Sieci wielousługowe

Zwiększenie natężenia ruchu w sieci na skutek rozszerzania możliwości funkcjonalnych systemów komutacji i dostępu do Internetu prowadzi do przeciążenia tradycyjnych rozwiązań komutacyjnych PSTN (Public Switched Telephony Network), projektowanych od podstaw do przenoszenia jedynie ruchu telefonicznego. Nie były one i nie są przystosowane do transmisji danych, w szczególności do wykładniczo narastającego ruchu internetowego i związanych z nim nowych aplikacji. Większość z nich istotnie różni się wieloma parametrami transportowymi szczegółowo definiującymi trafik sieciowy, określając m.in. typ generowanego ruchu w sieci (stała lub zmienna szybkość), wymaganą przepływność bitową (od kilku kb/s do dziesiątków Mb/s) oraz zmienne wymagania dotyczące jakości konkretnego przekazu informacji. Istotnym wymaganiem wobec sieci wielousługowej jest zapewnienie przekazu na odpowiednim poziomie jakości, oddzielnie dla każdej z oferowanych aplikacji w sieci. Zainteresowanie użytkowników Internetem powoduje, że tradycyjna komunikacja prowadzona przez telefon przestaje wystarczać, a rośnie popularność wielu innych usług komunikacyjnych, takich jak: poczty elektronicznej, elektronicznego handlu czy zdalnego poszukiwania i przesyłania informacji przez sieci globalne.

Pierwszą i nadal popularną aplikacją sieci wielousługowych jest przesyłanie głosu sieciami danych VoDATA, które obecnie stanowią tylko niewielką część ruchu w połączeniach lokalnych LAN. W zastosowaniach tych jest istotny czas transmisji, gdyż podczas przekazywania głosowych pakietów danych pomiędzy dwoma rozmówcami dopuszcza się jedynie niewielki margines opóźnień. Aby umożliwić przekaz takich danych w wymaganym czasie przez takie łącza, niezbędne jest zastosowanie specjalnych mechanizmów nadawania i obsługi priorytetów transmisji.

Istota obecnych i przyszłych zmian w telekomunikacji polega na ewolucyjnym zastępowaniu tradycyjnej architektury telekomunikacyjnej sieci przewodowej lub tworzeniu od podstaw sieci wielousługowych nowej generacji NGN (Next Generation Network). Sieci te obejmują zarówno szerokopasmowe sieci dostępowe (przewodowe, bezprzewodowe i światłowodowe), jak i szkieletowe sieci transportowe o pakietowym charakterze transmisji. W ich zasięgu znajdują się również radiowe i telewizyjne media rozsiewcze (analogowe i cyfrowe) oraz bezprzewodowe rozwiązania kolejnych generacji komórkowych. Ewolucja ta przebiega wielodrogowo i wieloetapowo, a jest realizowana jako konwergentny proces trzech nieodległych od siebie dziedzin komunikacyjnych: telekomunikacji, teleinformatyki oraz mediów radiowo-telewizyjnych.

Zmiana architektury sieci

Celem nowej architektury NGN jest uzyskanie takiej infrastruktury teleinformatycznej, która będzie umożliwiać efektywne przekazywanie na odległość informacji dla różnorodnych zastosowań, czyli dostarczanie wielu usług o odrębnych wymaganiach transportowych. Mogą one zawierać w dowolnych proporcjach głos bądź dane (pliki komputerowe), a także przekaz obrazów nieruchomych (zdjęcia) i ruchomych (wideo, filmy, telewizja). Taką multimedialną sieć telekomunikacyjną, spełniającą jednocześnie odpowiednie warunki transmisji w czasie rzeczywistym lub prawie rzeczywistym dla każdej usługi oddzielnie, określa się jako sieć wielousługową środowiska informatycznego.

W zintegrowanej sieci wielousługowej jutra jest potrzebna konsolidacja modelu wielowarstwowego i zastąpienie go prostszym rozwiązaniem, obejmującym jedynie przełączanie pakietowe w szkielecie, inteligentną warstwę optyczną oraz dostarczanie usług end-to-end. Integrację funkcji rozwiązań sieciowych już można zaobserwować w obszarze sieci metropolitalnych, gdzie elementy wielousługowe potrafią obsłużyć wszystkie technologie transportowe: IP/MPLS, ATM, TDM, SDH i DWDM. Pojawia się także nowa generacja przełączników wielousługowych, wyposażonych w porty o bardzo dużej przepływności i interfejsy użytkownika zintegrowane ze sprzętem DWDM. Takie rozwiązanie zmniejsza złożoność zarządzania (wiążącego się z wielowarstwową architekturą sprzętową), upraszcza obsługę sieci, zmniejsza pobór energii oraz obniża koszt sprzętu przez eliminację translacji elektryczno-optycznej.

Rozwiązania następnej generacji są teraz oparte wyłącznie na sieci z pakietowym transportem informacji, co zapewnia dynamiczne sterowanie przepływnością i ruchem pakietów. Elastyczność platformy pakietowej pozwala na stosowanie jednej szkieletowej warstwy transportowej o bardzo wysokiej przepływności (DWDM) - wspólnej dla wszystkich aplikacji - a także uproszczenie zarządzania. Cała inteligencja przyszłej sieci teleinformatycznej praktycznie znajduje się jedynie na obrzeżu sieci, natomiast szkielet sieci (lub kilka połączonych szkieletów) ma wyłącznie zapewnić wysoką, praktycznie prawie nieograniczoną przepływność w dowolnym kierunku transmisji.

Elementy nowej architektury

Pierwszy etap realizacji sieci wielousługowych sprowadza się do transmisji głosu łącznie z danymi przez sieci pakietowe w przekazach VoDATA czy VoIP (Voice over IP). Tendencja ta powoduje, że z czasem granice między transmisją głosu a przekazem danych będą się coraz bardziej zacierać. Traktowane do niedawna jako oddzielne usługi głosowe oraz transmisji danych, stopniowo łączą się teraz w jednolitą formę usług, zapewniając jednakże zróżnicowanie wymaganych funkcji dla każdej aplikacji osobno. Struktura dotychczasowych sieci telekomunikacyjnych ewoluuje w kierunku sieci NGN opartych na warstwowym modelu funkcjonalnym, w którym poszczególne warstwy są wzajemnie sprzężone i wspólnie sterowane przez otwarte interfejsy, zarówno w dziedzinie transmisyjnej, jak i usług. Charakterystyczną cechą takiej otwartej architektury jest możliwość konfigurowania jej z różnych elementów, przy czym każdy z nich może ulegać zmianie, rozszerzeniu bądź nawet likwidacji.

W wielousługowej architekturze sieci NGN całkowicie wyeliminowano dotychczasową separację głosu i danych, zastępując ją jednolitą pakietową siecią transportową, wspólną dla wszystkich przekazów multimedialnych (głos, dane, obraz). Jej kluczową cechą jest zdolność do świadczenia nie tylko tradycyjnych usług wąskopasmowych, ale i poszukiwanych przez użytkownika aplikacji szerokopasmowych. Sprzyja temu nieuniknionyi stały (ponaddwukrotny) wzrost zapotrzebowania na szerokopasmowe aplikacje, takie jak: VoIP, strumieniowe audio i wideo, wideokonferencje IP, uniffied messaging czy usługi multicastowe.

W nowej architekturze z transportem pakietowym dalej wyróżnia się co najmniej trzy warstwy: aplikacji, transportową oraz oddzielną warstwę do sterowania połączeniami. Warstwa transportowa przenosi treść od nadawcy do miejsca przeznaczenia niezależnie od tego, czy reprezentuje ona głosowe połączenie telefoniczne, sesję WWW, transmisję internetową, wideokonferencję czy film. W warstwie transportowej funkcjonują obecnie dwie technologie IP oraz IP/ATM - zapewniające przenoszenie usług opartych na protokole IP. Warstwa sygnalizacji umożliwia z kolei zestawianie wirtualnych kanałów informacyjnych na całej trasie przekazu wg zapotrzebowania konkretnej aplikacji.

W większości tradycyjnych sieci telekomunikacyjnych największy ruch panuje w węzłach na poziomie połączeń międzymiastowych, gdzie spotyka się ruch środowiska transmisji danych (komutacja pakietów) z trafikiem środowiska głosowego (głównie komutacja łączy). Ponieważ obydwa środowiska nie są transmisyjnie zgodne (inne protokoły, algorytmy i oczekiwania użytkownika), współpraca między nimi jest możliwa dopiero po zastosowaniu specjalnych rozwiązań interfejsowych. Należą do nich łączniki bramowe (gateways), umożliwiające transakcję na poziomie mediów (konwersja łączy na pakiety i odwrotnie), oraz węzły sterownicze softswitch zapewniające współpracę na poziomie sygnalizacji (konwersja numerów na adresy IP, a także sygnałów SS7 na sygnalizację opartą na protokole IP).

Te elementy architektury sieciowej stanowią istotę nowej generacji rozwiązań NGN, częściowo wzorowanych na już istniejących i sprawdzonych w działaniu sieciach inteligentnych IN (Intelligent Network). Węzły sterownicze softswitch oraz szeroko rozumiane różnorodne bramy medialne klasy MGW (Media Gateway) umożliwiają efektywne łączenie poszczególnych fragmentów sieci heterogenicznej. W części dostępowej sieci, łączącej użytkownika ze szkieletem NGN przez bramę medialną MGW, można adaptować wiele technologii dostępu: od analogowego PSTN (Public Switched Telephony Network) i cyfrowego ISDN do szerokopasmowego xDSL (Digital Subscriber Line), telefonii komórkowej (GSM i UMTS) oraz dostępu radiowego LMDS (Local Multichannel Distribution Services) czy MMDS (Multichannel Multipoint Distribution System).

W części szkieletowej sieci za standard przyjmuje się przekaz w technologii IP bądź IP przez ATM (IP/ATM), z zapewnieniem sterowania przez istniejące rozwiązania zintegrowane (Call Serwer, Telephony Serwer, Call Agent, Media Gateway Controller, inne). Cechą charakterystyczną sieci NGN jest oddzielenie przekazywania sygnalizacji od środków transportu, z zapewnieniem wzajemnej współpracy bram medialnych (serwerów MGW) w pakietowej warstwie transportowej. Z kolei warstwa transportowa (czyli właściwa warstwa sieciowa) składa się z dwóch podsieci: szkieletowej (inaczej rdzeniowej) i dostępowej (również nazywanej brzegową), zaś sama technologia przekazu może być dowolnego typu. Podczas gdy technologia ATM ułatwia prowadzenie inżynierii ruchu w sieci (adresowanie, przekierowania, wybór trasy) oraz zarządzanie pasmem, protokół IP jest wybierany jako protokół taniej i efektywnej transmisji pakietów o zmiennej długości. W ten sposób zaimplementowana na nim popularna usługa głosowa VoIP w połączeniach dalekosiężnych stanowi obecnie najtańszą alternatywę głosową w stosunku do usług oferowanych przez sieci publiczne PSTN.

Nakładanie protokołu IP na sieć ATM zwykle dokonuje się w postaci wirtualnych kanałów ATM PVC (Permanent Virtual Circuit), które przy zadanym poziomie QoS mogą kontrolować ruch IP w sieci szkieletowej IPoATM (IP over ATM). Jednakże przy większej liczbie wirtualnych połączeń klientów administrowanie takimi kanałami zaczęło przysparzać wielu problemów operatorom sieci szkieletowych IP. Tym bardziej że rutery z interfejsami ATM ciągle nie mogą nadążyć za szybkim rozwojem technologii optycznych, już oferujących gigabitowe przepływności łączy. Trudności przełączania w sieci szkieletowej (ATM) podczas wzmożonego ruchu IP doprowadziły do opracowania kilku standardów łagodzących współpracę ATM i sieci IP, wśród których znalazły się protokoły: CIPoATM (Classic IP over ATM), emulacja LANE (LAN Emulation) oraz wieloprotokołowy MPOA (Multiprotocol over ATM) - łączący zalety dwóch pierwszych. Z powodu wielu ułomności i małej efektywności (także skalowania) żaden z nich nie znalazł większego zastosowania wśród operatorów telekomunikacji. Największe nadzieje wiążą dziiaj operatorzy z koncepcją przełączania MPLS (MultiProtocol Label Switching), opartą na całkowitym rozdzielaniu sterowania (Control Plane) sieci od procesu transmisji danych (Data Plane).