NGN в технологических сетях: MPLS, TDMoIP или MSTP?

Компании группы «НАТЕКС» много лет работают с операторами технологических сетей связи. Предприятия транспорта нефти и газа, железнодорожники, силовые ведомства давно и успешно применяют такие решения, как SDH и PDH ЦСП серий FlexGain, «МEGATRANS», «Nateks ММХ». В последние годы большие усилия вкладываются в развитие направления NGN (Next Generation Networks), разрабатывается и внедряется множество новых устройств, основанных на пакетных протоколах. Концепция NGN успешно зарекомендовала себя в публичных сетях, как в России, так и во всем мире. Каковы особенности и перспективы ее применения в технологических сетях связи? Размышления на эту тему представлены ниже.

Построение сетей нового поколения применительно к ОТС

Основным принципом построения сетей нового поколения (NGN) является интеграция разнородных систем в единую инфраструктуру с использованием единого протокола передачи информации. На текущий момент для сетей нового поколения наиболее используемым является протокол IP (транспорт для приложений 3-го уровня) и MPLS (транспортный протокол 2-го уровня).

Сети оперативно-технологической связи (ОТС) эксплуатируются во многих ведомствах (Газпром, Транснефть, РЖД и т. д.) для обеспечения потребностей различных участников организации профильной деятельности компании (транспортировка газа, нефти, организация движения). Сети ОТС напрямую или косвенно (в зависимости от рода соединения) связаны с надежностью, эффективностью и безопасностью эксплуатации основных технологических объектов. Технологическая сеть связи оказывает следующие услуги:

  местной телефонной связи;
  междугородной и международной телефонной связи;
  оперативно-технологической связи (более 20 видов диспетчерской связи, перегонной связи, межстанционной связи и т. п.);
  технологической радиосвязи;
  аудио- и видеоконференцсвязи;
  документальной связи (передача телеграмм, факс);
  передачи данных;
  местной громкоговорящей связи и др.

Для построения транспортной (первичной) сети NGN используются два основных подхода. Первый — на основе технологии IP/MPLS. В этом случае маршрутизаторы или коммутаторы, поддерживающие пакетные протоколы IP/MPLS и/или Ethernet устанавливаются на «темное» волокно и являются единственной транспортной платформой.

Второй — это реализация транспорта NGN «поверх» SDH. Данное решение подразумевает установку SDH-мультиплексоров уровня STM1/4/16/64 в качестве магистральной транспортной сети с предоставлением интерфейса Ethernet в качестве транспорта для приложений NGN. Примеры данных схем реализаций NGN для сетей ОТС представлены на рис. 1 и 2.

Сети передачи данных (СПД) и сети общетехнологической связи (ОБТС) практически не отличаются по составу и требуемому качеству услуг от сетей общего пользования. Мировая и отечественная практика показала, что для них подход NGN является экономически оправданным. Поэтому, как показано на обоих рисунках, мы предлагаем строить их на основе пакетных транспортных систем.

В сетях оперативно-технологической связи (ОТС), в отличие от сетей общего пользования, применяется большое число разнообразного оконечного оборудования (вторичная сеть), имеющего только аналоговые или традиционные цифровые TDM-интерфейсы (Е1). Большинство этого, уже давно эксплуатирующегося и «обкатанного» оборудования не имеет IP-ориентированных интерфейсов. Как состыковать его с сетью NGN?

В случае решения «NGN поверх SDH» (рис. 2) проблемы сопряжения нет. Для связи устройств ОТС используются TDM-интерфейсы мультиплексоров SDH. Поэтому рассмотрим подробнее более сложный случай (рис. 1), когда в магистральной сети имеется «только пакетный транспорт».

Итак, реализация традиционных технологических приложений ОТС (диспетчерская связь, конференцсвязь и т. д.) в сети, где имеется только IP-транспорт, хотя и сложнее, чем в случае «NGN поверх SDH», но возможна. Первый путь — замена всех специфических оконечных устройств сетей ОТС на принципиально новые, основанные на IP. При всей кажущейся привлекательности такого подхода, на настоящий момент его следует отбросить как нереализуемый. Ни в России, ни за рубежом просто не производится всего необходимого в ОТС оборудования, предназначенного для работы через IP-сети.

Кроме того, объем инвестиций, требуемых на замену всего парка, например, диспетчерского оборудования, настолько велик, что рентабельность проекта становится недостижимой.

Остается вторая возможность — интеграция существующих специфических оконечных устройств вторичной сети ОТС в NGN-сеть, т. е. реализация в сети NGN стандартных TDM-интерфейсов.

Интеграция оконечных устройств ОТС с пакетной сетью может быть осуществлена на основе двух семейств протоколов: «голос через IP» (Voice over IP — VoIP) и «TDM через IP» (TDMoIP). Сложность использования технологий VoIP заключается в специфике применяемых в ОТС сигнализаций (и для аналоговых и для цифровых сопряжений). Соответственно, реализация таких сигнализаций отсутствует среди готовых решений как на уровне продуктов, так и комплектов БИС (интегральных схем) для их построения.

Намного более простым и эффективным представляется использование технологий TDMoIP. Преимуществом такого подхода является полная совместимость с существующим оборудованием вторичной сети ОТС. Устройства TDMoIP прозрачно передают потоки Е1/FE1 через пакетную сеть с сохранением всех специфических сигнализаций. Таким образом, для устройств вторичной сети все остается «как было», и единственным вопросом, требующим проверки, является чувствительность оборудования вторичной сети к задержке, характерной для работы TDM over IP шлюзов.

НТЦ НАТЕКС имеет опыт разработки и производства TDMoIP- и VoIP-шлюзов для применения в сетях ОТС и ОБТС. На его основе можно с уверенностью сказать, что описанный выше подход обеспечивает надежность связи, а это является главным параметром в ведомственных сетях. Однако, сравнение технико-экономических параметров обоих решений (рис. 1 и 2) в подавляющем большинстве случаев приводит к «победе» подхода «NGN поверх SDH» (рис. 2). Причин этому несколько. Это и появление многофункциональных пакетных технологий в оборудовании SDH нового поколения, и проверенная годами надежность механизмов защиты трафика SDH, и, конечно, цена решения.

Если раньше рынок SDH был довольно сильно монополизирован мировыми гигантами, что приводило к высоким ценам на оборудование, то сегодня SDH — это «система на одной микросхеме» (System on Chip), поэтому производство оборудования SDH налажено десятками предприятий, в том числе отечественными.

В то же время рынок магистральных IP/MPLS-решений реально оказался под контролем одного-двух западных вендоров. Отечественные предприятия, в том числе компания «Nateks Networks», пытаются положить конец такой ситуации, но это дело не одного года. А до тех пор, пока цена магистральных IP/MPLS-коммутаторов и маршрутизаторов не снизится до приемлемого уровня, SDH- и TDM-технологии все еще останутся конкурентоспособными на рынке ведомственных технологических сетей не только по параметрам надежности, но и по экономическим показателям. Рассмотрим подробнее новые технологии «NGN поверх SDH».

Передача пакетного трафика через сети SDH MultiService Transport Platform

Технология SDH, разработанная изначально для объединения и синхронной передачи по волоконно-оптическим линиям PDH-потоков, давно получила широкое распространение во всем мире. Такие достоинства, как большая пропускная способность трактов, гибкость, возможность динамически наращивать емкость сети без прерывания трафика, очень высокая степень надежности, обусловленная различными механизмами резервирования, возможность выделения (добавления) каналов в любой точке сети, удобство управления и администрирования, способствовали широкому внедрению SDH, в том числе и в сетях ОТС.

Однако бурное развитие информационных технологий и появление концепции NGN привело к резкому росту потребностей предприятий и отраслей в высокоскоростных сетях передачи данных, трафик которых обычно представляет собой пакеты переменной длины.

Основная сложность при передаче данных через сети SDH заключалась в том, что пакетную информацию необходимо упаковать в виртуальные контейнеры, предназначенные для передачи TDM-трафика. Оптимальным выходом из сложившейся ситуации явилось появление мультисервисных транспортных платформ (Multi Service Transport Platform — MSTP) на основе протоколов SDH.

Созданные на основе синхронных мультиплексоров уровней STM-1/4/16/64, мультисервисные транспортные платформы успешно решают задачу объединения трафика с временным разделением каналов (TDM) и трафика Ethernet с коммутацией пакетов в агрегатные потоки со скоростью от 155 Мбит/с до 10 Гбит/с, но и это далеко не предел. Применение технологии SDH и спектрального уплотнения WDM позволяет увеличить пропускную способность трактов до 40 Гбит/с при теоретическом пределе скорости в несколько терабит в секунду (Тбит/с).

Сохраняя все вышеперечисленные достоинства технологии SDH, MSTP предоставляют широкие возможности для построения интеллектуальных, самовосстанавливающихся сетей с качественно новым набором услуг.

Рассмотрим подробнее новые возможности мультисервисных транспортных платформ на базе SDH. Для передачи пакетной информации и организации сети передачи данных (СПД) могут использоваться различные физические интерфейсы. Интерфейс Fast Ethernet (FE) 10/100BaseT при поддержке технологии GFP (Generic Framed Procedure) позволяет эффективно передавать Ethernet-трафик через сети SDH, упаковывая его в стандартные контейнеры уровня VC-12 и VC-3. При этом ширина полосы пропускания для каждого канала Ethernet может быть динамически настроена в диапазоне от 2 до 100 Мбит/с с шагом в 2 Мбит/с. Данная особенность дает возможность предоставления услуги «полоса пропускания по запросу».

Интерфейс Gigabit Ethernet 1000BaseX дает возможность создавать мосты пропускной способностью до 1 Гбит/с в магистралях уровня STM-16 и STM-64 для организации глобальных сетей (WAN). Так же как и у интерфейса Fast Ethernet существует возможность динамической регулировки полосы пропускания канала Gigabit Ethernet.

Для оптимизации услуг передачи данных используется механизм автоматической регулировки полосы пропускания линии (LCAS) и функция виртуального сцепления контейнеров (VCAT). При организации сквозных каналов Ethernet в кольцевых топологиях данные могут передаваться между узлами сети по разным независимым маршрутам. Данная задача особенно актуальна в крупных сетях, когда в агрегатном потоке не всегда имеется достаточное количество свободных виртуальных контейнеров. В случае пропадания потока на одном из направлений система автоматически перенастроит полосу пропускания без потери трафика.

Функция встроенного коммутатора второго уровня (switch layer 2) с поддержкой технологии виртуальных ЛВС (VLAN) позволяет избежать затрат на дополнительное оборудование (повторители, мосты, коммутаторы) при объединении отдельных ЛВС в единую структурированную сеть передачи данных. При этом узлы сети могут быть разделены логически при помощи добавления меток виртуальной сети или физически на основе идентификаторов определенных портов.

Различные виды применяемой политики безопасности позволяют значительно повысить эффективность, надежность и защищенность сети. Сортировка и фильтрация пакетов может осуществляться на основании приоритетов, определяемых классом (CoS) или качеством услуги (QoS). Для предотвращения широковещательных штормов и образования шлейфов трафика Ethernet в кольцевых топологиях применяется высокоскоростной протокол «связующего дерева» RSTP (Rapid Spanning Tree Protocol).
Возможность структурирования крупных многокольцевых сетей путем деления их на ячейки меньшего размера значительно увеличивает их динамичность, сокращает простаивающие резервные емкости и, следовательно, обеспечивает максимальную эффективность использования полосы пропускания.

Наличие в SDH различных алгоритмов защиты передаваемого трафика, таких как SNCP, MSP, MS-SPRing, позволяет организовать резервирование трактов STM-1/4/16/64 целиком или отдельных маршрутов внутри данных трактов. При этом резервирование может быть организовано в любых сетевых топологиях — кольцевой, линейной, ячеистой, смешанной, что позволяет максимально увеличить надежность сети.

В соответствии с требованиями стандарта SDH время защитного переключения с рабочего направления на резервное не должно превышать 50 мс. Совокупность данных факторов позволяет минимизировать потери трафика в случае повреждения линий связи и существенно увеличить время безотказной работы сети.

Сравнение подходов построения cети NGN для нужд ОТС на базе IP/MPLS и SDH MSTP

При расчете эффективности и выборе варианта построения сети NGN, необходимо учитывать следующие факторы.

Средства, которые были затрачены на уже существующее оборудование, его монтаж и настройку, в случае, если данное оборудование будет демонтироваться при внедрении NGN. Необходимо также учесть средства на утилизацию демонтируемого оборудования. В случае применения SDH MSTP необходимости замены всего парка оконечного оборудования нет.

Затраты на подготовку квалифицированных кадров для проектирования, эксплуатации и обслуживания оборудования NGN. Как показывает практика, даже для хорошо отработанной и известной технологии SDH, проблема квалифицированного персонала стоит достаточно остро, особенно на периферии. А проектирование, настройка и эксплуатация сетей IP/Ethernet — это более сложный, по сравнению c SDH, процесс, требующий наличия глубоких знаний, навыков, а, главное, опыта работы с данной технологией.

Для квалифицированного проектирования и эксплуатации IP/MPLS-сетей персоналу потребуется иметь уровень подготовки, соответствующий, по крайней мере, CCNA (Cisco Certified Network Associate), а в ряде случаев выше, т. е. CCNP (Cisco Certified Network Professional) и даже CCNE (Cisco Certified Network Expert).

Стоимость обучения и содержания персонала для обслуживания IP/MPLS-сетей оказывается значительно более высокой в сравнении с SDH MSTP.

При переходе на NGN на базе IP/MPLS возникнут сложности совместимости интерфейсов и протоколов сигнализаций существующего оконечного оборудования ОТС, ориентированного на системы передачи TDM. Как минимум, потребуется тестирование данных устройств при работе через шлюзы TDMoIP.

Стандарты и технологии, применяемые в сетях NGN, не являются устоявшимися и отработанными долголетней эксплуатацией, кроме того, применяется большое число «частных», недокументированных, протоколов, используемых ведущими вендерами IP/MPLS. Следует ожидать, что актуальные на сегодняшний день решения могут оказаться устаревшими к моменту внедрения оборудования. В случае SDH MSTP протоколы отработаны в значительно большей степени, полностью стандартизованы и документированы.

Мировой опыт

Группа компаний «НАТЕКС» активно работает на рынке дальнего зарубежья, в частности, с предприятиями железнодорожного транспорта Швейцарии (SBB), Германии (DB), Испании (RENFE), Италии, Норвегии и других стран. Анализ реализации сетей связи зарубежными предприятиями железнодорожного транспорта (ЖД) говорит о следующем.

Большинство предприятий ЖД выделяет коммерческого оператора в отдельную бизнес-единицу. Данные операторы реализуют услуги связи населению и корпорациям, но не решают задачи ОТС. Для коммерческих приложений в настоящее время преимущественно реализуется подход к строительству NGN на основе IP/MPLS.

В качестве транспортного уровня для сетей ОТС, обслуживающих собственно железные дороги, используется сеть SDH на базе MSTP. Главными аргументами такого выбора называются:

  синхронная передача информации с гарантированным временем доставки;
  наличие набора простых и надежных протоколов защиты трафика и транспортной среды;
  подтвержденная практикой эксплуатационная надежность;
  достаточность ресурса (полосы пропускания) для нужд ОТС с необходимым запасом;
  наличие подготовленного персонала.

В качестве примеров можно привести:
  строительство железнодорожной компанией Франции SNCF системы связи вдоль скоростной ветки для поездов TGV на восток (Париж — Страсбург) в 2005 и 2006 гг. Строительство сети ОТС ведется на основе SDH MSTP мультиплексоров;
  шведская железнодорожная компания Blankverket в 2003 и 2004 гг. осуществила масштабное строительство сети SDH для нужд ОТС;
  железнодорожная компания Германии продолжает развитие сети SDH MSTP для нужд ОТС;
  железнодорожная компания Ирана в 2005 г. объявила тендер на 78 узлов SDH MSTP уровня STM16 и соответствующее количество узлов STM1/4/16.

Схожая картина наблюдается и при строительстве технологических сетей связи на основе медных линий. Хотя НАТЕКС, как и большинство других производителей ЦСП на основе DSL-технологий, имеет в своей линейке продуктов и TDM-ориентированные (Orion 1, Orion 2) и IP-ориентированные устройства (Discovery), подавляющее большинство запросов и поставок в технологические сети западных стран приходится на TDM-решения.

Таким образом, мы уверены, что современные системы передачи синхронной цифровой иерархии (для работы по оптическому волокну) и плезиохронной цифровой иерархии (для работы по медным линиям) останутся на многие годы основой строительства технологических сетей связи. Вместе с тем, по мере выделения (технически и организационно) операторов коммерческих публичных сетей, все большее число традиционных услуг будет реализовываться на основе подходов NGN.

НАТЕКС стремится предоставить заказчику выбор надежного и экономически-эффективного оборудования в обоих классах, для чего в 2005 — 2006 гг. подготовил к реализации целый ряд новых продуктов. В их числе магистральные IP/MPLS коммутаторы и маршрутизаторы, мультисервисные транспортные платформы на основе SDH представлены гаммой мультиплексоров. Широкая палитра VoIP-шлюзов и сигнальных коммутаторов (Softswitch), а также TDMoIP-шлюзов дает возможность строить сети NGN самого разнообразного назначения и сложности.

ris1VS4

Рис. 1. NGN применительно к ОТС на базе IP/MPLS

ris2VS4

Рис. 2. NGN применительно к ОТС на базе технологии SDH MSTP

Журнал «Вестник связи», №4, 2006