7.1. Назначение сетей доступа и их место в структуре современных инфокоммуникационных сетей
7.2. Функциональный состав сетей доступа
7.1. Назначение сетей доступа и их место в структуре современных инфокоммуникационных сетей
В настоящее время традиционная технологическая база сети абонентского доступа активно изменяется. Эти изменения вызваны:
- внедрением беспроводного абонентского доступа (WLL);
- снижением цен на оптоволоконные кабели;
- спросом на новые услуги связи, которые не могут быть обеспечены существующими сетями доступа;
- ростом удельной терминальной нагрузки и изменением статистических свойств этой нагрузки (большая величина коэффициента пачечности);
- необходимостью постепенного перехода к пакетным транспортным технологиям;
- усложнением в связи с этим систем мультиплексирования, шлюзования (сопряжения сетей) и передачи информации между терминалом пользователя и узлом магистральной сети;
- требованием снижения эксплуатационных расходов в сети доступа за счет внедрения автоматизированных средств управления сетью и протоколов для поддержки функций TMN (Telecommunication Management Network).
Терминология, используемая в рекомендациях и других материалах Международного Союза Электросвязи (МСЭ) об абонентском доступе, существенно отличается от системы понятий, принятых в отечественной литературе [44]:
- Access network (AN) – сеть доступа (СД), средства (например, кабельные системы, системы передачи, мультиплексоры, коммутаторы и др.), которые обеспечивают транспортировку информации и поддержку инфокоммуникационных услуг между интерфейсом узла служб (SNI) и интерфейсом пользователь-сеть (UNI). Сеть доступа можно конфигурировать и управлять через интерфейс сетевого управления Q3. В принципе нет ограничения в типах и числе UNIs и SNIs, которые могут быть реализованы в сети доступа;
- Service node interface (SNI): интерфейс узла служб;
- Service node (SN): узел служб;
- User-network interface (UNI): интерфейс “пользователь-сеть”.
Протокольная модель сети доступа
Протокольная модель сети доступа приведена на рисунке 7.1.
Рисунок 7.1 Протокольная модель сети доступа
Уровень среды передачи (Transmission Media Layer, ТМ) поддерживает транспортировку и защиту потоков данных в физической среде (медном или оптическом кабеле, радио- или оптическом канале) в виде сигналов цифровых систем передачи (PDH, SDH, ATM) и модемной передачи. Этот уровень может быть представлен секциями (участками) мультиплексирования и регенерации сигналов.
Уровень пути (Path Layer, ТР) обеспечивает создание и обслуживание маршрутов передачи данных для пользователей с различными терминалами и запросами на услуги связи.
Уровень канала (Circuit Layer, CL) определяет виды каналов сети доступа (физические каналы, виртуальные каналы).
Уровень поддержки доступа (Access bearer handling function, AF) чаще всего ассоциируется с сигнальными системами, например, для доступа к телефонной сети, к N-ISDN, B-ISDN и т.д.
На уровень управления (Layer Management, LM) возложены задачи поддержки в исправном состоянии объектов всех уровней путем постоянного контроля их функций с помощью систем поддержки операций (OSS).
Плоскость системного управления (System Management, SM) обеспечивает сбор и обработку информации для решения задач планирования ресурсов и управления реконфигурацей сети доступа.
Программное обеспечение уровня реализации возможностей доступа (Access bearer capability requirements) предназначено для реализации требований пользователя по передаче информации, сигнализации и управления.
Протокольная модель сети доступа позволяет более точно определить функции объектов сети доступа, пользовательских интерфейсов, транспортных функции, сервисных портов (интерфейсов) коммутации, встроенных функции, функций системы управления.
7.2. Функциональный состав сетей доступа
На рисунке 7.2 приведен функциональный состав мультисервисной сети доступа. Функции сети доступа разделены на части:
- функции системы управления;
- функции порта пользователя;
- функции ядра;
- функции транспорта;
- функции порта узла служб.
Рисунок 7.2. Функциональный состав мультисервисной сети доступа
Назначение системы управления функциями сети доступа (AN System management function):
- техническая эксплуатация (ТЭ) и техническое обслуживание (ТО);
- конфигурирование и управление сетью;
- координация взаимодействия всех частей сети;
- обнаружение и индикация неисправностей;
- сбор и обработка статистических данных;
- управление безопасностью;
- управление ресурсами.
Функции порта пользователя (User port Function, UPF) {в ТфОП – BORSCHT, в ISDN – согласование сопротивлений, уровней передачи, ЦАП/АЦП,…} таковы:
-
- преобразование сигнальной информации;
- активация/деактивация (для экономии электроэнергии в объектах интерфейса);
- тестирование;
- управление;
- контроль и мониторинг.
Функции Ядра (Core Function) таковы:
-
- обработка информации пользователя;
- адаптация протоколов (преобразование протокольных блоков данных (Protocol Data Unit, PDU) терминалов пользователя в PDU транспортной сети);
- эмуляция канала (в коммутаторах АТМ и MPLS транспортной сети);
- мультиплексирование информации пользователя в пакеты;
- концентрация;
- управление и контроль;
- сигнализация (обработка PDU 3-го уровня и выше).
Функция транспорта (Transport Function) обеспечивает:
- выбор ресурсов (путей) для передачи информации между UPF и SPF;
- мультиплексирование;
- кроссовые соединения;
- управление средой передачи на физическом уровне;
- управление (ТЭ и ТО).
Функция порта узла служб (Service port Function, SPF) обеспечивает:
- преобразование требований со стороны SN в основные функции ядра;
- преобразование PDU для конкретного интерфейса узла служб (SNI);
- управление и мониторинг;
- тестирование SNI.
7.3. Архитектура сети доступа
На рисунке 7.3 приведена архитектура сети доступа.
Рисунок 7.3. Архитектура мультисервисной сети доступа
Назначение функциональных блоков мультисервисной сети доступа:
- AF (Access Function) – функции обработки в доступе;
- CL (Channel Layer) – уровень канала (физического, логического);
- TP (Transmitting Path) – уровень путей (трактов);
- TM (Transmitting Media) – уровень среды передачи;
- SMF (System Management Function) – уровень системного управления (сбора и обработки информации для ТО и ТЭ).
Международные организации стандартизации сетей доступа
Стандартизацией в области сетей доступа занимается ряд международных организаций:
- ITU-T (International Telecommunications Union) - Международный телекоммуникационный союз;
- ETSI (European Telecommunications Standards Institute) - Европейский институт телекоммуникационных стандартов;
- ANSI (American National Standards Institute) -Американский национальный институт стандартов;
- Альянс Home PNA (Home Phone line Networking Alliance);
- Форум – EFM (Ethernet in the First Mile).
Классификация сетей доступа
-
- по используемой среде передачи:
- кабели с медными парами (ТПП (телефонный, полиэтиленовая изоляция, пластмассовая оболочка), неэкранированная витая пара - UTP, экранированная витая пара - STP);
- оптические кабели;
- радио среды в различных диапазонах волн.
-
- по используемым технологиям;
- по используемой топологии
- по методам разделения среды:
- TDMA (time-division multiple access) - множественный доступ с временным разделением каналов;
- CDMA (Code Division Multiple Access) множественный (многостанционный) доступ с кодовым разделением каналов;
- FDMA (frequency division multiple access) - множественный доступ с частотным разделением;
- WDM (wavelength-division multiplexing) - спектральное разделение по длинам волн;
- CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection) - множественный доступ с контролем несущей и обнаружением конфликтов.
Классификация услуг, предоставляемых сетями доступа
Классификация услуг может быть проведена по нескольким признакам:
- по назначению передаваемой информации;
- по уровням в соответствии с уровневой моделью.
Классификация услуг по назначению передаваемой информации:
-
- U (User) - пользовательская информация (данные, видео, речевая информация…);
- C (Control) - сигнальная информация (для поддержания процедур установления и разъединения соединения);
- M (Management) - информация управления (для сбора аварийных сигналов, тестирования, администрирования… ).
7.4. Классификация сетей доступа
Классификация по уровням в соответствии с уровневой моделью:
- физический уровень интерфейса UNI предоставляет услуги тактовой синхронизации, поддержки уровней передачи, мультиплексирования на физическом уровне и др.;
- уровень звена данных предоставляет услуги помехоустойчивой передачи в доступе, для чего используются помехоустойчивое кодирование информации;
- сетевой уровень предоставляет услуги маршрутизации, например, в случае использования в магистральной сети технологии IP/MPLS на сетевом уровне в доступе выбирается сквозной маршрут через магистральную сеть (в так называемом пограничном маршрутизаторе (LER).
С точки зрения вышележащих уровней в доступе реализуются только услуги сигнализации (С) и управления (М). Для их поддержки устройства доступа могут содержать функциональные узлы для реализации всего стека протоколов в плоскостях С или М.
Услуги верхних уровней в плоскости U реализуются, как правило, за пределами сети доступа, а именно – в оконечных терминалах пользователей (TE, CPE) и сетевых серверах (узлах служб – SN). В плоскости U сеть доступа выполняет только функции транспортировки информации пользователя (транзит) между интерфейсами UNI и SNI (т.е. предоставляет услуги протоколов нижних уровней).
Классификация сетей доступа по используемой топологии
Конфигурация связей между сетевыми узлами называется топологией сети. Термин топология заимствован из геометрии и используется для описания формы объекта.
Сетевая топология - это геометрическая форма (или связность) сети.
Различают физическую топологию, образуемую геометрической конфигурацией физических линий связи и сетевых узлов, и логические сетевые топологии, организуемые путем создания логических связей на различных уровнях ЭМВОС (в том числе и на физическом уровне).
Физическая топология первичной сети (например, при использовании оптических кабелей и ЦСП типа SDH) может иметь конфигурацию типа “кольцо”, однако логические каналы (связи или СЛ во вторичной сети) в этой кольцевой топологии на физическом уровне (уровне ЦСП и узла коммутации каналов) могут быть организованы, как по топологии “звезда” (радиальные внутризоновые ССОП), так и по более сложным топологическим схемам (“каждый с каждым”, “районировано-узловые”, “ячеистые”).
На рисунке 7.4 приведены примеры сетевых топологий.
Иерархическая топология (рис. 7.4, а) является привлекательной с точки зрения простоты управления, однако, она несет в себе потенциально трудно разрешимые проблемы (например, проблемы готовности сети). В некоторых случаях самый верхний сетевой узел (например, Softswitch) управляет распределением всех потоков информации в сети. При централизованном управлении могут возникать перегрузки (при накоплении ошибок в процессе управления ресурсами) и понижаться готовность сети из-за запаздывания реакции системы управления. В случае отказа верхнего уровня функции сети нарушаются полностью, если не предусмотрен резервный узел.
Горизонтальная топология (шина) широко используется в локальных сетях. Такая топология (рис. 7.4, б) является относительно простой для управления трафиком, поскольку при использовании шины допускается прием сообщения всеми станциями (компьютерами). Это означает, что единственная станция работает в широковещательном режиме, посылая кадры группе станций.
Главный недостаток горизонтальной топологии связан с тем, что для обслуживания всех устройств в сети обычно имеется только один канал передачи данных. Следовательно, в случае отказа канала выходит из строя вся сеть.
Топология типа “звезда” (рис. 7.4, в) является одной из наиболее широко распространенных сетевых структур. В ССОП звездообразная топология оправдана на магистральных (например, внутризоновых) сетях.
Весь трафик проходит через центральный узел А звезды. Узел А представляет собой центральный маршрутизатор (Router). Следовательно, его функции аналогичны функциям верхнего уровня иерархической топологии, за исключением того, что топология “звезда” имеет ограниченные возможности распределенной обработки.
Рисунок 7.4. Примеры сетевых топологий
Кольцевая топология привлекательна тем, что перегрузки, которые могут возникать в сетях с иерархической или звездообразной топологией, здесь весьма редки. Более того, логическая организация кольцевой сети является относительно простой. Каждый узел способен выполнять простую задачу приема данных и трансляции их к следующему промежуточному узлу.
Ячеистая топология
Благодаря множественности путей между узлами сети с ячеистой топологией, потоки информации могут быть направлены в обход отказавших или занятых узлов. Несмотря на то, что топология сети характеризуется сложностью и высокой стоимостью, некоторые операторы предпочитают ячеистые сети сетям других типов вследствие их высокой надежности. Это особенно важен для современных магистральных мультисервисных сетей, агрегирующих и транспортирующих потоки мультимедийной информации.
7.5. Использование разных топологий доступа
С развитием цифровизации (появление технологии ISDN) началось использование в доступе комбинированных топологий – точка-точка (интерфейс U)/шина (интерфейс S).
В настоящее время операторы сетей постепенно переходят к кольцевой топологии в доступе ССОП/ISDN.
Доступ к мобильным сетям имеет топологию шины с разделением среды путем множественного случайного доступа типа ALOHA (предложен Н. Абрамсоном из Гавайского универс. США), или приоритетного доступа.
В доступе к ресурсам мультисервисных сетей используется широкий набор топологий, зависящих от требований абонента (“точка-точка”, “шина”, кольцевая и ячеистая). Например, в основу технологии доступа пассивных оптических сетей (Passive Optical Network, PON) положена топология "точка – множество точек" (к одному порту центрального узла подключается целый волоконно-оптический сегмент древовидной (иерархической) архитектуры, охватывающий десятки терминалов).
Структура доступа к мультисервисной сети на базе Ethernet может иметь достаточно сложную и разветвленную древовидную архитектуру. Однако в каждом узле дерева обязательно должно находиться активное устройство (коммутатор, маршрутизатор), порты активных устройств могут быть связаны только попарно по топологии "точка-точка".
Классификация сетей доступа по методам разделения среды
Существует несколько способов совместной работы нескольких терминалов, использующих общую среду передачи (разделение среды передачи):
- Статическое мультиплексирование (разделение ресурса)
-
- по частоте (FDM),
- по времени (TDM),
- кодовое CDMA (Code Division Multiple Access),
- по длине волны (WDM, Wavelength-Division Multiplexing);
- Динамическое (статистическое) мультиплексирование (концентрация)
-
- случайный доступ ALOHA (CSMA/CD),
- метод запросов,
- метод приоритетов.
Метод мультиплекcирования по частоте (Frequency Division Multiplexing, FDM) является старейшим и наиболее часто используемым. Соседние частотные каналы должны отстоять на достаточном расстоянии друг от друга, чтобы обеспечить необходимую полосу пропускания каждому терминалу и в тоже время достаточно близко – чтобы можно было разместить большее число каналов в отведенном частотном диапазоне.
Аналоговый вариант FDMA долго использовался в многоканальных системах уплотнения типа К-60, но со временем был вытеснен более совершенным методом цифрового уплотнения по времени (TDMA).
Цифровой вариант FDMA широко используется сейчас в радио доступе и в доступе по медным парам.
Ранее в ССОП неоднократно предпринимались попытки уплотнения абонентских линий (с помощью так называемых ЦАВУ) с использованием метода мультиплексирования “многостанционный доступ с временным разделением каналов (TDMA)”. Использование этого метода позволяло довести количество обслуживаемых абонентов по одной медной паре до 4 - 10, при лучшем качестве канала. Однако у такого доступа есть существенный недостаток – скорость передачи в одном временном канале – от 32 до 8 Кбит/c, что для голоса достаточно, но недостаточно для передачи данных.
Метод CDMA (Code Division Multiple Access) не требует синхронизации и является полностью децентрализованным. Каждый терминал занимает всю полосу пропускания канала, а разделение среды происходит на основе корреляционного анализа сложных шумоподобных сигналов с псевдослучайным кодированием (т.е. по кодовому расстоянию сигналов от разных терминалов). Несомненным достоинством этого метода является повышенная скрытность обмена информацией и защищенность от несанкционированного доступа.
Как и другие, метод CDMA не лишен недостатков. Во-первых, требуемая емкость среды передачи (например, частотный диапазон в радио доступе) существенно зависит от отношения сигнал-шум и при отсутствии координации между терминалами обычно ниже, чем в случае TDMA/FDMA. Во-вторых, быстродействие и стоимость оборудования, в котором используется метод CDMA, высоки.