Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ влияния конвергенции информационных и телекоммуникационных технологий на развитие сетей связи общего пользования 7
1.1.Анализ перспективных структурных изменений в сетях связи 7
1.2.Эволюция услуг в мультисервисных сетях связи 11
1.3. Особенности передачи речевого трафика в сетях с коммутацией пакетов 15
1.4. Анализ характеристик трафика различных приложений мультисервисных сетей 21
1.5. Анализ подходов к обеспечению высокого качества обслуживания в сетях технологии ATM 25
1.5.1.Уровни адаптации ATM, параметры трафика и допуск соединений 25
1.5.2. Методы контроля доступа трафика в технологии ATM 28
1.5.3. Многопротокольный режим передачи информации через сеть ATM 31
1.6. Проблемы и перспективы развития Интернет-телефонии 33
1.6.1. Норма качества обслуживания в IP сетях 34
1.6.2 Протоколы IP-технологии для обслуживания трафика реального времени 35
1.7. Интеграция телефонных сетей общего пользования и сетей Интернет - телефонии 37
1.8. Анализ возможностей теории массового обслуживания для описания качества обслуживания вызовов в мультисервисных сетях 41
1.9. Постановка задачи исследования 46
1.10. Выводы 47
2. Формализованное описание процессов предоставления услуг в интегрированных сетях связи 48
2.1. Систематизация подходов к интеграции сетей связи России 48
2.1.1.Анализ тенденций перехода к распределенной структуре построения Взаимоувязанной сети связи (ВСС) России 48
2.1.2. Анализ перспективных решений интеграции корпоративных сетей и телефонных сетей общего пользования с ІР-сетями 51
2.1.2.1. Интеграция сетей связи с использованием комплексов аппаратных средств и программного обеспечения SoftSwitch 51
2.1.2.2. Анализ возможностей шлюза ITG для системы коммутации Meridian 56 2.1.2.3.Основные функции шлюза Alder Voice Gateway (AVG) как средства интеграции сетей связи 57
2.1.2.4.Систематизация вариантов использования шлюзов IP-телефонии 59
2.1.3. Анализ возможных подходов к обеспечению транзита телефонного трафика средствами технологий с коммутацией пакетов 67
2.2. Разработка формализованного описания обслуживания вызовов телефонии с учетом интеграции сетей связи 73
2.2.1. Метод эквивалентных замен RDA - эффективное средство расчета обходных направлений связи в сетях с коммутацией каналов 73
2.2.2. Развитие методов оценки качества передачи речи в сетях ІР-телефонии .: 77
2.2.3. Использование методов теории телетрафика для обоснования пропускной способности каналов передачи данных 85
2.2.4. Анализ особенностей использования метода декомпозиции для расчета сетей связи с коммутацией пакетов 88
2.3. Формализованное описание интегрированной системы предоставления телефонных услуг 92
2.4.Выводы 95
3. Разработка математической модели интегрированной системы предоставления телефонных услуг с учетом особенности управления потоками трафика на цифровой телефонной сети связи общего пользования 96
3.1. Разработка математической модели интегрированной системы предоставления телефонных услуг 96
3.1.1. Систематизация вариантов развития сетей телефонной связи 96
3.1.2. Анализ структурных и функциональных особенностей 1 построения интегрированной системы предоставления телефонных услуг на примере модификаций 99
3.1.3. Разработка математической модели функционирования интегрированной системы предоставления телефонных услуг 103
3.2. Анализ возможностей и особенностей управления потоками трафика на цифровой телефонной сети связи общего пользования 114
3.2.1.Анализ возможностей цифровых систем коммутации каналов по измерению характеристик качества обслуживания вызовов 114
3.2.2. Классификация типов перегрузок на телефонных сетях 116
3.2.3. Классификация методов управления потоками трафика на цифровой телефонной сети связи общего пользования 119
3.3. Анализ возможностей и особенностей управления потоками трафика на границе сетей коммутации каналов и коммутации пакетов 129
3.3.1. Ограничение и выравнивание трафика в сетях коммутации пакетов 129
3.3.2. Анализ разработок фирмы Cisco по раннему обнаружению перегрузок и перераспределению телефонного трафика 131
3.4. Выводы 135
4. Разработка метода оперативного управления потоками трафика с использованием интегрированных систем предоставления телефонных услуг 136
4.1. Исследование влияния пропуска в обслуживании вызовов на вероятность отказов в обслуживании 136
4.2. Анализ результатов моделирования функции управления «Пропуск в обслуживании вызовов» 140
4.3.Анализ возможности использования пропуска в обслуживании вызовов для защиты от перегрузок в направлениях связи 150
4.4. Анализ результатов реализации функции управления «Пропуск в обслуживании вызовов» на городской телефонной сети 152
4.5. Разработка метода оперативного управления потоками трафика для защиты от перегрузок 155
4.6. Развитие метода RDA для расчета интегрированной системы предоставления телефонных услуг с учетом влияния функции управления «Пропуск в обслуживании вызовов» 159
4.7. Проблемы обеспечения регулируемого доступа к мультисервисной сети сучетом фрактального характера трафика 173
4.8. Разработка рекомендаций по интегрированному предоставлению телефонных услуг в цифровых системах коммутации каналов 176
4.9. Выводы 180
Заключение 180
- Анализ характеристик трафика различных приложений мультисервисных сетей
- Интеграция телефонных сетей общего пользования и сетей Интернет - телефонии
- Анализ возможных подходов к обеспечению транзита телефонного трафика средствами технологий с коммутацией пакетов
- Классификация методов управления потоками трафика на цифровой телефонной сети связи общего пользования
Введение к работе
Актуальность проблемы. Современный этап развития техники связи характеризуется конвергенцией, то есть взаимопроникновением технических решений, подходов к сетевому планированию и управлению ресурсами сетей разного типа. Наиболее перспективной признана эволюционная модель развития сетей связи, предусматривающая продолжительное совместное функционирование классических телефонных сетей и сетей коммутации пакетов, ресурсы которых могут быть интегрированы на базе специальных шлюзов доступа или коммутаторов Soft Switch. Интегрированные системы предоставления телефонных услуг (ИСТ) включаются в коммутационные поля цифровых систем коммутации каналов (ЦСК) и через специальные шлюзы обеспечивают доступ для передачи голоса к ресурсам сетей с коммутацией пакетов на основе перспективных технологий ATM (Asynchronous Transfer Mode), IP (Internet Protocol) или FR (Frame Relay). Для передачи голоса по сетям коммутации пакетов могут использоваться технологии VoATM (Voice over ATM), VolP(Voice over IP), VoFR(Voice over FR) или их вариации. Выбор уровня взаимодействия телефонной сети общего пользования (ТфОП) и сети коммутации пакетов для передачи речевой информации оказывает существенное влияние на качество предоставления услуг. Например, технология VoIP приходит на местные ТфОП и на корпоративные сети связи, хотя ранее она конкурировала с традиционной телефонией на рынке международной и междугородной связи. Перспективным вариантом развития существующих сетей связи является пропуск транзитного трафика между абонентами ТфОП различных зон нумерации с использованием каналов технологий IP или ATM в качестве транспортного уровня.
Общей характеристикой работы ТфОП является пропускная способность, то есть интенсивность нагрузки, пропущенной с заданной вероятностью потерь вызовов. При возникновении перегрузок в отдельных направлениях связи вероятность потерь вызовов из-за занятости всех каналов может существенно возрастать. В ЦСК имеются широкие возможности по маршрутизации избыточных потоков телефонного трафика на обходные направления связи, которые используются на сетях междугородной связи, и практически не реализованы на городских телефонных сетях. Для расчета необходимого числа каналов в обходных направлениях ТфОП разработан и используется метод эквивалентных замен RDA, позволяющий учесть математическое ожидание и девиацию интенсивности нагрузки, а также число каналов в направлениях прямой связи.
В диссертационной работе исследуются возможности повышения пропускной способности сетей связи с коммутацией каналов путем образования обходных направлений с использованием дополнительных ресурсов интегрированных систем предоставления телефонных услуг ИСТ. Актуальность исследования подтверждается опережающими темпами разработки оборудования для интеграции сетей коммутации каналов и коммутации пакетов. Зарубежные фирмы Cisco, Ericsson, Nortel Networks и Lucent предлагают шлюзы и пограничные коммутаторы для согласования ТфОП и корпоративных сетей с сетями на основе технологий ATM и IP. Отечественной фирмой АГАТ-РТ разработаны и предлагаются к внедрению различные модификации шлюза Alder Voice Gateway (AVG). Ленинградским отделением Центрального научно-исследовательского института связи (ЛОНИИС) разработаны и внедряются программно-аппаратные версии L4.5, L5.5 и L6.5 модернизации систем коммутации каналов DX200.
Независимо от технологии транспортного уровня, структуры сети и характеристик сигнализации должны быть реализованы четыре базовых принципа управления телефонным трафиком: поддержка вызовов, которые с высокой вероятностью могут закончиться разговором; обеспечение приоритета прямому пути установления соединения; эффективное использование свободных ресурсов сети; предотвращение перегрузки систем коммутации. На цифровых ТфОП предусматривается ведение контроля качества обслуживания в реальном времени с целью оперативного управления сетевым трафиком (нагрузкой) для повышения объема эффективных (состоявшихся) вызовов на сети. Основным средством защиты при перегрузках на цифровых ТфОП является активизация различных защитных методов, ограничивающих поступлением трафика, таких как функция управления «Пропуск в обслуживании вызовов». Активизация этой функции предусматривает запрет поступления новых вызовов в направлении связи ЦСК в течение заданного интервала времени, если при поступлении вызова заняты все каналы в направлении.
Интегрированные системы предоставления телефонных услуг должны обеспечивать обслуживание: телефонного трафика, направляемого в ИСТ после набора абонентами номеров, поставленных в соответствии сети коммутации пакетов; избыточного трафика направлений связи ТфОП (в том числе, и от тех направлений связи, для которых активизирована функция управления «Пропуск в обслуживании вызовов»). Распределение избыточного трафика между сетями коммутации каналов и пакетов определяет.взаимное влияние между этими сетями.
Естественным ограничением использования систем ИСТ является возможность резкого ухудшения качества передачи голоса в сети передачи данных, что обычно выражается в росте задержек передачи речи. В этом случае трафик, ранее направлявшийся в сеть коммутации пакетов, может возвращаться на телефонную сеть. Следует предусмотреть возможность использования функции управления «Пропуск в обслуживании вызовов» для защиты от перегрузок в направлениях телефонной связи, возникающих при таких отказах. Актуальной научной проблемой является разработка метода оперативного управления потоками телефонного трафика с учетом особенностей реализации функции управления «Пропуск в обслуживании вызовов» в цифровых системах коммутации каналов и с учетом дополнительных возможностей интегрированных систем предоставления телефонных услуг по обслуживанию потоков телефонных вызовов. Исследование функции управления «Пропуск в обслуживании вызовов» и разработка рекомендаций по обоснованию параметров интегрированных систем предоставления телефонных услуг представляют значительный теоретический и практический интерес.
Целью диссертации является исследование и разработка метода оперативного управления потоками телефонного трафика для интегрированных систем предоставления телефонных услуг, учитывающего особенности активизации защитных методов управления потоками трафика в цифровых системах коммутации каналов, а также возможность использования сетей коммутации пакетов для реализации обходных направлений связи.
Для достижения поставленной цели решаются следующие основные задачи:
выполнен сравнительный анализ возможностей коммутаторов Soft Switch и шлюзов доступа различных разработчиков с учетом возможностей оперативного контроля качества связи;
разработана двухфазная математическая модель обслуживания вызовов в интегрированных системах предоставления телефонных услуг, позволяющая исследовать зависимость вероятностных характеристик качества обслуживания в зависимости от параметров потоков вызовов;
разработана компьютерная программа статистического моделирования, описывающая влияние функции управления «Пропуск в обслуживании вызовов» на вероятность потерь по вызовам в направлении связи;
разработан метод оперативного управления потоками телефонного трафика, учитывающий особенности включения интегрированных систем предоставления те лефонных услуг в цифровые поля коммутации каналов и принципы организации доступа к ресурсам сетей с коммутацией пакетов перспективных технологий;
разработана имитационная модель работы интегрированной системы предоставления телефонных услуг, используемой в качестве обходного направления телефонной связи.
Методы исследования. В основу проводимых исследований положены методы теории массового обслуживания, теории телетрафика, вычислительной математики и программирования.
Научная новизна работы заключается в следующем:
разработана двухфазная математическая модель интегрированной системы предоставления телефонных услуг, позволяющая использовать метод декомпозиции для раздельного исследования фаз обслуживания, которым поставлены в соответствие пучок каналов доступа к цифровому полю коммутации каналов и шлюз доступа к сети коммутации пакетов;
при помощи имитационного моделирования проведено исследование влияния активизации функции управления «Пропуск в обслуживании вызовов» на вероятность отказов в обслуживании вызовов в условиях перегрузок на отдельных направ- 1 лениях сети коммутации каналов и при возникновении общих перегрузок в сети коммутации пакетов;
разработан метод оперативного управления потоками трафика с использованием интегрированных систем предоставления телефонных услуг, и получены рекомендации по выбору величины защитного интервала функции управления «Пропуск в обслуживании вызовов»;
при помощи имитационного моделирования проведено исследование и предложен вариант развития метода эквивалентных замен RDA для расчета интегрированной системы предоставления телефонных услуг с учетом влияния функции управления «Пропуск в обслуживании вызовов».
Основные положения, выносимые на защиту:
математическая модель обслуживания вызовов в интегрированной системе предоставления телефонных услуг, которая рассматривается как двухфазная система массового обслуживания;
метод оперативного управления потоками телефонного трафика, позволяющий ограничивать потоки трафика в направлениях телефонной сети, направляя избы точную нагрузку по обходным направлениям связи, которые могут быть реализованы на основе технологий ATM, IP или FR;
вариант развития метода эквивалентных замен RDA для интегрированных систем предоставления телефонных услуг, позволяющий учесть активизацию функции управления «Пропуск в обслуживании вызовов» в направлениях телефонной сети.
Личный вклад. Теоретические и практические исследования, расчеты и проведенное моделирование на персональном компьютере, а также полученные из них выводы и рекомендации получены автором лично.
Практическая ценность. Разработанный в диссертации метод оперативного управления потоками телефонного трафика позволяет обеспечить защиту от перегрузок в направлениях связи телефонной сети путем передачи части нагрузки на сети коммутации пакетов через интегрированные системы предоставления телефонных услуг. Предложенный вариант развития метода эквивалентных замен RDA позволяют производить обоснованный выбор емкости подсистемы доступа к цифровому коммутационному полю. Методика расчета вероятности потерь вызовов в интегрированных системах предоставления телефонных услуг позволяет производить обоснованный выбор величины пропуска в обслуживании вызовов. 1 Реализация результатов работы. Основные теоретические и практические результаты, полученные в работе, использованы в учебном процессе кафедры систем управления городских телефонных сетей МТУСИ, а также в научно-исследовательской работе ЗАО «Центральная Телекоммуникационная Компания», что подтверждено соответствующими актами.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы были представлены и обсуждались на Международных форумах информатизации МФИ-2001 (Москва, 2001г.), МФИ-2002 (Москва,2002 г.), МФИ-2003 (Москва, 2001 г.), на Научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава МТУСИ (2002 г. и 2003 г.), на школе-семинаре «Сети и системы связи» (Минск,2003 г.), на заседаниях кафедры систем управления городских телефонных сетей МТУСИ.
Публикации. Основные результаты диссертации изложены в 21 опубликованной работе.
Объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и приложений. Она включает 106 страниц машинописного текста, 65 рисунок, 32 таблицы, 3 приложения. Список литературы включает 126 наименований.
Анализ характеристик трафика различных приложений мультисервисных сетей
Проблемы задержек голосовых пакетов усугубляется флюктуациями пакетов, которые обусловлены необходимостью накопления пакеты на передающем конце для периодической передачи их на декодер, нарушением порядка прибытия пакетов в пункт назначения и необходимостью их буферного накопления. Перспективен подход к конвергенции сетей передачи речи и данных, предполагающий использование ресурсов существующих телефонных сетей для организации доступа к ресурсам транспортной сети на базе технологий PDH, ATM, IP FR. В настоящее время разработаны семейства стандартов передачи речи методами передачи данных: VoATM; VoFR и VoIP [4,5,6,30,31,32,33,34,35,36,37,38,60,61, 62,63,64,65].
Процесс стандартизации VoATM (голос поверх ATM) начался в 1997году, когда ATM Forum утвердил вторую версию спецификации сервиса эмуляции каналов (Circuit Emulation Service, CES) для поддержки передачи голоса с протоколом AAL1 (на постоянной скорости). В 2000 году были выпущены рекомендации МСЭ I.363.2 с протоколом AAL2 (с переменной скоростью), а также определены способы сжатия пакетов AAL2, их преобразование в поток ячеек ATM и подавление пауз. Рекомендация МСЭ I.366.2 наделила виртуальный канал AAL2 функциональностью обычной линии телефонной сети общего пользования (включая поддержку сигналов тональной частоты, кодов набранных частотным способом цифр и сообщений сигнализации).
Протоколами VoFR (голос поверх FR) обеспечивается совместимость разных производителей, возможность динамического перераспределения пропускной способности между различными пользователями и разными виртуальными каналами, по которым передаются голос и данные. Среди недостатков VoFR следует назвать отсутствие возможности назначения приоритетов и значительная (к тому же переменную) длину пакетов, которая увеличивает задержки передачи и их флюктуации.
Потеря голосовых пакетов при использовании VoIP обусловлена помехами в каналах связи, а также изъятием пакетов из процесса передачи, если время перемещения голосового пакета превысило лимит времени - «срок жизни» и оказалось отвергнутым по пути следования. Потеря голосовых пакетов на уровне 3-5% приводит к ощутимому ухудшению качества речи. Еще одним бичом передачи голоса с использованием протоколов VoIP является наличие эхо-сигнала. Голосовой сигнал возвращается передающей стороне, отражаясь от места стыковки четырех проводного канала с двух проводным каналом (из-за несовершенства дифференциальных систем). Абонент начинает слышать собственное эхо при сравнительно малых задержках 20-30мс, которые вносятся оборудованием сжатия речевого сигнала. По этой причине вся оконечная аппаратура VoIP и шлюзы имеют эхокомпенсаторы. Реализация механизма QoS для резервирования части пропускной способности для высокоприоритетного голосового трафика в конечном итоге ведет к снижению общей производительности сети. Реализация технологии VoIP регламентируется стандартами Н.225, Н.248 и Н.323, принятыми МСЭ, а также RFC1889 (протоколы RTP и RTCP) консорциума IETF. В качестве сигнального протокола для IP - телефонии все большее распространение получает концепция SIP, описанная в стандартах RFC2543, RFC2327. В настоящее время мультисервисные сети предоставляют услуги, которые по скорости можно условно разделить на три класса: низкоскоростные (скорость передачи информации - менее 100 кбит/с); среднескоростные (менее 10 Мбит/с); высокоскоростные (свыше 10 Мбит/с). В таблице 1.4. приведены основные характеристики трафика различных приложений [4,40,41,42,43,44,45,46,47]. По требованиям к задержке передачи мультисервисный трафик условно можно разделить на три категории: трафик реального времени, трафик транзакций, трафик данных. К трафику реального времени относится трафик с аудио- и видеоинформацией, не допускающей задержки более, чем на 0,5 сек. При этом задержка должна иметь небольшие колебания во времени (эффект «дрожания» должен быть сведен к нулю). Трафик транзакций допускает задержку до одной секунды. Увеличение этого предельного значения заставляет пользователей прерывать свою работу и ждать ответа, так как только после получения ответа возможно продолжение передачи данных. В некоторых случаях превышение допустимого времени задержки может привести к сбою рабочей сессии и пользователю потребуется начать ее вновь. Трафик данных может передаваться практически с задержкой до нескольких секунд. То есть задержки между оконечными устройствами в сетях могут составлять единицы миллисекунд, а время обработки протокольных блоков в коммутаторах - десятки и сотни микросекунд.
Показатель «Взрывоопасность» характеризует способность быстрого нарастания трафика данного приложения. Несмотря на то, что «взрывоопасность» речевого трафика признается средней, для ТфОП характерно значительное изменение уровня трафика в течение суток. Существующие телефонные сети общего пользования оптимизированы для двустороннего телефонного трафика реального времени, который является основным источником дохода для подавляющего большинства сетевых операторов. ТфОП проектируются на основе требований обеспечить необходимое качество связи в час наибольшей нагрузки (ЧНН). Одной из задач, которые МСЭ-Т ставит перед администрациями национальных сетей связи, является разработка подходов к управлению потоками вызовов путем выработки сигналов о целесообразности уменьшения нагрузки на отдельных пучках каналов [48]. Одной из наиболее жестких мер может служить введение приоритетов с возможностью отключения абонентов низших приоритетов. Другая возможная мера - введение повышенных тарифов в ЧНН или самонастраивающихся тарифов. Одно из возможных мероприятий по выравниванию нагрузки на ТфОП - применение кроссовой коммутации, что позволяет изменять величину пучков каналов при наличии несовпадающих по времени ЧНН. Такую идею выдвинул А. Д. Харкевич, и в настоящее время она может получить свое воплощение в оперативном управлении транспортными сетями технологии SDH.
В сетях коммутации пакетов перегрузка наступает, когда количество пакетов, передаваемых одновременно по сети, превышает некоторый пороговый уровень (рис. 1.6) При достижении максимального уровня пропускной способности сети, который характеризуется числом доставленных пакетов, производительность сети начинает снижаться. При очень высоком уровне трафика производительность сети падает до такого низкого уровня, что практически никакие пакеты не доставляются. Перегрузка на сетях передачи данных и в компьютерных сетях имеется тенденцию к лавинообразному нарастанию. Ситуация усугубляется тем, что основное число приложений компьютерных сетей по своему характеру относится к «взрывоопасным». В компьютерных сетях и в сети Интернет трафик может быстро возрастать в тысячи раз. Известны случаи выхода из строя значительной части сети Интернет и ряда крупных корпоративных сетей при атаках компьютерных террористов - хакеров. Одной из основных причин перегрузки является неравномерность трафика. Предотвращение перегрузок должно гарантировать, что сеть справится с предлагаемым ей трафиком. В таблице 1.5 представлены различные методы борьбы с перегрузкой для систем без обратной связи. Еще один метод борьбы с перегрузками без обратной связи состоит в организации передачи пакетов с более предсказуемой скоростью, широко используется в сетях ATM и называется формированием трафика. Формирование трафика предусматривает регулирование средней и пиковой скорости передачи данных.
Выбор сетевой технологии и аппаратуры для мультисервисных сетей требует анализа распределения и учета соотношения долей голосового трафика и передачи данных в транспортных магистралях. В зависимости от вида трафика можно давать прогноз пропущенной полезной нагрузки в транспортной сети и оценивать себестоимость передачи заданного объема информации в единицу времени с учетом стоимости соответствующей аппаратуры сети. Возможна оптимизация сети на уровне загрузки реальным трафиком и эффективной борьбы с перегрузками.
Интеграция телефонных сетей общего пользования и сетей Интернет - телефонии
Перед технологией VoIP стала задача в решении комплекса проблем по обеспечению обычной телефонной связи абонентов телефонных сетей через сеть Интернет. В настоящее время созданы реальные предпосылки слияния сетей передачи данных и традиционных телефонных сетей общего пользования (ТФОП). Один из прогнозов конвергенции сетей выделяет три этапа интеграции (рис.1.12): первый этап (1994-2000 гг.) господствует традиционная телефония (TELE), быстро растет мобильная связь (МОВ) и начинается распространение Интернет-телефонии (IP); второй этап (2000-2006 гг.) - выравнивание рынка телефонии и услуг Интернета; третий этап (после 2006 г.) - подавляющее большинство услуг связи будет поставляться с привлечением ресурсов Интернета, будет далее расширяться рынок мобильной связи, и начнется внедрение широкополосных услуг (ВВ - Broadband) [37,41,42,54,58,69,70].
Реализация телефонной связи по сети передачи данных (JP, ЛВС, ГВС) осуществляется на базе оборудования: стандартного персонального компьютера в качестве телефонного терминала (компьютерный телефон); специального телефонного аппарата - ІР-телефона; а также сетевого шлюза (gateway), связывающего обычную телефонную сеть с сеть ІР-телефонии. Реализация телефонной связи по сети передачи данных (IP, ЛВС, ГВС) осуществляется на базе оборудования: стандартного персонального компьютера в качестве телефонного терминала (компьютерный телефон); специального телефонного аппарата - IP-телефона; а также сетевого шлюза (gateway), связывающего обычную телефонную сеть с сеть ІР-телефонии.
Персональный компьютер в качестве телефонного терминала должен быть полностью укомплектован мультимедийным приложением и обеспечен дополнительным программным обеспечением VoIP, постоянно находиться во включенном состоянии в сеть передачи данных или ЛВС. Качество связи зависит от состояния и размеров сети IP-телефонии, применения стека стандартных протоколов Н.323 и MGCP, преобразования речи в цифровой формат, а также используемых звуковых плот, микрофона, звуковых колонок. Преимуществом ПК с программным обеспечением VoIP является то, что он обеспечивает ведение телефонных переговоров, а также одновременно передачу документов, факсимильных изображений, многоадресную связь через настольное устройство в интерактивном (диалоговом) режиме.
Специальный цифровой телефонный аппарат - IP-телефон предназначен для непосредственного подключения к ЛВС и ведения телефонных разговоров по сети Интернет в режиме VoIP. IP-телефон имеет гибкую архитектуру и обеспечивает автоматическое присвоение IP - адресов через систему DHCP и позволяет работать в условиях появления новых стандартов. Кодирование речи осуществляется специальным процессором цифровой обработки сигналов DSP с компрессией голоса в режимах стандартов G.711(64K6HT/C), С723.1(5,3/6,4кбит/с), G.729A(8K6HT/C), С распознаванием речевой активности и ее подавления, с генерацией «успокаивающего шума». IP-телефон позволяет также осуществлять передачу видео на мегабитных скоростях с высоким качеством.
Шлюз VoIP связывает обычную традиционную телефонную сеть с сетью IP, обеспечивает трансляцию по сети IP в виде цифровых пакетов упакованного, оцифрованного и компрессированного голоса (рис.1.13). На противоположном конце аналогичный шлюз вновь преобразуют цифровые пакеты в аналоговую форму, пригодную для дальнейшей передачи по ТФОП и приему обычным телефонным аппаратом. В функции шлюза стандарта Н.323 входит преобразование протоколов сигнализации телефонных сетей, таких, как R2, Q.931, SS7, в протоколы сигнализации стека Н.323 и их трансляция по сети IP.
Шлюз позволяет также абонентам ТФОП, имеющим обычный телефонный аппарат, общаться с пользователями IP-телефонов или же использовать сеть IP как транзитную. Основной задачей уровня управления вызовами является выбор пути в сети с коммутацией пакетов, которая в простейшем случае может быть решена шлюзом, а в более общей постановке поручается специальному элементу сети - привратнику (gatekeeper). Привратник выполняет регистрацию и автоматизацию абонентов, в случае необходимости трансляцию адресов (например, имен DNS в телефонные номера), а также обеспечивает маршрутизацию вызовов к IP-телефону, шлюзу или к другому привратнику. Обычно один привратник обслуживает так называемую зону, то есть часть сети, находящуюся под административным управлением одной организации. Все функции привратника в архитектуре Н.323 могут выполнять терминальные устройства - телефоны и шлюзы, но такое решение плохо масштабируется, а поток вызовов с трудом контролируется и тарифицируется. На этом этапе развития ІР-телефонии сеть IP широко используется в качестве транзитной для ТфОП, и стала достаточно популярной во всем мире.
Наиболее динамично развиваются сети и услуги в сфере корпоративной связи как наиболее платежеспособном секторе рынка. В современной корпоративной сети связи оборудование учрежденческих производственных АТС (УПАТС) совмещает в себе традиционное оборудование АТС, мультисервисные УПАТС, телекоммуника ционные серверы, оборудование IP-телефонии, оборудование доступа и системы пе редачи технологии xDSL УПАТС сопрягаются с разными телекоммуникационными сетями - телефонной сетью общего пользования, цифровой сетью с интеграцией ус луг, локальными сетями предприятий и внешними сетями передачи данных. В ходе эволюции УПАТС становятся похожими по архитектуре на компьютерные серверы, подключаются к ЛВС с помощью шлюзов и концентраторов. Ожидается, что общий оборот продаж в США учрежденческих производственных АТС с поддержкой IP воз растет с 340 млн. долларов в 2000 году до 1,4 млрд. долларов в 2005 году. Более 40% американских компаний с числом сотрудников более 500 человек уже перевели свои телефонные системы с традиционных УАТС на УПАТС с поддержкой IP, которые в 2001 году составили 3 млн. станций. .;. Таким образом, для выхода IP-тёлефонии на более высокий уровень национального или международного оператора требуются другие стандарты и оборудование. Одним из ограничений современной IP- телефонии является невозможность установления соединения, когда инициировавший вызов абонент использует обычный телефонный аппарат, подключенный к традиционной телефонной сети, а вызываемый абонент - ПК или IP- телефон, соединенный с Интернет или частной сетью IP. Сложность подобного соединения связана с применением в общедоступных телефонных сетях различных схем адресации - системы телефонных номеров на основе стандарта Е.164 и системы DIMS. Набор имен DNS с помощью обычного телефонного аппарата осуществить довольно сложно.
Анализ возможных подходов к обеспечению транзита телефонного трафика средствами технологий с коммутацией пакетов
Рассмотрим возможности шлюза ITG, разработанного компанией Nortel Networks и представляющего собой интегрированное решение для системы коммутации Meridian [63,64,65,102]. Программное обеспечение системы Meridian воспринимает сеть IP как еще один маршрут, по которому может быть направлен телефонный трафик. Карта ITG осуществляет компрессию голоса и факсимильных сообщений, преобразует их в пакеты IP и направляет их в IP - сеть, используя свободную полосу пропускания. Эксклюзивной функцией компании Nortel Networks является функция Fallback to Traditional Trunking - возвращение в традиционную телефонную сеть при перегрузках. Если IP - сеть перегружена или, если в момент начала обслуживания вызова коэффициент потери пакетов и время ожидания выходят за пределы допустимых значений, вызов автоматически маршрутизируется на обычные телефонные линии. Когда состояние каналов передачи данных приходит в норму, система возвращается к маршрутизации по IP, начиная со следующего звонка.
Эффективность использования линии при пакетной коммутации выше, поскольку один сегмент от узла к узлу может динамически распределять свои ресурсы между многими пакетами от разных приложений. Если на передающем узле пакетов, предназначенных для отправки по определенному каналу, собирается больше, чем емкость этого канала, то пакеты помещаются в буфер, и устанавливается очередность передачи пакетов. Напротив, в сетях с коммутацией канала время, предназначенное для каждого приложения, выделяется в виде определенного временного канала на основе синхронного временного мультиплексирования. Максимальная скорость передачи определяется полосой этого временного канала, а не всей полосой канала. Сеть с пакетной коммутацией может осуществлять преобразование скорости передачи данных. Способны обмениваться между собою пакетами станции, подключенные к соответствующим узлам сети каналами с разной полосой пропускания. Когда поток через сеть с коммутацией каналов возрастает, сеть может оказаться перегруженной, и в организации каналов связи между новыми станциями может быть отказано. При перегруженности телефонной сети попытки повторного соединения могут быть блокированы.
В сетях с пакетной коммутацией при большой загруженности передача пакетов сохраняется, хотя и могут возникать задержки с доставкой пакетов или уменьшается скорость передачи. В сетях с пакетной коммутацией можно использовать систему приоритетов. Если узел хочет передать несколько пакетов, то он может, в первую очередь, передать пакеты, имеющие наивысший приоритет. Пакеты с высоким приоритетом будут доставляться с меньшей задержкой [4,10,12,26,27].
Для совместного использования возможностей сетей коммутации каналов и коммутации пакетов разрабатываются специальные шлюзы, позволяющие оперативно управлять потоками вызовов в условиях перегрузки и обеспечивать наилучшее соотношение стоимость / качество. Телефонный трафик через такие шлюзы может направляться на сеть IP. При возникновении перегрузок на сети IP телефонный трафик может возвращаться в телефонную сеть для установления соединений традиционным путем. Таким образом, массовые отказы в обслуживании на IP-сетях в условиях внезапно наступившей перегрузки следует рассматривать как тревожные сигналы для операторов сетей телефонной связи [4,6,19,24,29,52].
Шлюз ITG дает также широкие возможности регулирования качества голоса. Используя систему Meridian Administration Tool (МАТ), также разработанную компанией Nortel Networks, администратор сети может регулировать поддерживаемое шлюзом ITG качество передачи голоса. Выбор одного из уровней качества определяет критические значения параметров, при которых шлюз ITG активизирует автоматический возврат трафика в традиционную телефонную сеть. При помощи системы МАТ может также производиться выбор одного из четырех кодеков: G.711, обеспечивающего качество голоса на уровне междугородной связи при скорости 64 кбит/с; G.729 и G.729a, позволяющих сжимать голос до 8 кбит/с и обеспечивать качество, близкое к междугородной связи при низком коэффициенте задержки сигнала. Использование кодека G.729a задается по умолчанию и является наиболее предпочтительным для шлюза ITG; G.723.1, обеспечивающего самую большую компрессию 5,3 или 6,3 кбит/с. Последний кодек поддерживается большинством производителей и обычно указывается в спецификациях как кодек для обеспечения взаимодействия шлюзов IP телефонии. Система МАТ обеспечивает возможность регулирования соотношения качества и цены. Например, если тарифы внутренней междугородной связи существенно ниже тарифов на международную связь, администратор системы МАТ может задать самый высокий уровень качества для внутренних вызовов и более низкий приемлемый уровень качества для международных вызовов. В результате шлюз ITG будет получать команду направлять большую часть международных вызовов по сети IP, в обход междугородных АТС.
IP-сетью (IP-net) называется сеть, функционирующая по протоколу IP (Internet Protocol). Для интеграции корпоративных сетей и телефонных сетей общего пользования с IP-сетями предназначены специальные шлюзы.
Рассмотрим возможности шлюза Alder Voice Gateway (AVG), разработанного фирмой АГАТ-РТ для согласования корпоративной сети и телефонных сетей общего пользования с ІР-сетями [34,41]. Шлюз AVG - это программно-аппаратный комплекс, обеспечивающий телефонную связь по IP-сети и реализованный на базе стандартного персонального компьютера (ПК), в составе которого есть сетевая карта (или другое устройство для сопряжения с IP-сетью) и плата компьютерной телефонии «Ольха». Он обеспечивает согласованное использование аналоговых телефонных линий или цифровых потоков Е1, с одной стороны, и IP-сетей передачи данных, с другой. Шлюз AVG поддерживает все необходимые виды телефонной сигнализации, обеспечивает взаимодействие с различными типами телефонных станций или абонентского оборудования и позволяет осуществлять телефонные вызовы с телефона на телефон, с телефона на компьютер, а также с компьютера на телефон, используя в качестве канала передачи данных сеть, поддерживающую протоколы TCP/IP. Transmission Control Protocol/Internet Protocol - общее название семейства протоколов Internet. TCP и IP - наиболее известны из них. Протоколы TCP гарантируют, что каждый посланный байт дойдет до получателя без потерь. Протоколы IP присваивают локальные IP- адреса физическим сетевым адресам, обеспечивая этим адресное пространство, с которым работают маршрутизаторы (routers) [54,57,58].
Шлюз AVG совместим со всеми шлюзами IP-телефонии, поддерживающими протоколы Н.323 и SIP. Протокол Н.323 - основополагающий стандарт, определяющий правила передачи аудио пакетов по IP-сетям, а также способы кодирования звуковой информации. Протокол SIP (Session Initiation Protocol) -усовершенствованная версия протокола Н.323. Протокол SIP позволяет обеспечить совместимость шлюза AVG с оборудованием других производителей.
Сеть IP-телефонии, в которой функционирует шлюз AVG, может быть различной конфигурации. В качестве ее компонентов могут использоваться: IP-шлюз AVG; IP-шлюзы других производителей; IP-терминал (компьютер с системой NetMeeting, оснащенный звуковой картой, наушниками и микрофоном); телефон, подключенный непосредственно к плате «Ольха» в качестве абонентского комплекта; телефон, подключенный к шлюзу через АТС (УАТС); городская или офисная АТС (УАТС), которая подключается к шлюзу через оконечный комплект; SIP Proxy Server коммерческого провайдера услуг 1Р-телефонии.
Классификация методов управления потоками трафика на цифровой телефонной сети связи общего пользования
Управление цифровой телефонной сетью связи общего пользования предусматривает ведение контроля за качеством обслуживания в реальном времени. Наблюдение за процессами управления сетью позволяет обслуживающему персоналу иметь информацию о текущем распределении трафика в сети, которое соответствует поставленным в данный период целям управления. На этих данных основывается активизация или отмена методов управления, позволяющих: минимизировать ухудшение качества, если количество попыток осуществления вызова растет, превышая пропускной способности системы коммутации; обеспечить целостность сети в экстремальные периоды, которые могут быть результатом перегрузки или условий неисправности.
Опыт активизации специальных методов управления трафиком показывает, что при отсутствии управления пропускаемая сетью нагрузка гораздо ниже той, которую сеть в состоянии пропустить при применении методов управления (рис.3.8). При управляющем воздействии на ресурсы сети в автоматическом режиме или в режиме ручного управления можно снизить долю непроизводительных занятий и добиться более стабильной работы сети при перегрузках. Автоматическое управление трафиком обеспечивает быструю защиту сети путем ограничения трафика с низкой вероятностью завершения. При запуске автоматического управления операторы наблюдают ситуацию на сети и настраивают параметры управления в соответствии с особенностями данной сети.
Предусматриваются следующие виды автоматического управления: избирательное динамическое управление перегрузкой (Selective dynamic overload control, SDOC); избирательное резервирование пучков линий с использованием транспортных магистралей (Selective trunk reservation, STR); резервирование пучков линий с использованием транспортных магистралей (Trunk reservation, TR); избирательное управление входящей перегрузкой (Selective incoming load control, SILC).
Автоматическое управление SDOC и STR предназначено для активизации защиты в ответ на перегрузку самих систем коммутации или отдельных магистралей. Обнаружение перегрузок ведется в автоматическом режиме путем анализа статистики завершения кодов назначения каждые 5 минут. Подсистема SDOC реагирует на перегрузку систем коммутации сети путем динамического контроля перегруженных или отказавших систем, который может обеспечиваться на специальном центре управления трафиком. Изменение числа цифровых соединительных линий и, соответственно, числа временных каналов связи в отдельных труднодоступных направлениях связи называется избирательным резервированием STR. Подсистема STR реагирует на перегрузку направлений по исходящей связи и выполняет переключения групп цифровых линий, если достигается заданный порог (количество свободных каналов меньше заданной величины).
Методы SDOC, STR и TR предлагают «избирательное» защитное управление с использованием двух регулируемых уровней резервирования. Причем резервирование TR обеспечивает динамическое управление, осуществляемое в результате обнаружения перегрузки линии в отдельном пучке исходящих линий.
Соответствующий уровень должен запускаться, если количество свободных линий в пучке линий снижается до соответствующего порогового значения, или будет меньше этого значения (рис.3.9). Первый уровень резервирования линий RL1 фактически ограничивается управлением нагрузкой, направляемой по кодам труднодоступных пучков; или управлением нагрузкой, направляемой по обходному пути. Второй уровень резервирования линий RL2 может предусматривать активизацию защитных методов (например, ограничение приема на обслуживание новых вызовов). В частном случае, возможно равенство RL1= RL2.
Перспективно использование двухуровневой системы для активизации и отключения защитного метода управления. Так, при выполнении условия NCB R2 может запускаться механизм передачи части или всех вновь поступающих вызовов на обходное направление ATM или IP - технологии. При достижении неравенства NCB R1 действие защитный механизм выключается и его воздействие будет заключаться только в контроле текущего значения NCB. МОЖНО предположить, что реализация обходного направления связи с использованием ATM или IP - технологии, предполагает, что R2 R1 и RL = RL1 = RL2. Выбор значений R1, R2, а также уровня резервирования, то есть обоснование требований к пропускной способности обходного направления, является важной и актуальной научно-практической задачей.
Избирательное управление входящей нагрузкой (SILC) обеспечивает управление входящим трафиком. Определены три уровня процентного соотношения перегрузок электронного управляющего комплекса: МС1 = 60% поступивших вызовов не состоялось; МС2 = 80% поступивших вызовов не состоялось; МСЗ = 100% поступивших вызовов не состоялось, где МС, Machine Congestion - уровни перегрузки управляющего комплекса. Два уровня перегрузки МС1 и МС2 являются индикаторами условий перегрузки в реальном времени главного процессора административного модуля, причем МС1 показывает менее жесткое состояние перегрузки, чем МС2. Автоматический контроль условий перегрузки позволяет системе коммутации, испытывающей состояние перегрузки, послать автоматическую индикацию уровня перегрузки (ACL) на соседнюю систему коммутации в виде сообщения о разъединении ISUP. Система коммутации, получившая информацию о перегрузке, должна отреагировать уменьшением объема нагрузки.
Возможности методов автоматического управления трафиком эффективно дополняются совокупностью методов ручного управления соединительными линиями, которые подразделяются на методы защитного управления и на методы управлением распределения нагрузки. Защитное управление может быть использовано для того, чтобы препятствовать распространению перегрузки в сети, путем ограничения доступа к перегруженному направлению связи. Управление распределением нагрузки используется для распределения маршрутов за пределами обычных путей в цепи маршрутизации. Оно активизируется в том случае, когда пути маршрутизации в цепи заняты или неисправны, а свободные емкости имеются за пределами этой цепи. Осуществляемое таким образом управление имеет название управление изменением маршрутизации. Например, в цифровых системах коммутации 5ESS может выполняться одновременно управление до 128 пучков линий, а в системах коммутации DX200 R5 - до 256 пучков линий.
Управление пучком линий оказывает влияние на процент вызовов и может быть разделено на два класса: 1. Управление перед исканием, которое используется после того, как пучок линий выбран и до того, как будет начат поиск свободной линии в этом пучке; 2. Управление после поиска применяется для обнаружения свободной линии в пучке до того, как будет применено обращение к обходному пути. Средства управления пучками линий (временных каналов) могут регулировать долю нагрузки, поступающей на пучок. Виды нагрузки, регулируемой ручными средствами управления, следующие - нагрузка по прямым направлениям, нагрузка по обходным направлениям, нагрузка по прямым и обходным направлениям, нагрузка по труднодостижимым пунктам, нагрузка, связанная с определенными областями коммутации.
