сложно
организовать предоставление гарантированного QoS из за сильной зависимости
от специфических решений поставщиков, которые, вероятно, будут пытаться предоставлять для нового оборудования свои собственные системы управления. Если
к этому присовокупить отсутствие четких спецификаций интерфейса между различными уровнями управления (в частности между технологиями RACS, реализованными в различных доменах), это может в целом привести к проблемам при
организации взаимодействия (как между технологиями, так и между сетевыми
доменами), делая услугу предоставления QoS при передаче данных из конца в конец почти невозможной.
Проблема 5: среда регулирования не вполне ясна. В настоящее время по всему
миру реализовано множество сценариев регулирования и наблюдается четкая тенденция к усилению некоторых способов разделения сервисов и сетевых операций.
При таком сценарии все системы, построенные на вертикальной интеграции сервисов и сетей, вероятно, окажутся неработоспособными. Таким образом, чтобы
гарантировать обоснованность предложений NGN в различных сценариях, необходима четкая спецификация интерфейсов между уровнем сервисов и сетевым уровнем. Это означает, что спецификации NGN должны отвечать требованиям, предъявляемым различными ролями, которые могут возникнуть в разных бизнес-моделях,
появление которых можно предсказать в недалеком будущем.
В этом контексте наличие четких спецификаций опорных точек будет обязательным.
1.2.2. Рекомендации и предложения по обеспечению QoS в NGN
В соответствии с проблемами, показанными в разд. 1.2.1, и на основе опыта авторов в этом разделе приведены рекомендации, которые должны дать возможность
интегрировать возможности предоставления QoS при передаче данных из конца
в конец в концепции NGN ITU T.
Все рекомендации даны с учетом того, что и конечные пользователи (которые
хотят улучшить свой QoE в Интернете), и регуляторы (чья позиция явно выражает
неприятие «огороженных садов») будут требовать обеспечения прозрачности сети.
Рекомендация 1: четко анализировать знания пользователей и их требования. В эпоху Интернета поведение конечных пользователей стало труднопрогнозируемым.
Операторы стали свидетелями эволюции от ситуации с одной услугой и хорошо
предсказуемыми требованиями до состояния с множеством услуг, большинство из
которых создавались пользователями, и требования этих пользователей становились весьма непредсказуемыми. Следовательно, нам надо оценить требования
пользователей и развитие этих требований в настоящее время. Важно провести маркетинговые исследования, чтобы узнать ожидания конечных пользователей и как
эти ожидания могут использовать новые возможности QoS с новыми услугами.
В частности должны быть получены ответы на следующие вопросы.
• Каковы знания конечных пользователей о QoS? Что они действительно знают об этой концепции?
• Какие атрибуты соединения из конца в конец (безопасность, надежность,
доступность, восстановление после сбоев и пр.) могут быть востребованы
конечными пользователями?
• Какие устройства (IPhone, PDA, ноутбуки и пр.) конечные пользователи
используют чаще всего? Как много особенностей услуги должен оговаривать конечный пользователь?
• Какие сервисы Интернета более востребованы конечными пользователями? Какая величина добавленной стоимости услуг оператора приемлема для
конечных пользователей?
Ответив на эти вопросы, мы смогли бы описать текущее использование Интернета и сделать вывод о требованиях к доступу к Интернету будущего. Для этого
важно решить следующие проблемы.
• Определение имеющихся ограничений доступа в Интернет в терминах QoS
с точки зрения конечного пользователя.
• Определение новых требований к производительности сети, особенно принимая во внимание такие новые услуги, как телевидение высокой четкости
(и ассоциированные с ним требования к QoS), 3D приложения или приложения P2P. Это может гарантировать качество e2e QoS (IPTD, IPDV и IPLR)
и других характеристик производительности (доступность, безопасность,
время восстановления после сбоев и пр.).
• Первоначальный вариант интерфейсов конечного пользователя, что может
вызвать появление услуг с расширенными сетевыми возможностями.
Такой анализ будет обязателен в спецификации опорных точек конечного
пользователя для услуги AMS, это должно быть понято конечным пользователем,
при этом надо обеспечить поддержку запросов от различных приложений Интернета с различными требованиями к QoS.
Рекомендация 2: QoS не должно противопоставляться нейтральности сети. Эволюция транспортных технологий NGN, предложенная в виде сетевых сервисов,
создает прекрасные возможности для инноваций, но не только для операторов
(предоставляющих свои собственные услуги), но также для конечных пользователей и поставщиков услуг. Если эти возможности предоставляются на равных
условиях, QoS становится явным стимулом для развития предоставления гарантированных услуг любой стороне.
Фактически для предоставления гарантированного QoS не обязательно сокращение трафика приложений, не использующих QoS. Для соответствия этому
требованию важно предоставить конечному пользователю и поставщику услуг понятный интерфейс (или набор интерфейсов), позволяющий пользователю выбирать, какой уровень QoS требуется для каждого из его потоков данных. Таким образом, услуга QoS будет предоставляться не только для услуг, оказываемых этим
оператором, но также и для других услуг Интернета согласно требованиям конечного пользователя.
Если инфраструктура соответствует этим требованиям, то у оператора сети
могла бы появиться возможность предоставлять свои собственные службы, а так
28 Глава 1. Ориентиры развития сетей связи следующего поколения
же использовать приложения третьих сторон (интернет услуг), побудивших его
предлагать улучшенный сервис подключений с QoS. В сценарии, когда QoS пред
лагается как услуга, необходимо обеспечить наличие механизмов, гарантирую
щих эффективное предоставление возможностей, и, следовательно, эти возмож
ности контроля должны быть учтены при разработке самой системы.
Рекомендация 3: необходимо сделать предварительные наброски новых бизнес
моделей. Кларк и др. [15] говорят, что «можно учиться у прошлого». Для некото
рых членов сообщества разработчиков настоящим потрясением в последние не
сколько лет стала неудача попытки описать QoS так, чтобы она стала услугой,
предоставляемой соединениями из конца в конец. Эта неудача явилась следстви
ем попытки сделать такой же услугой широковещание в сети. Представляется по
учительным проанализировать эти попытки.
Вот одно из предположений. Для провайдеров внедрение QoS означает, что
они должны будут потратить деньги на модернизацию маршрутизаторов, произ
вести дополнительные управленческие и операционные расходы. И это реальные
затраты. Гарантий увеличения прибыли нет. Зачем в таком случае рисковать и де
лать инвестиции?
Если бы пользователи могли обеспечить эффективное конкурентное давление
на провайдеров, выбирая из них, то страх и жадность могли бы подтолкнуть их к ин
вестированию, но конкурентного давления в этом случае недостаточно. С другой сто
роны, если провайдеры используют закрытые механизмы QoS, не делая их открыты
ми для всех, они значительно увеличивают возможности получения доходов. Так,
например, если они внедрят механизмы QoS, но будут применять их только для тех
приложений, которые продают сами, то тем самым они будут уменьшать открытость
Интернета и создадут возможности для вертикальной интеграции. Если интернет
телефония требует для своей работы QoS и провайдеры включают эту услугу только
для своей версии телефонии, то они могут устанавливать монопольные цены.
Это предположение дает нам основание предполагать, что развитие текущей
модели интернета может проходить двумя способами: классический Интернет и
Интернет высокого качества («премиум класса»), когда провайдеры будут вкла
дывать деньги в оборудование NGN, чтобы гарантировать высокие показатели
QoS, но по высоким ценам.
С общественной точки зрения это означало бы потерю Интернетом универ
сальности. В этом контексте является обязательным описание бизнес модели,
призванной обеспечивать лучшее использование ресурсов и прибыль.
В этом контексте также должно быть учтено развитие общества. При изучении
новое поколение было охарактеризовано как «постоянно подключенное», исполь
зующее широкий набор сервисов и приложений в Интернете (социальные сети,
файлообмен, видеопоточные приложения, игры и пр.), таким образом, эти люди
должны высоко ценить, что все эти сервисы прозрачны, надежны, повсеместны и
способны обеспечивать многочисленные требования к профилям трафика. Это
может стать отправной точкой для описания бизнес моделей, которые могли бы
гарантировать внедрение QoS для передачи из конца в конец.
С другой стороны, некоторые поставщики услуг, не объединенные с сетевыми
провайдерами, могли бы сотрудничать с ними (из числа тех, которые контроли
1.2. Проблемы развития сетей NGN и связанные с этим рекомендации 29
руют «последнюю милю») для предоставления операторских услуг. Это может пред
ставлять определенный интерес для сервисов, использующих потоковую переда
чу1, или игровых приложений2.
Необходимо отметить, что спецификации этих бизнес моделей должны так
же принимать во внимание развитие соглашений о взаимодействии.
Рекомендация 4: продвигать стандартизацию коммерческого оборудования и реа
лизацию в нем опорных точек. Как уже говорилось раньше, одной из ключевых
особенностей предоставления QoS является координация различных механизмов
предоставления этой услуги, доступных в различных технологиях. Для такой ко
ординации важно иметь доступ к сетевому оборудованию, задействованному в
процессе передачи данных из конца в конец, также важно иметь возможность
внести небольшие изменения в различное оборудование.
Для достижения поставленной цели необходимо подробное описание опор
ных точек в различном сетевом оборудовании для использования встроенных в
него механизмов обеспечения QoS из конца в конец. Это поможет избежать схо
жих проблем, с которыми столкнулись в проекте EuQoS при интеграции UMTS и
технологий Ethernet, описанных в предыдущем разделе.
Как первый шаг в этом направлении, некоторые компании3 недавно сделали
свои интерфейсы и операционные системы открытыми и предоставили третьей
стороне возможность интегрировать различные приложения, такие, например,
как стратегии управления полосой пропускания.
Рекомендация 5: разработать общую структуру предоставления QoS из конца в
конец: модели взаимосвязей IP. Чтобы действительно соответствовать требовани
ям QoS, необходимо гарантировать, что услуга предоставляется на протяжении
всего маршрута, из конца в конец. Таким образом, необходима координация между
различными доменами и технологиями, по меньшей мере при использовании раз
личных технологий доступа. Следовательно, необходимо определить общие прин
ципы для взаимодействия по протоколу IP в качестве основы для синхронизации
механизмов QoS, использующихся в различных доменах. Необходимо изучить
вклад протоколов маршрутизации (влияние на). Как указано в ссылке 8, система
EuQoS представляет свою технологию междоменной маршрутизации, основыва
ющуюся на EQBGP и дающую возможность различным доменам объявлять о сво
их возможностях обеспечения QoS.
Поэтому чтобы гарантировать предоставление e2e QoS в любой сети, важно
определить классы обслуживания (CoS – classes of services), которые были бы хо
рошо известны всем доменам (отсюда следует, что каждый класс они будут реали
1 На сайте http://www.layer3media.com/joost/joost network.pdf Joost описывает свой вариант архитектуры для обеспечения сервиса VoD (Video on Demand), основанного на системах P2P, но в заключение заявлено, что возможное сотрудничество с сетевыми провайдерами может быть выгодным с точки зрения контроля возможностей, доступных на «последней миле» (то есть не находящихся под контролем поставщиков услуг).
2 Сервис Live приставки XBox мог бы получить преимущества от возможностей QoS для
того, чтобы улучшить QoE конечного пользователя.
3 Компании Juniper и Cisco недавно выпустили SDK для своих операционных систем.
зовывать по своим стратегиям), чтобы определить правила объединения для ин
фраструктуры управления.
Рекомендация 6: реализовывать предварительные версии некоторых интерфей
сов. Как уже говорилось ранее, одной из основных проблем разработки архитек
туры NGN является составление спецификаций интерфейсов и их реализация.
Для их успешной реализации необходима возможность проведения тестирования
взаимодействия. По этой причине можно рекомендовать создание базовых моду
лей для последующего тестирования на совместимость.
Рекомендация 7: создать общий план развития сетей следующего поколения. Для
обеспечения согласованности действий в процессе стандартизации NGN, ITU T,
ETSI/TISPAN и 3GPPP необходимо представить четкий план развития техноло
гий, бизнес моделей, требований пользователей и пр., которые должны быть уч
тены или будут учтены в ближайшем будущем. Это позволит согласовать иссле
довательские работы по стандартизации, а также усилия основных поставщиков
по внедрению новых технологий.
В целом этот план должен помочь различным участникам (операторы, вендо
ры, регуляторы и пр.) определить, когда можно ожидать появления стандартов и
каких именно.
1.3. План развития сетей следующего поколения
Для согласованного и эффективного развития сетей NGN как ключевой компонен
ты Интернета будущего, согласно рекомендациям, представленным в предыдущем
разделе, необходимо подробно изложить план, который определит развитие техно
логий NGN. В рамках проекта EuQoS такой план развития был разработан с учетом
состояния технологий на тот момент. Его представили Каллежо и Энрике [16], позже
он был обновлен (см. рис. 1.3) с учетом последних исследований.
План развития технологий учитывал как технологические перспективы, так и
перспективы для бизнеса. В частности рассматриваются следующие пути развития:
бизнес модели, требования пользователей, плоскость услуг, плоскость управле
ния, базовые сетевые технологии и операционные возможности.
Тенденция развития 1: анализ различных бизнес моделей. При определении пу
тей развития сетей NGN анализ подходящих бизнес моделей является обязатель
ным. Важно четко определить, как можно стимулировать разработку новых воз
можностей в различных заинтересованных кругах.
Чтобы построить Интернет будущего с дополнительными возможностями, важ
но понять, какие стороны получат от этого преимущества и какую прибыль можно
будет получит, как в прямой форме (например, если клиенты непосредственно оп
лачивают услуги), так и косвенно (то есть доходы за счет рекламы). Это могло бы
привести к описанию требований, предъявляемых к открытым интерфейсам (с эко
номической точки зрения), и к развитию существующих моделей взаимодействия.
Тенденция развития 2: анализ требований конечных пользователей. Как отмечено в
рекомендациях, анализ поведения конечных пользователей и оценка их будущих пред
почтений являются необходимыми для успеха сетей NGN. Это требование может
охватывать многие аспекты, такие как безопасность, удобство интерфейса и т.д.
1.3. План развития сетей следующего поколения 31
Рис. 1.3. План развития сетей следующего поколения
Декабрь 2007 г. Декабрь 2008 г. Декабрь 2009 г. Декабрь 2010 г. Декабрь 2011 г.
Сервисы Triple Play Бизнес(модели
Открытый
интерфейс
Нейтральность сети
Домашние сети
Легкость использования
и понятность Безопасность
Безопасность
Безопасность
LTE
Облегченные подходы к QoS
Пересмотр основ QoS
(новые требования к QoS)
FTTx
HGI
UMTS
Ethernet
IP/MPLS
WiFi
xDSL
Междомен(
ность
NAT
EQ(BGP CAC
AAA и начисление оплаты
Передача трафика
Услуга QoS по требованию
Зависимый от технологий
профиль пользователя
В соответствии с технологиями
Независимо
от технологий
IPv6
NAT
Wimax
GMPLS
HSPA
Спутник
Обслуживание топологии
Оценка производительности
Наблюдение за трафиком Интернета
Восстановление после сбоев
Система контроля QoS
Алгоритмы многоуровневого восстановления
Координация IP/GMPLS
Обнаружение атак DoS
Слежение
по потокам
NASS (TISPAN)
Интеграция со слоем Новые модели данных
управления 3GPP
Управление динами(
ческой адресацией
Предоплата
PCE
Открытые интерфейсы для конфигурирования профиля пользователя
Модель Интернета
Разделение по структуре: API для третьих лиц
Модели взаимосвязей IP
E2E QoS
Доступность услуг
Широкая распространенность услуг
Требования пользователей
Плоскость услуг
Слой управления
Базовые технологии
OAM
Блуждающий
пользователь
Любые сигналы
приложений (SIP, H.323)
Наблюдение
потоков
в совокупности
Тенденция развития 3: эволюция плоскости управления. Это направление раз
вития сосредоточено на анализе функций, которые должна обеспечивать плос
кость управления сетей NGN. Эти технические функции разрабатываются соглас
но бизнес моделям и требованиям пользователей.
В данной теме рассматриваются вопросы управления профилями пользовате
лей и механизмами AAA.
Тенденция развития 4: эволюция плоскости управления. При данном направле
нии развития должен быть проведен анализ механизмов и возможностей, кото
рые должны быть интегрированы (разработаны) для внедрения услуги гарантиро
ванного QoS. При развитии данной плоскости необходимо учитывать операции с
точки зрения разных масштабов времени (например, для резервирования всех
потоков или действий, совершаемых по запросу пользователя).
Тенденция развития 5: эволюция базовых сетевых возможностей (транспортные
возможности). По мере появления новых сетевых технологий важно ответить на
вопрос, когда будут созданы решения, способные взаимодействовать с новым се
тевым оборудованием и использовать их встроенные механизмы QoS.
Кроме того, важно убедиться, что различные сетевые технологии могут взаимо
действовать и работать согласованно. Примером может служить согласование ра
боты оптических систем и IP марштуризаторов ядра (магистральных IP маршру
тизаторов) IP.
Тенденция развития 6: эволюция OAM (Operation, Administration, and Maintenance –
работа, администрирование и обслуживание). Понятие OAM включает в себя все
функции, которые должна выполнять коммерческая система, главным образом в
области безопасности и аудита (контроля). Это ключевое требование для гаран
тированной возможности отслеживать доставку услуг, использующих механиз
мы QoS.
Литература
1. http://www.geni.net/.
2. http://www.nets find.net/.
3. http://www.future internet.eu/.
4. http://akari project.nict.go.jp/eng/index2.htm.
5. The generation Z connection: Teaching information literacy to the newest net generation,
Teacher Librarian. Available online. February 2006.
6. Cisco, Global IP traffic forecast and methodology 2006–2011, January 2008.
7. ITU T Y.2001, General overview of NGN, December 2004.
8. ITU T Y.2012, Functional requirements and architecture of the NGN release 1, June
2006.
9. http://www.etsi.org/tispan/.
10. http://www.3gpp.org/.
11. http://www.itu.int/en/pages/default.aspx.
12. http://www.euqos.eu/.
13. M. A. Callejo, J. Enriquez, et al., EuQoS: End to end QoS over heterogeneous networks,
ITU,T Innovations in NGN – Future Network and Services, Geneva, pp. 177–184. May
2008.
Литература 33
14. X. Masip, J. Enriquez, M. A. Callejo, et al., The EuQoS system: A solution for QoS routing
in heterogeneous networks. IEEE Communi. Maga., Vol. 45, pp. 96–103. February 2007.
15. D. D. Clark, J. Wroclawski, K. Sollins, and R. Braden, Tussle in cyberspace: Defining
tomorrow’s Internet, SIGCOMM 2002.
16. M. A. Callejo and J. Enriquez, Bridging the standardization Gap to provide QoS in current
NGN architectures, IEEE Communi. Maga., Vol. 46, pp. 132–137, October 2008.
ÃËÀÂÀ 2
ÇÎÍÀËÜÍÀß ÑÅÒÜ
ÑÎ ÑÏËÎØÍÛÌ ÏÎÊÐÛÒÈÅÌ:
ÈÍÔÐÀÑÒÐÓÊÒÓÐÀ ÄËß ÎÁÚÅÄÈÍÅÍÈß
 ÑÅÒÜ ÄÀÒ×ÈÊÎÂ
È ÈÑÏÎËÍÈÒÅËÜÍÛÕ ÌÅÕÀÍÈÇÌÎÂ
Хироши Сайто, Масато Мацуо, Осами Кагами, Шигеру Кувано,
Дайсэй Учида и Юйчи Кадо
2.1. Введение
Рост трафика Интернета был устойчивым, поскольку увеличивался темп со
здания проводных и беспроводных линий доступа, что явилось следствием кон
куренции между провайдерами в предоставлении услуг высокоскоростной свя
зи, например от ADSL к FTTH или от третьего поколения сотовых сетей к их
дальнейшему развитию. Как результат этой сильной конкуренции число под
писчиков на услуги широкополосной связи быстро увеличивалось, а цены на
услуги связи снижались, хотя скорость доступа увеличивалась (см. рис. 2.1).
Рис. 2.1. Стоимость широкополосного доступа в Японии. (Указаны цены обычных
услуг ADSL/FTTH, предоставляемых компанией NTT East.) Источник дан
ных: http://www.johotsusintokei.soumu.go.jp/whitepaper/html/H1401000.html
10 000
9000
8000
7000
6000
5000
4000
3000
2000
1000
0
2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006
Цена, йен в месяц
Год
ADSL
FTTH
Источник данных:
http://www.johotsusintokei.soumu.go.jp/whitepaper/ja/h17/html/H1401000.html
2.1. Введение 35
Кроме того, многие провайдеры установили фиксированную оплату. Такая оплата
использовалась в сетях проводной связи, но провайдеры услуг сотовой связи так
же стали вводить ее, преимущественно для услуг передачи данных (см. рис. 2.2).
При такой системе оплаты выручка операторов связи не увеличивается, даже если
объем трафика значительно растет. Однако тем провайдерам, которые уже ввели
безлимитные тарифы, сложно от них отказаться, поскольку они привлекательны
для клиентов с большим трафиком и являются важным фактором для сохранения
таких клиентов.
Безлимитные тарифы и снижение цен неявно подразумевают снижение доходов
провайдеров, когда прекращается рост числа подписчиков на услуги широкополос
ного доступа. Таким образом, провайдерам необходимо искать новые источники до
ходов. А такие источники требуют новых механизмов подключения, не через суще
ствующие уже способы широкополосного доступа к сети. Это происходит потому,
что уже существующие способы не могут являться новыми источниками дохода.
В качестве одной из сторон компьютерных технологий изучалась концепция
«вездесущих (повсеместных) вычислений» (ubiquitous computing) [1]. Эта концеп
ция требует, чтобы компьютеры постоянно находились на службе у людей в их ре
альном окружении. В обществе, где эта концепция претворена в жизнь, компьюте
ры встроены во множество устройств/объектов с датчиками и исполнительными
устройствами, незаметно (прозрачно) для общества. Компьютеры работают и взаи
модействуют друг с другом для предоставления различных услуг. Концепция «вез
десущих вычислений», созданная в 1980 х годах, уже не является только мечтой.
Недавние исследования в области компьютерных технологий, электроники и мик
ромеханики дали нам возможность иметь маленькие, дешевые, потребляющие мало
энергии от встроенных батарей датчики и исполнительные устройства с вычисли
тельными возможностями. Эти компоненты могут быть подключены к чему угодно
Рис. 2.2. Число подписчиков на тарифы с постоянной абонентской платой. Число
подписчиков на пакет услуг pake houdai компании NTT docomo, в кото
ром установлена фиксированная цена, не зависящая от числа переданных
и полученных пакетов данных. Источник данных: http://www.ntt.co.jp/ir/
library/annual/pdf/08/p9.pdf
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
2005 2006 2007 2008
Число подписчиков (×10 000)
Год
36 Глава 2. Зональная сеть со сплошным покрытием: инфраструктура
для объединения в сеть датчиков и исполнительных механизмов
и размещены везде, где потребуется. Мы будем создавать сети с использованием
таких узлов, способные обеспечивать подключение в любое время благодаря ис
пользованию беспроводных каналов, обнаруживать и распознавать интересующие
нас события, а также управлять машинами и устройствами [2–4]. Связывание об
щества такими глобальными сетями – это технический вызов для инженеров связи
и компьютерных инженеров, а технологии, необходимые для создания подобного
общества, несут в себе большой потенциал нового источника доходов для сетевых
операторов.
В этой главе описывается сеть, названная распределенной сетью со сплош
ным покрытием (wide area ubiquitous network, WAUN) [5]. Объективной целью со
здания этой сети было повсеместное предоставление сетевой инфраструктуры
датчиков и исполнительных механизмов, чтобы реализовать глобально соединен
ное сетями общество.
2.2. Целевые применения и рынок сбыта
Появились приложения с интерфейсом «машина–машина», для реализации ко
торых может быть полезна сеть WAUN. Области применения включают следую
щие направления.
1. Безопасность: дом, оборудованный датчиками, обнаруживающими втор
жение через сад или через окна.
2. Управление здоровьем: дом, оборудованный датчиками движения и конт
ролирующий сердцебиение обитателей, дает возможность быстро отреаги
ровать на внезапные недомогания, такие как сердечный приступ во время
приема ванны.
3. Уход: дом сиделка с: а) датчиками, определяющими положение каждого че
ловека в нем и подающими сигнал тревоги, если обитатель входит в опас
ную зону или покидает дом, и б) датчиками, обнаруживающими, что оби
татель упал или испытывает недержание.
4. Управление хранилищами: баки (такие как емкости для бензина или пива)
с датчиками, измеряющими количество оставшейся жидкости и посылаю
щими данные в систему управления хранилищами, которая составляет гра
фик пополнения этих баков.
5. Защита окружающей среды: датчики температуры, влажности и содержа
ния различных химических веществ в лесу, обнаруживающие лесные пожа
ры и другие нарушения безопасности окружающей среды и вычисляющие
количество поглощаемого деревьями углекислого газа.
6. Отслеживание стихийных бедствий: датчики ускорения и нагрузок, отсле
живающие смещения земли и землетрясения, чтобы перекрыть подачу газа
в дом, остановить высокоскоростные поезда или включить красный свет на
светофорах.
7. Управление инфраструктурой: датчики, подключенные к зданиям, мостам,
туннелям и транспортным эстакадам, чтобы обнаружить износ конструк
ций в результате старения для принятия необходимых мер по ремонту этих
сооружений.
2.2. Целевые применения и рынок сбыта 37
8. Управление логистикой: датчики определяют местонахождение грузов и
отслеживают их состояние, например температуру замороженных грузов.
9. Обслуживание автомобилей: датчики следят за состоянием деталей авто
мобиля и дают рекомендации по их замене.
10. Уход за детьми: датчики определяют местонахождение детей и предостав
ляют информацию об этом, такую как «пришел в школу».
11. Управление местами для парковки: датчики отслеживают занятость пар
ковочных мест, чтобы направить автомобиль к свободному.
Большинство этих применений может быть реализовано с помощью существу
ющих сетей, но некоторые из них не применяются широко из за высокой стоимо
сти сетевых соединений, небольшой продолжительности работы от батарей и огра
ниченного сетевого покрытия. Если технология WAUN сможет преодолеть эти про
блемы, это позволит занять ей свою долю рынка на начальном этапе развития.
В дополнение к этим применениям можно было бы предложить многие но
вые услуги, если бы товары, в том числе из списка ежедневных покупок, были
включены в сеть [6].
1. Могло бы быть реализовано управление приемом лекарств, если бы отслежи
вался расход таблеток из упаковки и эти данные пересылались бы лечащему
врачу. Врач смог бы проверять правильность и регулярность приема лекарств
пациентом и, благодаря этому, проверять эффективность лечения. Управле
ние приемом лекарств в частности важно для пожилых людей, которые могут
забыть принять их вовремя. В Японии рынок лекарственных средств имеет
объем около 6,7 триллионов йен в год [7]. Если управление приемом лекарств
будет применено к 10% этого рынка, стоимость этой доли составит 670 милли
ардов йен. Такое управление помогло бы снизить расходы на лекарства.
2. Широко используемые визитные карточки могли бы быть улучшены. Их
раздают на различных деловых встречах, но содержащаяся на них инфор
мация может оказаться устаревшей, например, из за проведенной в компа
нии реорганизации. Карточки, имеющие простой дисплей с технологией
электронных чернил, приемник беспроводной связи и тонкопленочную
батарею, могли бы обновлять отображаемую информацию.
3. Управление личными печатями можно реализовать, отслеживая их исполь
зование. Во многих деловых и личных ситуациях японцы используют лич
ные печати подобно тому, как в западных странах используются подписи.
В частности если бы мы могли отслеживать использование личной печати в
деловых целях, можно было бы достичь значительного прогресса в компь
ютеризации офисной работы. В дополнение к управлению личными печа
тями многообещающим выглядит отслеживание местоположения различ
ных офисных предметов и важных документов.
4. Использование каких либо вещей, очевидно, может быть отслежено по от
крытию упаковки. Это легко бы дало нам возможность определять, был ли ис
пользован тот или иной товар. Это может быть использовано налоговыми аген
тами и при управлении хранилищами. (Службы доставки ежегодно опериру
ют в Японии более чем тремя миллиардами пакетов [8], а японская почта дос
тавляет свыше ста миллионов заказных отправлений в год [9].)
38 Глава 2. Зональная сеть со сплошным покрытием: инфраструктура
для объединения в сеть датчиков и исполнительных механизмов
Здесь мы должны отметить, что эти новые применения можно реализовать, ис
пользуя крохотные датчики и исполнительные механизмы, подключенные к сети.
Они в данном случае будут являться самыми низкоуровневыми телекоммуникаци
онными терминалами. Это может привести к новому взгляду на сети будущего, от
личающемуся от основанных на предположении, что большинство терминалов бу
дут иметь множество функций и высокую производительность, то есть быть чем то
наподобие персональных компьютеров. Однако такие применения потребуют чрез
вычайно большого количества терминалов и откроют новые рынки для сетевых
провайдеров, поскольку в существующих проводных и беспроводных широкопо
лосных сетях не реализовано подключение такого количества устройств.
2.3. Требования, концепция и система в целом
Чтобы поддерживать упомянутые выше применения и получить новый источник
доходов, мы предложили в качестве решения зональную сеть со сплошным по
крытием (WAUN). Сеть WAUN, прежде чем сможет быть использована для этих
применений, должна удовлетворять следующим требованиям: низкая стоимость,
низкое энергопотребление (большой срок службы батарей), поддержка мобиль
ности, поддержка низкоуровневых терминалов, безопасность, расширяемость в
соответствии с количеством терминалов и сплошное (вездесущее) покрытие.
Чтобы обеспечить выполнение этих требований, предложенная нами архитек
тура использует беспроводную связь на большом расстоянии, которая должна слу
жить в качестве первого транзитного участка для беспроводных терминалов (wireless
terminal – WT), хотя основные исследовательские усилия были направлены на со
здание сети датчиков благодаря использованию нескольких беспроводных тран
зитных участков подходящим образом. Такая архитектура была выбрана в основ
ном потому, что соответствующий подход имеет проблемы, связанные с избранной
сетью мобильной связи, такие как потребление энергии, когда терминал использу
ется как мобильный узел коммутации, подход к безопасности мобильных узлов
коммутации и нестабильность зоны покрытия или маршрутизации из за того, что
слишком много мобильных узлов имеют чрезмерную свободу передвижения. К тому
же в дешевых терминалах не работают сложные протоколы маршрутизации.
Поскольку мы выбрали архитектуру, которая не использует для установлен
ного беспроводного соединения несколько транзитных участков, для экономич
ного покрытия больших зон важно иметь достаточно протяженные соединения
(соты большого размера). Фактические расстояния составили несколько кило
метров. Для этого существуют две основных причины. Во первых, по мере того,
как увеличивается радиус соты r, количество точек доступа (access points – AP)
может быть уменьшено до 1/r2 и размер вложений в беспроводную систему связи
уменьшится примерно в той же степени, поскольку основную часть этих расхо
дов составляет стоимость точек доступа. Во вторых, большинство провайдеров
имеют свои сооружения, имеющие энергоснабжение и линии передачи данных,
через каждые несколько километров. Таким образом, если радиус соты сети WAUN
будет больше, чем единицы километров, существующие провайдеры смогут ис
пользовать эти сооружения для размещения точек доступа, что минимизирует
2.3. Требования, концепция и система в целом 39
размер необходимых капитальных вложений. Однако радиосвязь на большем рас
стоянии требует терминалов с большей мощностью. Таким образом, необходимо
удовлетворить противоречивые требования путем использования технологий,
описанных в этой главе. Особой целью наших исследований и разработок явился
«пятикилометровый радиус соты при мощности передатчика 10 мВт и сроке служ
бы батареи терминала 10 лет».
Масштабируемость также является важным фактором. Мы ввели следующие
правила для обеспечения масштабируемости сети WAUN. Соединение устанав
ливается между парой «беспроводной терминал – проводной терминал», для каж
дого беспроводного терминала соответствующий проводной терминал является
единственным и фиксированным. (В реальности один виртуальный проводной
терминал может состоять из множества распределенных проводных терминалов.)
Таким образом, сеть WAUN не поддерживает публичные службы, допускающие
переключение на произвольные терминалы не к произвольному терминалу, а к
терминалам частной компании или какого либо сообщества. К тому же реализа
ция этого правила дает значительное повышение безопасности. (На практике
службы более высокого уровня поддерживают установление соединения с други
ми терминалами.) В результате сеть WAUN может поддерживать множество част
ных сетей датчиков. Общая схема сети WAUN показана на рис. 2.3.
Чтобы удовлетворять сформулированным требованиям, сеть WAUN имеет
следующие возможности.
1. Сеть WAUN служит промежуточным звеном между проводными и беспровод
ными терминалами. Сеть не обеспечивает прозрачности сессий между ними.
2. Беспроводная связь имеет большую дальность (около 5 км). Эта дальность
будет сохраняться большой благодаря использованию различных способов
приема на основе сочетания максимальных отношений времен работы и
бездействия. Это даст возможность сетевому провайдеру покрыть значи
тельную территорию небольшим количеством точек доступа и тем самым
предложить услугу по небольшой стоимости.
Рис. 2.3. Зональная сеть со сплошным покрытием (WAUN)
point
point Магистральная сеть IP
Беспро(
водной
терминал
(WT)
Точка
доступа
(AP)
База данных
Wired
База данных
Wired
Сервер
шлюза
сети
радио(
доступа
(RANS)
Датчик
или орган
управления
Сервер
управления
место(
нахождением
Подписчик базы данных,
аутентификация,
сервер управления
идентификаторами
(сервер SAI)
Шлюз IP
(IP(GW)
Проводной
терминал
40 Глава 2. Зональная сеть со сплошным покрытием: инфраструктура
для объединения в сеть датчиков и исполнительных механизмов
3. Беспроводные терминалы не являются IP терминалами и не используют
протокол передачи данных TCP/IP, поскольку он является протоколом
слишком высокого уровня, а терминалы имеют слабый процессор и малое
количество памяти. Точки доступа, организуемые сетевым провайдером,
преобразуют протокол беспроводной связи, созданный для беспроводных
терминалов сети WAUN, в протоколы, разработанные сообществом IP. Точ
ки доступа также преобразуют идентификаторы беспроводных терминалов,
используемые в соединениях с ними, в те, которые используются в сети
фиксированной связи. Серверы шлюзов сети радиодоступа (radio access
network gateway servers – RANS) выделяют сигналы (то есть пользователь
ские данные и запрос авторизации) от каждого терминала и перенаправля
ют их в соответствующем направлении согласно результату распознавания
источника сигнала.
4. Беспроводные терминалы могут перемещаться. Функция управления мо
бильностью охватывает всю область, в которой работают беспроводные тер
миналы. Эта функция реализуется с помощью технологий регистрации ме
стонахождения, подобных используемым в сетях сотовой связи.
5. Проводные терминалы являются терминалами IP, взаимодействуют с беспро
водными терминалами в сети WAUN и подключены через шлюзы IP (IP GW).
Их интерфейс с сетью WAUN – это широко используемый обычный интер
фейс, такой как TCP/IP, но проводные терминалы IP лишены прямого дос
тупа к таким компонентам сети WAUN, как RANS, по соображениям безо
пасности. Сеть WAUN не поддерживает установление соединения между про
водными терминалами IP.
6. Несколько идентификаторов в сети WAUN используются для того, чтобы
сделать обслуживание удобным, безопасным и эффективным. Сеть WAUN
имеет функции безопасности и преобразования и разрешения идентифи
каторов. В частности, чтобы предотвратить отслеживание перемещений
посторонними лицами, идентификаторы назначаются беспроводным тер
миналам лишь на ограниченное время и часто обновляются. Управление
идентификаторами с взаимной аутентификацией между терминалом и се
тью дает возможность достичь безопасности передачи данных. Сервер аутен
тификации подписчика и управления идентификаторами (SAI) хранит ин
формацию о профиле подписчика, включая информацию беспроводных и
проводных терминалов для целей аутентификации и управления иденти
фикаторами.
2.4. Базовая сеть
Базовая сеть WAUN контролирует обмен данными между парами «проводной тер
минал и мобильный терминал» и обеспечивает функции управления идентифи
каторами, определения местоположения, безопасности и контроля доступа. Что
бы эти функции работали с огромным количеством беспроводных терминалов,
необходимо обеспечить хорошую масштабируемость. В проектировании базовой
сети WAUN имеется два важных момента. Во первых, объем обработки данных,
2.4. Базовая сеть 41
необходимый для управления обменом с беспроводными терминалами, должен
быть сокращен как можно больше, поскольку эти терминалы потребляют мало
энергии и имеют слабые возможности. Во вторых, ограниченная полоса пропус
кания радиоканала должна эффективно использоваться большим количеством
беспроводных терминалов совместно. Таким образом, необходимо уменьшить
количество служебных данных при обмене информацией, чтобы сеть WAUN мог
ла обслужить больше беспроводных терминалов.
2.4.1. Протокол обмена
Протокол обмена сети WAUN для передачи данных между проводным и беспро
водным терминалами показан на рис. 2.4. Точка доступа (AP) преобразует прото
кол беспроводной связи с терминалом в TCP/IP, используемый в базовой сети
WAUN, и наоборот. Между точкой доступа и беспроводным терминалом должна
использоваться облегченная версия протокола обмена, приемлемая для термина
лов с малым уровнем потребления энергии и низкими вычислительными мощно
стями, тогда как для экономичной реализации базовой сети WAUN используется
обычный протокол, такой как TCP/IP.
Базовая сеть WAUN определяет назначение пакета, принятого от беспро
водного терминала, основываясь на идентификаторе этого терминала, посколь
ку соответствующий проводной терминал фиксирован и зарегистрирован на
сервере идентификации подписчиков и управления идентификаторами (SAI).
Рис. 2.4. Коммуникационный протокол сети WAUN
Беспроводной
терминал
Точка доступа
Приложение
Радио(
протокол
сети
WAUN
L1
IP
L2
TCP
L1
IP
L2
TCP
L1
Радио(
протокол
сети
WAUN
L1
IP
L2
TCP
L1
Протокол
базовой
сети
WAUN
Протокол
базовой
сети
WAUN
Протокол
базовой
сети
WAUN
IP(GW
IP
L2
TCP
L1
IP
L2
TCP
L1
Приложение
IP
L2
TCP
L1
Проводной
терминал
Протокол
базовой
сети
WAUN
Протокол
базовой
сети
WAUN
Протокол
базовой
сети
WAUN
RANS
для объединения в сеть датчиков и исполнительных механизмов
Таким образом, нет необходимости сообщать в пакете адрес назначения (когда бес
проводной терминал отправляет пакет проводному терминалу) или адрес источника
(когда проводной терминал отправляет пакет беспроводному). Такое решение дает
три преимущества. Во первых, уменьшается нагрузка на соединение с терминалами
с малым уровнем потребления энергии и низкими вычислительными мощностями и
пресекаются как намеренные, так и ошибочные соединения с неправильным про
водным терминалом. Во вторых, можно эффективно использовать радиоканал. На
пример, адрес IPv6 имеет 128 разрядов. В сети WAUN, где многие терминалы совме
стно используют ограниченную полосу пропускания, такой 128 разрядный адрес ока
зывается слишком обременительным для беспроводного канала. В третьих, соответ
ствующий проводной терминал может быть заменен без необходимости изменять ПО
в беспроводном терминале. В противном случае потребовалось бы изменять ПО в
большом числе беспроводных терминалов, разбросанных по разным местам, если по
каким то причинам стало необходимо заменить проводной терминал.
2.4.2. Управление идентификаторами
Сеть WAUN пересылает данные к беспроводным терминалам и от них, основы
ваясь на их идентификаторах. В зависимости от назначения терминала исполь
зуются следующие три типа идентификаторов.
1. Постоянный идентификатор назначается на весь период обслуживания, что
бы уникально идентифицировать беспроводной терминал. Он используется
только внутри базовой сети WAUN для обеспечения безопасности. Вместо
постоянного идентификатора беспроводной терминал может использовать
временный, а проводной терминал для идентификации беспроводного –
служебный идентификатор. Таким образом, точка доступа выполняет пре
образование временного идентификатора в постоянный и обратно, а шлюз
IP – служебного и временного идентификаторов. Сервер SAI управляет тем,
как взаимосвязаны эти три идентификатора.
2. Временный идентификатор используется для аутентификации беспровод
ного терминала до момента установления соединения. Таким образом, этим
идентификатором управляют и беспроводной терминал, и сервер SAI. Вре
менный идентификатор часто обновляется синхронно на обоих этих уст
ройствах, чтобы избежать отслеживания терминала посторонними. По
скольку этот идентификатор может быть использован повторно, если при
обновлении он оказывается уникальным, его длина может быть уменьшена
по сравнению с постоянным для более эффективного использования поло
сы пропускания беспроводного канала.
3. Служебный идентификатор используется, чтобы беспроводной терминал мог
быть идентифицирован проводным терминалом. Он дает возможность про
зрачно заменить беспроводной терминал на другой, например в случае поломки.
Количество этих идентификаторов огромно, и они должны управляться сер
верами SAI, а преобразование идентификаторов выполняется в точках доступа и
шлюзах IP для каждого случая обмена данными. Следовательно, управление дан
ными и преобразования должны выполняться децентрализованно.
2.4. Базовая сеть 43
2.4.3. Безопасность
Существующие технологии обеспечения безопасности с высокой надежностью в
сетях IP, такие как виртуальная частная сеть (VPN), могут быть применены в
проводной части сети WAUN. Однако для беспроводных соединений требуются
особые усилия, поскольку их полоса пропускания ограничена, а беспроводные
терминалы имеют малые возможности и низкое энергопотребление. Подобно
телефонной сотовой сети, сеть WAUN имеет функции безопасности, которые
предотвращают перехват данных, отслеживание, кражу идентификаторов и их
фальсификацию. Однако эти функции обеспечиваются при более чем вдвое мень
шей длине сообщений, чем в телефонных сотовых сетях. Например, чтобы обно
вить временный идентификатор, в телефонной сотовой сети новый временный
идентификатор в зашифрованном виде передается беспроводному терминалу, тог
да как сеть WAUN передает не сам идентификатор, а уменьшенное количество
информации для одновременного обновления идентификатора на обоих концах
соединения.
Беспроводной терминал аутентифицируется сервером RANS, кэширующим
временный идентификатор (который выдан сервером SAI), когда устанавливает
ся соединение между этим терминалом и точкой доступа. Сервер RANS аутенти
фицирует беспроводной терминал, когда тот включается и когда перемещается за
границы зоны связи. Подобно этому, проводной терминал аутентифицируется
шлюзом IP, который назначен этому терминалу.
2.4.4. Управление доступом (авторизация)
Определение загруженности сети WAUN может основываться на числе обменов
данными, и эта загруженность может ограничивать частоту обмена с каждым терминалом, например, одним разом в час или в сутки. Разрешенная частота обменов данными для каждого беспроводного терминала первоначально определяет
ся контрактом с подписчиком услуги и регистрируется на сервере SAI. Сервер
RANS и шлюз IP временно хранят эти сведения, получая их при аутентификации,
и проверяют частоту соединений. Если частота, с которой беспроводной терминал отправляет и получает данные, выходит за рамки установленного лимита, сер вер RANS и шлюз IP отказываются устанавливать соединение.
2.4.5. Протоколы приема и передачи данных
Протоколы загрузки данных из беспроводного терминала в проводной и скачивания их в обратном направлении показаны на рис. 2.5 и 2.6 [10] соответственно. В протоколе загрузки процедура аутентификации и авторизации выполняется сервером RANS перед каждой передачей данных.
Последовательность аутентификации, показанная на рис. 2.5 и 2.6, включает
процедуру обновления информации в беспроводном терминале. После аутентифи
кации сервер RANS обновляет информацию о беспроводном терминале (включая
зону пейджинга, в которой он находится) на сервере управления местоположением
и кэширует эту информацию у себя. Сервер RANS может хранить информацию о
44 Глава 2. Зональная сеть со сплошным покрытием: инфраструктура
для объединения в сеть датчиков и исполнительных механизмов
беспроводном терминале, находящемся в зонах покрытия точек доступа, которые
обслуживаются этим сервером. Затем он передает информацию шлюзу IP, обслуживающему проводной терминал, который соответствует этому беспроводному
терминалу, обновленную информацию о зоне пейджинга, включая свой адрес. (Шлюз
IP кэширует эту информацию, она дает возможность выбрать нужный сервер RANS,
если протокол скачивания выполняется без запроса информации о зоне пейджин
га, в которой находится беспроводной терминал.Таким образом, использование кэ
шированной информации снижает нагрузку на сервер управления местоположе
нием и сервер SAI и сокращает время, необходимое для обмена данными.)
RANS IP(GW
Датчик
или орган
управ(
ления
Отправка данных
(Если требуется) последовательность аутентификации
Запрос авторизации Запрос авторизации
Ответ авторизации Ответ авторизации
Отправка данных Отправка данных Отправка данных Отправка данных
ACK
Ответ данных Ответ данных Ответ данных
Ответ данных
Последовательность
учета ресурсов
Беспро(
водной
терминал
Точка
доступа
Сервер определения
местоположения/
сервер SAI
Провод(
ной
терминал
Рис. 2.6. Протокол получения данных сети WAUN
Рис. 2.5. Протокол загрузки данных сети WAUN
Отправка данных
(Если требуется) последовательность аутентификации
Отправка данных
Подтверждение
получения
ACK
Запрос пейджинга
Ответ данных Ответ данных Ответ данных
(Если требуется)
последовательность авторизации
Запрос пейджинга
Ответ пейджинга Ответ пейджинга
Отправка данных Отправка данных Отправка данных
Ответ данных
Последовательность
учета ресурсов
RANS IP(GW
Датчик
или орган
управ(
ления
Беспро(
водной
терминал
Точка
доступа
Сервер определения
местоположения/
сервер SAI
Провод(
ной
терминал
Обмен данными
завершен
2.5. Беспроводная сеть доступа [35] 45
В протоколе скачивания сеть WAUN использует четырехходовую последовательность обмена между проводным терминалом и шлюзом IP. Сообщение «уведомление о приеме» показывает, что шлюз IP авторизовал передачу и начал процедуру обмена данными. Сообщение «ответ данных» показывает, что беспроводной терминал был аутентифицирован и принял данные.
2.5. Беспроводная сеть доступа [35]
2.5.1. Основы построения сети
Поскольку сеть WAUN является сетью нового типа, требования [6] к системам
беспроводного доступа, такие как масштабируемость в соответствии с количеством
терминалов, мобильность терминалов и поддержка терминалов с низкой производительностью, не могут быть обеспечены существующими технологиями беспроводного доступа. Для сетей WAUN необходимо разработать новые методы организации беспроводного доступа. С точки зрения сетевой инфраструктуры сотовая конфигурация больше, чем многозвенная, подходит для обеспечения стабильности работы и низкого энергопотребления беспроводных терминалов [6].
Базовый анализ связей [6] предсказывает, что для таких терминалов с мощностью
передатчика 10 мВт можно использовать соты радиусом 5 км. В этом случае мощность, поступающая к приемнику, крайне мала, поэтому создание системы беспроводного доступа с использованием современных беспроводных технологий
является сложной задачей. Таким образом, необходимо разработать сложную технологию, объединяющую беспроводные решения с такими, как модуляция–демодуляция, исправление ошибок и диверсификация. В частности, поскольку беспроводные терминалы должны иметь простую конструкцию и низкий уровень
энергопотребления, точка доступа должна выполнять сложные операции, чтобы
компенсировать простоту терминалов. Важным является также использование
технологии управления доступом, которая могла бы обеспечивать десятки тысяч
беспроводных терминалов с разной степенью обслуживания и в то же время давала бы возможность снизить энергопотребление этих терминалов, поддерживая
прерывистый режим их работы. Кроме того, необходимо создать метод управления сетью для стабильного и эффективного функционирования системы беспроводного доступа, гарантирующего мобильность терминалов и их подключение к
базовой сети.
Следующие разделы описывают архитектуру системы и ключевые технологии
сети беспроводного доступа WAUN.
2.5.2. Архитектура системы
Схема сети беспроводного доступа показана на рис. 2.7. Эта сеть состоит из двух
сетевых элементов: точек доступа и беспроводных терминалов. Они связаны беспроводными каналами связи. И точка, и терминал имеют три функции: интерфейс
физического уровня (physical layer interface, PHY), протокол управления доступом
(medium access control, MAC) и функции сетевого управления (network control, CNT).
46 Глава 2. Зональная сеть со сплошным покрытием: инфраструктура
для объединения в сеть датчиков и исполнительных механизмов
Физический уровень предоставляет функции беспроводных передачи и приема и
модуляции–демодуляции. Протокол управления доступом реализован для обеспечения управления множественным доступом и должен поддерживать различные
уровни качества обслуживания (QoS) сетевой инфраструктуры со сплошным покрытием. Точка доступа соединяется с магистральной сетью WAUN по протоколу
IP через сервер радиодоступа к сети (RANS) и использованием CNT, и подключение к беспроводному терминалу с датчиками или исполнительными механизмами
также устанавливается с использованием CNT. Функция CNT также управляет функциями PHY и MAC точки доступа и беспроводного терминала. Ключевые вопросы, касающиеся этих трех функций, описаны ниже.
Пример сотовой архитектуры показан на рис. 2.8. Каждая сота является шестиугольником размером в несколько километров, их совокупность образует структуру, подобную пчелиным сотам. В трех вершинах каждой соты размещены трехсекторные антенны, излучающие радиосигналы в направлении центра сот. Чтобы
избежать взаимовлияния смежных сот, им назначаются разные частотные каналы.
WT AP
CNT
MAC
PHY
CNT
MAC
PHY
RANS
WT
WT
Беспроводная
связь
Беспроводная сеть доступа
Магистральная сеть IP
Датчик
или орган
управления
Рис. 2.8. Конфигурация беспроводной соты
Рис. 2.7. Схема беспроводной сети доступа
: Точка доступа с трехсекторной антенной
AP(M
AP(R
AP(R AP(R
DROF
DROF
DROF
DROF
Прием
на разнесенные
антенны
Разнесение
точек приема
Прием
на разне(
сенные
антенны
2.5. Беспроводная сеть доступа [35] 47
Чтобы достичь высокой степени покрытия в соте, используются методы приема
на разнесенные антенны и разнесение точек приема. Функция PHY в ячейке
физически разделена между модулями двух типов: модуль модуляции–демодуляции и радиочастотный модуль приема–передачи. Модули первого типа расположены непосредственно среди основного оборудования точки доступа (master
equipment of the AP, AP M), модули второго типа размещены вместе с антенной,
удаленно (remote equipment of the AP, AP R). Обработка всех видов сигналов реализована в AP M. Передаваемые радиочастотные сигналы направляются на модули
AP R, а принимаемые этими модулями сигналы собираются в AP M. Для передачи
радиочастотных сигналов между AP M и AP R используется подсистема цифровой
передачи радиосигнала по кабелю (digitized radio over fiber, DROF) [11]. Оцифроанные радиосигналы передаются между AP M и AP R по сети Ethernet.