Розділ 1. Конвергенція мереж зв'язку

Зміст

1.1 Пропорції в телекомунікаціях

Гуляючи в тінистому гаю, грецький філософ Анаксимен розмовляв зі своїм учнем. «Скажи мені, - запитав юнак, - чому тебе часто долають сумніви? Ти прожив довге життя, навчений досвідом і вчився у великих еллінів. Як же так вийшло, що і для тебе залишилося настільки багато незрозумілих питань?». У відповідь філософ окреслив палицею перед собою два кола: малий і великий. «Твої знання-це маленьке коло, а мої - великий. Але все, що залишилося поза цих кіл, - невідомість. Маленьке коло c невідомістю стикається мало. Чим ширше коло твоїх знань, тим протяженнее його кордон з невідомістю. І надалі, чим більше ти будеш дізнаватися нового, тим більше у тебе буде виникати незрозумілих питань».
Класична телефонія з її традиційними телефонними послугами POTS (Plain Old Telephone Service), досить добре вивчена за свою більш ніж столітню історію, відповідає малому колу з цієї повчальної притчі. Велике коло представляє народжувану індустрію інфокомунікацій, що є результатом взаємопроникнення (конвергенції) інформаційних і телекомунікаційних технологій та послуг і дійсно породжує більше нерозв'язаних питань, ніж готових відповідей.
З часу свого виникнення телекомунікації базуються на передачі електромагнітних сигналів через транспортну середу, якою можуть бути:

• металевий кабель,
• оптоволокно,
• радіоканал.

Передана у вигляді електромагнітних сигналів інформація може бути:

• мова,
• дані,
• відеозображення.

або будь-яку їхню комбінацію, звану мультимедійною інформацією.
Ці три джерела і три складові частини телекомунікацій в повній мірі відображають їх сучасний стан, причому сучасність тут розуміється в широкому сенсі. Передача по мережах зв'язку інформації трьох перерахованих вище видів благополучно здійснювалася не одне десятиліття, поки не спрацював принцип, давно відомий у сфері мистецтв, - вся справа в пропорціях.
Ще в 1996 р. в США трафік передачі даних вперше перевищив мовний (рис. 1.1) і продовжує демонструвати завидні темпи зростання (до 30% на рік у порівнянні з 3% у рік для телефонії). Те ж відбулося в Європі в 1999 році. Все це послужило поштовхом до початку нової ери в телекомунікаціях - ери інтегрованих рішень та конвергенції всіх видів зв'язку. Протокол IP отримав світове визнання і, до певної міри, став «де-факто» стандартом для передачі мультимедійної інформації.
Якщо додати сюди феномен мережі Інтернет, де, за найскромнішими підрахунками, зростання числа користувачів становить 5% на місяць, то стане цілком зрозуміло, що всі ці події самим безпосереднім чином тягнуть за собою докорінну зміну підходів до побудови інформаційних мереж. Мова і дані міняються місцями. Традиційні мережі передачі даних базувалися на магістралях з комутацією каналів, призначених для телефонного трафіку. При новому підході - все навпаки: телефонія буде надстраиваться над інфраструктурою мережі передачі даних.
Зміщення центру ваги в область передачі даних поставило питання про пошук зручного способу вбудовування мови в мультимедійний цифровий потік. Причина популярності IP як раз і полягає в його сприйнятливості до вимог з боку не тільки послуг передачі даних, але і додатків реального часу. Прикладом може служити успішно реалізована технологія передачі мовної інформації по мережах з маршрутизацією пакетів IP - Voice over IP (VolP) або IP-телефонія.

Рис. 1.1. Ріст трафіка Інтернет та телефонного трафіку

Але поняття Voice over IP має на увазі не тільки і не стільки використання мережі Інтернет в якості середовища передачі мови, скільки сам протокол IP і технології, щоб забезпечити надійну і високоякісну передачу мовної інформації в мережах пакетної комутації. Відсутність гарантованої якості обслуговування при передачі мови компенсується появою таких технологій, як багатопротокольна комутація по мітках - Multiprotocol Label Switching (MPLS), протокол резервування ресурсів - Resource Reservation Protocol (RSVP), диференціальне обслуговування різнотипного трафіку - Differentiated Services (DiffServ) та інших. Все більшу популярність набуває передача пакетів IP, упакованих у контейнери систем синхронної цифрової ієрархії - Synchronous Digital Hierarchy (SDH), а також технологія спектрального мультиплексування - Wave Division Multiplexing (WDM). У всіх випадках необхідною умовою є підпорядкування кожного вузла системи єдиної політики управління трафіком. Цьому ж покликані допомогти протоколи RTP, RTSP, Diffentiaten Services та інші механізми, що розглядаються в наступних розділах. Тут же досить зазначити, що стандартизація мовних технологій на основі стеку TCP / IP і їх підтримка лідерами ринку пакетної телефонії забезпечать сумісність обладнання різних виробників і дозволять створювати системи, в яких можливі виклики з аналогового телефонного апарату, підключеного до порту маршрутизатора, на персональний комп'ютер, або з персонального комп'ютера на номер ТфОП, в рамках трьох сценаріїв IP-телефонії, що розглядаються в наступному розділі.

1.2 Перспективи розвитку ТМЗК та IP-мереж

Продовжуючи аналіз росту трафіку даних і мови, представленого у вигляді графіків на рис.1 в попередньому параграфі, автори дозволили собі навести прогноз зростання кількості абонентів (графіки на рис.1.2). Суть прогнозу аж ніяк не в тому, що кількість користувачів мереж стаціонарного зв'язку, мобільного зв'язку та Інтернет до 2004-2006 років досягне мільярда, а в тому, що ємності цих мереж зближуються. У контексті даної глави остання обставина, відповідно до закону діалектики про перехід кількості в якість, призводить до принципово новим думкам з приводу конвергенції цих мереж. Важливим стимулом таких думок є прогноз загальносвітових доходів від телекомунікаційних послуг, зроблений Dataquest (рис. 1.26), графічне представлення якого майже збігається з верхньою кривою на рис. 1.2а. Порогова величина в цьому прогнозі становить трильйон доларів США сукупного доходу за сегментами ринку (мова, дані, мобільний зв'язок), а перехід за цей поріг очікується ще раніше - в 2002-2003 рр..

Рис. 1.2. Зростання чисельності абонентів, їх перерозподіл (а) і загальносвітові показники доходів від телекомунікаційних послуг за сегментами ринку (б)

Одним з аспектів, що сприяють згаданої вище конвергенції, є ключовий принцип відділення організації послуг від транспортування інформації, що становить основу ідеї Інтелектуальних мереж. Суть концепції Інтелектуальної мережі (IN) полягає в побудові універсальної середовища, що забезпечує найбільшу ефективність створення і надання нових телефонних послуг. Поступово ця концепція стала засобом глобального нагнітання обчислювальної потужності в телефонну мережу загального користування (ТФОП), про що чимало сказано в тільки що вийшла монографії.
Тут же є корисним продовжити кількісні оцінки і спробувати уявити собі короткостроковий і довгостроковий прогнози розвитку телекомунікаційних послуг.
Короткостроковий прогноз автори пов'язують із згаданими вище аспектами конвергенції мереж і послуг зв'язку. Довгостроковий прогноз припускає, що переважання додатків типу клієнт-сервер на основі IP-мереж (наприклад, пошук інформації, пошта та інші) збережеться. Але у віддаленій перспективі внутрішня природа мережі, що базується на протоколі IP, може стати гальмом для виконання вимог інтерактивної мультимедіа: висока швидкодія в реальному часі і «наскрізна» широкосмугова інтерактивність. Для такого роду додатків в майбутньому буде потрібно більш потужна платформа.
Рис.1.3 ілюструє еволюцію телекомунікаційних додатків на основі IP.
Прийнявши до уваги ту обставину, що IP-телефонія є одним з найважливіших додатків на базі протоколу IP, на підставі рис.1.3 читач може прийняти рішення про те, наскільки доцільно прочитати цю книгу. Основний висновок авторів з цього малюнка полягає в тому, що Internet Protocol безумовно буде домінуючим протоколом в мережах наступного покоління, яким належить підтримувати передачу мови, даних, факсиміле, відеоінформації та мультимедіа.

Рис. 1.3. Тенденції розвитку телекомунікаційних послуг

Першочергова мета конвергенції мереж на базі протоколу IP-це зниження загальних витрат, що складаються не тільки з капітальних витрат на придбання та інсталяцію телекомунікаційного обладнання, а й з витрат на його утримання. Теоретично одна об'єднана мережа зменшила б потреба у кваліфікованому персоналі - одні й ті ж люди стали б займатися і телефонією, і системами передачі даних. Наявність лише одного каналу доступу до розподіленої мережі теж грунтовно знизило б щомісячні витрати. Направляючи мовної трафік через корпоративну магістральну мережу передачі даних, можна істотно зменшити витрати на традиційні телефонні послуги. І, нарешті, скорочення одиниць використовуваного обладнання значно зменшить вартість його технічного обслуговування. Як зазначив представник одного міжнародного оператора зв'язку, перехід на технологію IP-телефонії дозволить йому заощадити близько 70% коштів на капітальні витрати, 60-80% коштів, що виділяються на організацію каналів доступу, і 50% коштів на поточне обслуговування та ремонт мережі.
Однак економія на вартості інфраструктури - це не те, заради чого задумувався перехід до об'єднаних мереж. Революція станеться тоді, коли з'являться нові програми, наприклад, коли центри обслуговування клієнтів зможуть в реальному часі «супроводжувати» кожного покупця з моменту його появи на домашній сторінці компанії в мережі Інтернет до оформлення замовлення на покупку потрібного продукту, «проводячи» його через такі етапи , як демонстрація каталогу пропонованих виробів і з'ясування незрозумілих питань в ході телефонного спілкування з представником компанії. Інший приклад застосування нових технологій - використання співробітниками телефонного сервісу своєї корпоративної УАТС незалежно від того, де він і знаходяться, наприклад, при роботі вдома.
При всіх оптимістичних прогнозах, викладених вище, не слід забувати, що традиційна телефонний зв'язок спирається на потужну базу, що створювалася протягом багатьох десятиліть, і така система не може не володіти певною інерцією. Виходячи з цього, навряд чи варто очікувати, що не сьогодні-завтра станеться миттєвий революційний стрибок у галузі зв'язку, та Інтернет-телефонія витіснить всі інші технології. Швидше навпаки: протягом найближчих 5-10 років традиційна телефонія буде як і раніше займати домінуючі позиції. Перехід на нові, більш прогресивні методи буде відбуватися поступово еволюційним шляхом, в різних країнах з різною швидкістю. А це означає, що протягом тривалого часу ТфОП і IP-мережі будуть змушені існувати паралельно, забезпечуючи взаємну прозорість і об'єднуючи свої зусилля в обслуговуванні різнорідного абонентського трафіку.
Згідно з відомою формулою про неможливість знаходитися в якомусь суспільстві і бути поза його законів, при входженні IP-телефонії в давно сформувалося глобальне телефонне суспільство необхідне дотримання основних законів існуючій ТфЗК:
експлуатаційна надійність з трьома дев'ятками після коми, жорсткі норми якості передачі мови в реальному часі і т.п.
Не менш законів, правил і норм важливі традиції, що сформувалися за більш ніж столітній період існування ТфОП. І. Губерманом дана точна формулювання важливості традицій:
Владика наш - традиція. А в ній-свої благословіння і перепони;
неписані правила сильніше, ніж самі люті закони.
Тому не менш важливо зберегти всі звичні для користувача дії - набір номера, спосіб доступу до телефонних послуг і т. д. Таким чином, абонент не повинен відчувати різниці між IP-телефонією і звичайним телефонним зв'язком ні за якістю мови, ні за алгоритмом доступу. З тих же причин дуже бажано забезпечити між ТФОП і IP-мережами повну прозорість передачі користувальницької інформації та сигналізації. Справа в тому, що на відміну, наприклад, від більшості корпоративних мереж зв'язку, мережі загального користування не мають національних і відомчих меж. IP-телефонія повинна мати можливість підтримувати спільну роботу і забезпечувати інформаційну прозорість з безліччю стандартів зв'язку, прийнятих у різних країнах світу. Мова йде не тільки про електричну стикуванні - необхідно знайти взаємоприйнятне рішення таких завдань, як взаємодія протоколів верхніх рівнів та програм, нарахування плати та ін.

1.3 Транспортні технології пакетної комутації

Більшість виробників, які мають широким асортиментом продукції для пакетної телефонії, займають «технологічно нейтральне» положення і надають покупцеві можливість самому вибирати ту технологію, яка краще всього відповідає його інтеграційної стратегії. Основні технології пакетної передачі мови - Frame Relay, ATM і маршрутизація пакетів IP - різняться ефективністю використання каналів зв'язку, ступенем охоплення різних ділянок мережі, надійністю, керованістю, захистом інформації та доступу, а також вартістю. Обмежений обсяг книги не дозволяє дати глибокий порівняльний аналіз цих технологій з точки зору передачі мови, тому тут наводяться в найбільш компактною графічній формі тільки результати такого аналізу (рис.1.4).

Рис. 1.4. а) Голос по АТМ

Рис. 1.4. б) Голос Frame Relay

Рис. 1.4. в) Голос по IP
Рис. 1.4. Порівняння технологій пакетної передачі мови: a) VoATM, б) VoFR, в) VolP

Транспортна технологія ATM вже кілька років успішно використовується в магістральних мережах загального користування і в корпоративних мережах, а зараз її починають активно використовувати і для високошвидкісного доступу по каналах xDSL (для невеликих офісів) і SDH / Sonet (для великих підприємств). Головні переваги цієї технології - її зрілість, надійність та наявність розвинених засобів екс таційний управління мережею. У ній є неперевершені за своєю ефективністю механізми управління якістю обслуговування і контролю використання мережевих ресурсів. Проте обмежена поширеність і висока вартість устаткування не дозволяють вважати ATM кращим вибором для організації наскрізних телефонних з'єднань від одного кінцевого вузла до іншого.
Технології Frame Relay судилося зіграти в пакетній телефонії ту ж роль, що і квазіелектронних АТС у телефонії з комутацією каналів: вони показали приклад ефективної програмно керованої техніки, але мали обмежені можливості подальшого розвитку. Користувачами недорогих послуг Frame Relay, що забезпечують цілком передбачувану продуктивність, стали багато корпоративні мережі, і більшість з них цілком задоволені своїм вибором. У короткостроковій перспективі технологія передачі мови по Frame Relay буде цілком ефективна для організації мультисервісного доступу і каналів далекого зв'язку. Але мережі Frame Relay поширені незначно: як правило, на практиці використовуються некомутовані з'єднання точка-точка.
Технологія передачі мовної інформації по мережах з маршрутизацією пакетів IP приваблює, в першу чергу, своєю універсальністю - мова може бути перетворена в потік IP-пакетів у будь-якій точці мережевої інфраструктури: на магістралі мережі оператора, на кордоні територіально розподіленої мережі, в корпоративній мережі і навіть безпосередньо в терміналі кінцевого користувача. Зрештою, вона стане найбільш широко поширеною технологією пакетної телефонії, оскільки здатна охопити всі сегменти ринку, будучи при цьому добре адаптується до нових умов застосування. Незважаючи на універсальність протоколу IP, впровадження систем IP-телефонії стримується тим, що багато операторів вважають їх недостатньо надійними, погано керованими і не дуже ефективними. Але грамотно спроектована мережева інфраструктура з ефективними механізмами забезпечення якості обслуговування, що розглядаються в розділі 10, робить ці недоліки малосуттєвими. У розрахунку на порт вартість систем IP-телефонії перебуває на рівні (або трохи нижче) вартості систем Frame Relay, і явно нижче вартості обладнання ATM. При цьому вже зараз видно, що ціни на продукти IP-телефонії знижуються швидше, ніж на інші вироби, і що відбувається значне загострення конкуренції на цьому ринку.

1.4 Рівні архітектури IP-телефонії

Архітектура технології Voice over IP може бути спрощено представлена у вигляді двох площин. Нижня площина - це базова мережа з маршрутизацією пакетів IP, верхня площина - це відкрита архітектура управління обслуговуванням викликів (запитів зв'язку). Нижня площина, кажучи спрощено, являє собою комбінацію відомих протоколів Інтернет: це - RTP (Real Time Transport Protocol), який функціонує поверх протоколу UDP (User Datagram Protocol), розташованого, у свою чергу, в стеку протоколів TCP / IP над протоколом IP. Таким чином, ієрархія RTP / UDP / IP являє собою свого роду транспортний механізм для мовного трафіку. Цей механізм буде більш докладно розглянутий у розділі 4, присвяченій протоколах Інтернет для передачі мови в реальному часі. Тут же відзначимо, що в мережах з маршрутизацією пакетів IP для передачі даних завжди передбачаються механізми повторної передачі пакетів у разі їх втрати. При передачі інформації в реальному часі використання таких механізмів лише погіршить ситуацію, тому для передачі інформації, чутливої до затримок, але менш чутливою до втрат, такий як мова і відеоінформація, використовується механізм негарантованої доставки інформації RTP / UDPD / IP. Рекомендації ITU-Т допускають затримки водному напрямку не перевищують 150 мс. Якщо приймальня станція запросить повторну передачу пакету IP, то затримки при цьому будуть занадто великі.
Тепер перейдемо до верхньої площини управління обслуговуванням запитів зв'язку. Взагалі кажучи, управління обслуговуванням виклику передбачає прийняття рішень про те, куди виклик повинен бути спрямований, і яким чином має бути встановлене з'єднання між абонентами. Інструмент такого управління-телефонні системи сигналізації, починаючи з систем, підтримуваних декадно-крокових АТС і передбачають об'єднання функцій маршрутизації і функцій створення комутованого розмовного каналу в одних і тих же декадно-крокових шукачів. Далі принципи сигналізації еволюціонували до систем сигналізації по виділеним сигнальним каналах, до многочастотной сигналізації, до протоколів загальноканальної сигналізації № 7 [6, 7] і до передачі функцій маршрутизації у відповідні вузли обробки послуг Інтелектуальної мережі.
У мережах з комутацією пакетів ситуація більш складна. Мережа з маршрутизацією пакетів IP принципово підтримує одночасно цілий ряд різноманітних протоколів маршрутизації. Такими протоколами на сьогодні є: RIP - Routing Information Protocol, IGRP - Interior Gateway Routing Protocol, EIGRP - Enhanced Interior Gateway Routing Protocol, IS-IS - Intermediate System-to-intermediate System, OSPF - Open Shortest Path First, BGP - Border Gateway Protocol та ін Точно так само і для IP-телефонії розроблено цілий ряд протоколів.
Найбільш поширеним є протокол, специфікований в рекомендації Н.323 ITU-T, зокрема, тому, що він став застосовуватися раніше інших протоколів, яких, до того ж, до впровадження Н.323 взагалі не існувало.
Інший протокол площині управління обслуговуванням виклику-SIP - орієнтований на те, щоб зробити кінцеві пристрої і шлюзи більш інтелектуальними і підтримувати додаткові послуги для користувачів.
Ще один протокол - SGCP - розроблявся, починаючи з 1998 року, для того, щоб зменшити вартість шлюзів за рахунок реалізації функцій інтелектуальної обробки виклику в централізованому обладнанні. Протокол IPDC дуже схожий на SGCP, але має багато більше, ніж SGCP, механізмів експлуатаційного управління (ОАМ & Р). В кінці 1998 року робоча група MEGACO комітету IETF розробила протокол MGCP, який базується, в основному, на протоколі SGCP, але з деякими доповненнями в частині ОАМ & Р.
Робоча група MEGACO не зупинилася на досягнутому, продовжувала вдосконалювати протокол управління шлюзами і розробила більш функціональний, ніж MGCP, протокол MEGACO. Його адаптований до Н.323 варіант (під назвою Gateway Control Protocol) ITU-T пропонує в рекомендації Н.248.