Теоретическая часть
Концепция телекоммуникационных сетей будущего (NGN)
Сети NGN (Next Generation Network) базируются на идеи гибкого программного коммутатора (softswitch) как средства централизованного управления VoIP-сетью, то есть набором VoIP-шлюзов. При этом заменили телефонные коммутаторы на шлюзы (media gateways), и установили softswitch в качестве центрального управляющего элемента, задающего логику маршрутизации вызовов между шлюзами, получили что-то похожее на телефонную сеть. Таким образом, softswitch «отвечает» за работу сети в целом (реализация общих для всей сети правил, обеспечение интеллектуальной динамической маршрутизации, централизованные номерные планы, взаимодействие с сетью сигнализации ОКС 7).
Обобщенная концепция такого построения сети получила название сети связи следующего поколения (Next Generation Network, NGN). NGN – это гетерогенная мультисервисная сеть, основанная на пакетной коммутации, и обеспечивающая предоставление практически неограниченного спектра телекоммуникационных услуг. При этом предполагалось, что NGN в качестве технических средств будет использовать аппаратно – программные средства, ориентированные на стек протоколов TCP/IP.
Таким образом, идеология NGN представляет собой передачу любой информации в единой форме представления – IP-пакете. Традиционные сети не могут поддерживать обмен трафиком в формате IP. Этот факт подразумевает необходимость реконструкции всей архитектуры сети: транспортной инфраструктуры, уровня доступа и сетевой иерархии.
Транспортный уровень
В большинстве российских регионов транспортная сеть имеет ряд особенностей, существенных с точки зрения перевода их на IP-технологии. Важнейшими из них считаются использование устаревших линий передачи, чрезмерная удаленность и труднодоступность некоторых населенных пунктов. От технологий, используемых на уровне NGN, во много зависит качество работы всей сети и количество предоставляемых сервисов. В качестве транспорта могут быть использованы АТМ, MPLS, Ethernet и другие сети.
Уровень доступа
На современном этапе развития инфокоммуникационной системы формируется спрос на услуги, требующие существенного расширения пропускной способности доступа. Решение данных задач может осуществляться за счет использования проводных и беспроводных средств связи.
Сетевая иерархия
В модернизированной сети работой концентраторов MG управляет мультисервисный коммутатор доступа Media Gateway Controller (MGC), выполняющий функции Softswitch.
Для организации внутризоновой, междугородной и международной связи MGC включают в магистральный или транзитный коммутатор, что определяется принципом организации дальней связи, принятым в регионе. При этом MG функционирует как вынос от центральной станции. Такое включение целесообразно для большинства групп пользователей.
Для взаимодействия оборудования MG и MGC чаще всего используются проколы SIP или H.248. Оборудование технического обслуживания для сбора аварийных сигналов, контроля состояния аппаратно-программных средств и ведение статистики чаще всего поддерживается протоколом SNMP.
Для связи MGC с уже эксплуатируемыми коммутационными станциями целесообразно устанавливать шлюзы (IP-Telephony Gatewav, ITG). Эти шлюзы обеспечивают взаимодействие с любыми (по типу оборудования и уровню иерархии) станциями ТфОП за счет поддержки сигнализации по E-DSS1, ОКС7 и 2ВСК.
Весьма эффективное использование ITG обеспечивается в тех случаях, когда они состоят из тех же аппаратно-программных средств, которые применяются для построения MG. При последующей замене старых коммуникационных станций на MG в оборудование шлюза необходимо лишь вставить дополнительные платы и добавить соответствующее программное обеспечение. Такое решение приводит к тому, что шлюзы, в отличие от большинства используемых ныне конверторов, при модернизации сети не утилизируются, а преобразуются в MG. Данный подход способствует снижению расходов на модернизацию телефонной сети.
Уровень управления
Все многообразие устройств, которые транслируют и коммутируют трафик данных, преобразуют информацию, заложенную в пакеты, в стандартную телефонную сигнализацию и соединения, сопрягают цифровые сети различной природы, терминируют на себе различные виды трафика, управляется из одного мощного ядра. Это третий уровень NGN – управляющий.
Данный уровень часто связывают с таким понятием, как SoftSwitch. Основная функция третьего уровня NGN – управление соединением абонента А с абонентом Б. Занимается этим специализированный сервер, или «сервер соединений» – по терминологии SoftSwitch. Большая мощность и производительность подобных серверов – важное условие бесперебойной работы сети. Кроме того, при проектировании SoftSwitch учитывают специфические факторы IP-сетей – это необходимость обеспечения параметров качества обслуживания (QoS) сети VoIP, разделение маршрутов потоков голоса и данных, управление маршрутизацией при наличии довольно пестрого спектра устройств: маршрутизаторов, конверторов сигнализации, пограничных контроллеров, шлюзов, прокси-серверов, абонентских терминалов, мультиплексоров и контроллеров абонентского доступа различной природы.
Уровень услуг
Последним уровнем NGN принято считать уровень приложений. Его задача – обеспечение всего спектра услуг, доступного на сетях следующего поколения. Идеология построения NGN обеспечивает возможность предоставления
абонентам услуг Triple-Play (передача речи, данных и видео) на базе мультисервисных сетей, создаваемых путем модернизации существующих сетей электросвязи.
Переход к NGN открывает практически неограниченные возможности по реализации услуг и для корпоративного сектора. В традиционных сетях такие услуги предоставляются локальными операторами, и их подключение нередко требует больших временных или финансовых затрат. В случае использования однородной IP-среды существует единый набор услуг для всех пользователей. Механизм их подключения также заметно упрощается: достаточно выбрать интересующую услугу из списка и послать соответствующий запрос. Уже сегодня популярны новые широкополосные услуги: «видео по требованию», «расширенное телевидение» (ТВ+Интернет), ТВ – коммерция и т. д.
[1,2]
Формат метки MPLS и назначение всех полей
Метка представляет собой последовательность записей. Каждая запись в стек имеет длину 4 октета. Формат такой записи показан на рисунке 1.1.
Запись меток размещается после заголовка канального уровня, и перед заголовком сетевого уровня (например, между Ethernet- и IP-заголовком). Верх стека записывается первым, а дно – последним. Сетевой заголовок следует сразу за записью стека меток с битом S=1. Каждая запись стека меток содержит в себе следующие поля.
1. Дно стека (S)
Является средством поддержки иерархической структуры стека меток MPLS. В заголовке последней (т. е. самой глубокой или нижней) метки бит S=1, а во всех остальных метках в стеке бит S=0. Подробнее стек меток рассматривается ниже.
2. Время жизни (TTL)
Это 8-битовое поле служит для представления значения времени жизни пакета. Данное поле является механизмом, предотвращающим возможность бесконечной циркуляции пакетов по сети вследствие образования закольцованных маршрутов. Байт TTL находится в конце заголовка метки.
Рисунок 1.1 - Формат записи стека меток
3. Экспериментальное поле (CoS)
Это 3-битовое поле зарезервировано для экспериментальных целей (QoS). В настоящее время проводится работа на создание согласованного стандарта использования этих битов для поддержки дифференцированного обслуживания разнотипного трафика и идентификации класса обслуживания. Первоначально это поле так и называлось – "Класс обслуживания" (CoS), и это название до сих пор широко распространено. При предоставлении дифференцированных услуг MPSL-сети это поле может указывать определенный класс обслуживания, например аналогичный классам DiffServ.
4. Значение метки
Это 20-битовое поле несет в себе код метки. Может быть любым числом в диапазоне от 0 до 220- 1, за исключением резервных значений (0, 1, 2, 3 и др.), определением использования которых занимается рабочая группа MPLS в составе комитета IETF.
Когда получен помеченный пакет, анализируется значение метки наверху стека. В результате этого анализа определяется:
- следующий шаг, куда должен быть переадресован пакет;
- операция, которая должна быть выполнена со стеком меток до переадресации. Эта операция может быть заменой метки на вершине стека, или удалением записи из стека, или замещением верхней позиции в стеке и занесением туда затем одной или более новых записей.
В дополнение к определению следующего шага и операции со стеком меток можно также получить данные об инкапсуляции выходной информации и возможно другие данные, которые необходимы для того, чтобы корректно переадресовывать пакеты.
Существует несколько зарезервированных значений меток.
Значение 0 представляет "IPv4 Explicit NULL Label". Это значение метки является единственно допустимым для дна стека меток. Оно указывает, что стек должен быть очищен и переадресация пакета должна основываться на IPv4-заголовке.
Значение 1 представляет "Router Alert Label". Это значение метки является легальным в любом месте стека меток, за исключением дна. Когда полученный пакет содержит такую метку на вершине стека, он доставляется локальному модулю для обработки. Действительная переадресация пакета определяется меткой в его стеке. Однако если пакет переадресовывается дальше, еще до переадресации в стек должна быть занесена метка "Router Alert". Использование этой метки сходно с применением опции "Router Alert" в IP-пакетах. Так как эта метка не может лежать на дне стека, она не ассоциируется с определенным протоколом сетевого уровня.
Значение 2 представляет "IPv6 Explicit NULL Label". Это значение метки является единственно допустимым для записи на дне стека. Оно указывает, что стек должен быть очищен, а переадресация пакетов должна после этого основываться на заголовке IPv6.
Значение 3 представляет "Implicit NULL Label". Это метка, которую LSR может присваивать и рассылать, но которая в действительности никогда не используется при инкапсуляции. Когда LSR замещает метку на верху стека на новую и эта новая метка является "Implicit NULL", LSR очистит стек, вместо того чтобы осуществить замену. Хотя это значение не может появиться при инкапсуляции, оно должно быть специфицировано в протоколе рассылки меток, так что значение может считаться зарезервированным.
Значения 4–15 зарезервированы.
Стек меток MPLS
Спецификация кодирования стека меток MPLS определена в RFC3032 " MPLS Label Stack Encoding". Данный документ содержит детальную информацию о метках и о том, как они используются с различными сетевыми технологиями, а также определяет ключевое для технологии MPLS понятие – стек меток. Возможность иметь в пакете более одной метки в виде стека позволяет создавать иерархию меток, что открывает дорогу многим приложениям.
MPLS может выполнить со стеком следующие операции: помещать метку в стек, удалять метку из стека и заменять метку. Эти операции могут использоваться для слияния и разветвления информационных потоков. Операция помещения метки в стек (push operation) добавляет новую метку поверх стека, а операция удаления метки из стека (pop operation) удаляет верхнюю метку стека.
Функциональные возможности стека MPLS позволяют объединять несколько LSP в один. К стеку меток каждого из этих LSP сверху добавляется общая метка, в результате чего образуется агрегированный тракт MPLS. В точке окончания такого тракта происходит его разветвление на составляющие его индивидуальные LSP. Так могут объединиться тракты, имеющие общую часть маршрута. Следовательно, MPLS способна обеспечивать иерархическую пересылку, что может стать важной и востребованной функциональной возможностью. При ее использовании не нужно переносить глобальную маршрутную информацию, и это делает сеть MPLS более стабильной и масштабируемой, чем сеть с традиционной маршрутизацией.
Согласно рассматриваемым ниже правилам инкапсуляции меток, за меткой MPLS в пакете всегда должен следовать заголовок сетевого уровня. Так как MPLS начинает работу верхнего уровня стека, этот стек используется по принципу LIFO "последним пришел, первым ушел".
Пример четырехуровневого стека меток представлен на рисунке 1.2.
Заголовок MPLS № 1 был первым заголовком MPLS, помещенным в пакет, затем в него были помещены заголовки № 2, № 3 и, наконец, заголовок № 4. Коммутация по меткам всегда использует верхнюю метку стека, и метки удаляются из пакета так, как это определено выходным узлом для каждого LSP, по которому следует пакет. Рассмотренный в предыдущем параграфе бит S имеет значение 1 в нижней метке стека и 0 – во всех остальных метках. Это позволяет привязывать префикс к нескольким меткам, другими словами – к стеку меток (Label Stack). Каждая метка стека имеет собственные значения поля EXP, S-бита и поля TTL.
Рисунок 1.2 - Четырехуровневый стек меток
[3].