close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

1373.Принципы организации современных широкополосных сетей интегрированных услуг Русаков А И

код для вставкиСкачать
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Министерство образования и науки Российской Федерации
Федеральное агентство по образованию
Ярославский государственный университет им. П.Г. Демидова
А.И. Русаков
Ю.А. Зеленков
Принципы организации
современных широкополосных
сетей интегрированных услуг
Учебное пособие
Рекомендовано
Научно-методическим советом университета
для студентов направления подготовки
Прикладная математика и информатика
Ярославль 2006
1
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
УДК 621.394/.396
ББК 388я73
Р 88
Рекомендовано
Редакционно-издательским советом университета
в качестве учебного издания. План 2006 года
Р 88
Русаков, А.И. Принципы организации современных
широкополосных сетей интегрированных услуг : учеб.
пособие / А.И. Русаков, Ю.А. Зеленков ; Яросл. гос.
ун-т. – Ярославль: ЯрГУ, 2006. – 135 с.
ISBN 5-8397-0413-Х
В пособии рассматриваются существующие на данный
момент основные способы организации широкополосных
сетей с интеграцией услуг, а также такие перспективные
технологии, как протокол IPv6 и IP – телефония.
Предназначено для студентов, обучающихся по направлению подготовки 510200 "Прикладная математика и
информатика" (дисциплина "Современные компьютерные технологии", блок ОПД), очной формы обучения.
Табл. 16. Рис. 22. Библиогр.: 172 назв.
УДК 621.394/.396
ББК 388я73
ISBN 5-8397-0413-Х
© Ярославский
государственный
университет, 2006
© А.И. Русаков,
Ю.А. Зеленков, 2006
2
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Оглавление
1. ВВЕДЕНИЕ ..................................................................................................... 5
1.1. ОСОБЕННОСТИ СОВРЕМЕННОГО ТЕЛЕКОММУНИКАЦИОННОГО РЫНКА ..... 5
1.2. ИНФРАСТРУКТУРА. ТЕНДЕНЦИИ РАЗВИТИЯ ............................................... 8
1.2.1. Международные и междугородные каналы .................................. 8
1.2.2. Архитектура транспортных сетей ............................................. 14
1.2.3. Городские опорные сети и сети доступа .................................... 18
Кабельные сети доступа ................................................................. 22
Сети доступа на основе DSL.......................................................... 24
Волоконно-оптические сети доступа ............................................ 26
Архитектура городских сетей и сетей доступа............................ 28
1.3. ТЕНДЕНЦИИ РАЗВИТИЯ ПРИЛОЖЕНИЙ И УСЛУГ ........................................ 31
1.4. ЛИТЕРАТУРА ............................................................................................. 35
2. СОВРЕМЕННЫЕ ТЕНДЕНЦИИ В ОБЛАСТИ
ШИРОКОПОЛОСНЫХ СЕТЕЙ
ИНТЕГРИРОВАННЫХ УСЛУГ ........................................................... 40
2.1. МОДЕЛИ ВОЗМОЖНЫХ ИНФРАСТРУКТУР СЕТЕЙ ДОСТУПА ...................... 44
2.1.1. Предоставление доступа поверх существующей
инфраструктуры .............................................................................. 44
2.1.2. Применение технологии xDSL с использованием
существующих медных пар.............................................................. 45
2.1.3. Предоставление сервиса поверх волоконно-оптических сетей
с использованием широкополосных
интегрированных технологий ......................................................... 45
2.1.4. Гибридная оптоволоконно-медная технология ........................... 46
Особенности устройств передачи данных HFC.................... 46
2.1.5. Использование радиошлейфа (RITL) ............................................. 47
2.1.6. Доступ с использованием спутниковых технологий .................. 47
2.2. СЕТИ КАБЕЛЬНОГО ТЕЛЕВИДЕНИЯ ............................................................ 47
2.2.1. Стандартизация сетей кабельного телевидения ...................... 50
2.2.2. Особенности архитектуры сетей кабельного телевидения .... 52
2.3. СЕТИ НА ОСНОВЕ АБОНЕНТСКОЙ ЛИНИИ – XDSL ................................... 53
2.3.1. Виды xDSL технологий ................................................................... 55
2.3.2. Технические принципы ADSL.......................................................... 56
2.3.3. Стандарты в ADSL ........................................................................ 59
2.3.4. Адаптация ATM к ADSL ................................................................. 60
2.4. ОПТОВОЛОКОННЫЕ СЕТИ С ПРИМЕНЕНИЕМ ATM .................................. 63
2.4.1. Краткая характеристика ATM .................................................... 63
2.4.2. Некоторые экономические аспекты ATM сервиса .................... 65
3
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
2.5. БЕСПРОВОДНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ................................................................. 69
2.5.1. Особенности архитектуры беспроводных сетей доступа ...... 72
Кольцевая топология ...................................................................... 74
2.5.2. Спектр оказываемых услуг ............................................................ 75
2.6. ПЕРСПЕКТИВЫ НАИБОЛЕЕ ДИНАМИЧНО РАЗВИВАЮЩИХСЯ
ТЕХНОЛОГИЙ ДОСТУПА ........................................................................... 76
2.6.1. Один из возможных вариантов плана выделения каналов
при мультиформатной DWDM-HFC сети .................................... 78
2.6.2. Недостатки дешевых высокоскоростных технологий
доступа – DSL и кабельных модемов............................................. 79
2.7. ПРИМЕР УСПЕШНОЙ РЕАЛИЗАЦИИ СЕТЕЙ ДОСТУПА ................................ 80
2.8. ЛИТЕРАТУРА ............................................................................................. 81
3. IPV6. НЕОБХОДИМОСТЬ И МЕТОДИКА ПЕРЕХОДА .................. 83
3.1. ИСТОРИЯ ВОПРОСА ................................................................................... 83
3.1.1. История возникновения и развития протокола IPv6
и мотивация его разработки ........................................................... 83
3.2. ТЕКУЩЕЕ СОСТОЯНИЕ ДЕЛ В ОБЛАСТИ ВНЕДРЕНИЯ ПРОТОКОЛА IPV6 ... 87
3.2.1. Основные этапы перехода от IPv4 к IPv6
и их временные рамки ....................................................................... 87
3.2.2. Опыт практического использования протокола IPv6 ............... 89
3.3. СПЕЦИФИКАЦИИ ПРОТОКОЛА IPV6 .......................................................... 92
3.3.1. Архитектура адресации в IPv6 ..................................................... 92
3.3.2. Структура пакета IPv6 ................................................................. 96
3.3.3. Особенности маршрутизации IPv6 .............................................. 99
3.3.4. Механизмы автоконфигурации хостов IPv6 ............................. 102
3.3.5. Механизмы обеспечения «качества обслуживания» (QoS) ..... 103
3.3.6. Механизмы защиты информации и обеспечения сетевой
безопасности ................................................................................... 103
3.4. ОСНОВНЫЕ СПОСОБЫ СОПРЯЖЕНИЯ УЧАСТКОВ СЕТЕЙ IPV4 И IPV6
ВО ВРЕМЯ ПЕРЕХОДНОГО ПЕРИОДА ....................................................... 104
3.5. ЛИТЕРАТУРА ........................................................................................... 108
4. НОВОЕ ПОКОЛЕНИЕ ТРАНСПОРТНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ ......... 111
4.1. РАЗВИТИЕ НОВЕЙШИХ ИНТЕРНЕТ-ПРИЛОЖЕНИЙ .................................. 113
4.1.1. РАЗВИТИЕ IP-ТЕЛЕФОНИИ ................................................................... 113
4.1.2. Session Initiation Protocol (SIP) .................................................... 115
4.1.3. Передача видеоизображения через Интернет ......................... 118
4.2. ИНТЕРНЕТ КАК ЕДИНАЯ ТЕЛЕКОММУНИКАЦИОННАЯ СРЕДА ................. 120
4.2.1. Мультиплексирование по длине волны (Wavelength division
multiplexing) ..................................................................................... 121
4.2.2. Dynamic Packet Transport Protocol .............................................. 126
Реализации прототипов новой транспортной среды................. 130
4.3. ЛИТЕРАТУРА ........................................................................................... 134
4
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
1. Введение
1.1. Особенности современного
телекоммуникационного рынка
Телекоммуникационная отрасль является одним из наиболее
динамичных и перспективных сегментов глобального рынка и
большинства национальных рынков. В качестве ее основных составляющих могут быть выделены: телекоммуникационные инфраструктуры (сети), телекоммуникационное оборудование и услуги (рис. 1). При этом сети играют ключевую роль, выступая и в
качестве технической базы для предоставления телекоммуникационных услуг конечным пользователям, и в качестве основного
потребителя телекоммуникационного оборудования [1].
Рис. 1 Структура телекоммуникационного рынка
(традиционная модель)
5
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
В последние годы рынок телекоммуникаций претерпевает
значительные и быстрые изменения, в результате которых традиционная модель (рис. 1) становится все менее применимой для
его анализа (см. раздел 1.3. и рис. 5).
Одним из наиболее важных факторов, обусловливающих эти
изменения, является процесс демонополизации данной отрасли.
Указанный процесс начался около 15 лет назад, когда в США
произошло разделение AT&T на компанию-оператора дальней
связи и семь региональных компаний-операторов [1]. В России
либерализация рынка связи началась существенно позже, в начале 90-х годов. Однако она сопровождалась чрезвычайно быстрым
ростом числа компаний, предоставляющих различного рода услуги связи: передача данных, междугородная и международная телефония, услуги мобильной связи, доступ в Интернет и IP-телефония. В 1999 г. общий годовой доход, полученный новыми операторами связи, составил свыше 70% от валового дохода отрасли.
Особо следует отметить, что именно указанные операторы доминируют на рынке услуг передачи данных (75%).
Другой, не менее существенной причиной эволюции телекоммуникационного рынка является интенсивное внедрение новых технологий, таких как волоконно-оптические линии связи
(ВОЛС), кабельное телевидение и др. Однако наибольшее влияние на развитие данной отрасли в последние годы, несомненно,
оказали Интернет-технологии. Следует отметить, что в экономическом отношении к настоящему времени Интернет в своем развитии достиг такого уровня, что ряд исследователей сочли необходимым выделить в качестве объекта изучения новый сектор
экономики, получивший название «Интернет-экономика» [4].
При этом значительная часть телекоммуникационной отрасли
стала рассматриваться как составляющая «Интернет-экономики».
При анализе «Интернет-экономики» используются специальные экономические показатели (индикаторы): Internet Economy
Revenues Indicator и Internet Economy Jobs Indicator, предназначенные для оценки объема продаж Интернет-ориентированных
продуктов и услуг, а также численности работающих в соответствующих структурах. Расчет этих показателей осуществляется в
рамках новой «Интернет-ориентированной» стратиграфической
экономической модели [4]. Данная модель, разработанная спе6
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
циалистами Техасского университета (США), выделяет четыре
основных составляющих, или, в терминах этой модели, «уровня»
данного сектора экономики: инфраструктура, приложения, посредники, коммерция (табл. 1).
Таблица 1
Модель «Интернет-экономики»
Тип компании
Основные категории
Примеры
Уровень 1. Инфраструктура
Производство
продуктов и
предоставление
услуг для создания и эксплуатации инфраструктуры
IP-сетей и организации
электронной
коммерции
Операторы опорных IP-сетей
Операторы IP-сетей
Qwest, MCI Worldcom
Mindspring,
AOL,
Earthlink
Производители сетевого обо- Cisco, Lucent, 3Com
рудования и программного
обеспечения
Производители средств вы- Dell, Compaq, HP
числительной техники (рабочие станции, серверы и др.)
Защита информации
Axent,
Checkpoint,
Network Associates
Производители оптоволокна
Corning
Канало-образующее оборудо- Ciena, Tellabs, Pairgain
вание
Уровень 2. Приложения
Продукты и услуги, предполагающие использование
инфраструктуры IP-сетей и
обеспечивающие использование последних для решения конкретных задач
Специализированные консалтинговые компании
Интернет-ориентированные
программные продукты
Мультимедийные приложения
USWeb/CKS, Scient,
etc
Netscape,
Microsoft,
Sun, IBM
RealNetworks, Macromedia)
Программное обеспечение для Adobe, NetObjects, AlWeb-разработчиков
laire, Vignette
Поисковые системы
Inktomi, Verity
Дистанционное обучение
Sylvan Prometric, Assymetrix
Web-ориентированные
базы Oracle, IBM DB2, Miданных
crosoft SQL Server
7
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Тип компании
Основные категории
Примеры
Уровень 3. Посредники
Содействие повышению эффективности
электронного
рынка путем
организации
взаимодействия
через Интернет
продавцов и
покупателей
товаров и услуг
Организация рынка
Бюро путешествий online
VerticalNet, PCOrder
TravelWeb.com,
1Travel.com
Online брокеры
E*Trade, Schwab.com,
DLJDirect
Агрегация информационных Cnet, ZDnet, Broadресурсов
cast.com
Создание и поддержка инфор- Yahoo, Excite, Geociмационных ресурсов и порта- ties
лов
Реклама online
Yahoo,
ESPNSportszone
Уровень 4. Коммерция
Продажа через
Интернет товаров и услуг индивидуальным
и корпоративным потребителям
Розничная электронная торговля
Продажа оборудования online
Подписка и приобретение
электронных и печатных изданий
Продажа авиа билетов online
Развлечения и профессиональные услуги online
Amazon.com,
eToys.com
Cisco, Dell, IBM
thestreet.com, WSJ.com
1.2. Инфраструктура. Тенденции развития
1.2.1. Международные и междугородные каналы
По мнению экспертов [6], в ближайшие годы именно развитие волоконно-оптических линий связи (ВОЛС), являющихся доминирующей коммуникационной средой, будет оставаться одним
из основных факторов, оказывающих влияние на рынок телекоммуникационных услуг. В свою очередь стимулом развития инфраструктуры и технологий ВОЛС служит наблюдающийся в последние годы непрерывный рост трафика. В результате этого
роста к середине 90-х годов появились первые признаки исчерпа8
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
ния смонтированной емкости ВОЛС даже в странах с хорошо
развитой телекоммуникационной инфраструктурой, например в
США. Во многом это было связано с тем, что большинство смонтированных в 80-х годах в США ВОЛС имели 16 волокон, а
32 волоконные линии были довольно редки [7], поскольку в период проектирования и создания указанных ВОЛС доминирующим был голосовой трафик, и рост загрузки каналов происходил
достаточно медленно. Поэтому не было никаких оснований предполагать, что имеющаяся резервная емкость будет исчерпана в
обозримом будущем.
Однако в 90-х годах произошло кардинальное изменение ситуации [7]. На фоне плавного увеличения голосового трафика
(8% в год) стал наблюдаться резкий рост суммарного трафика
данных (35% в год), причем его составляющая, связанная с Интернет, росла со скоростью 100% в год. В частности, американская компания Pacific Bell уже в 1995 г. сообщила, что трафик
данных стал преобладающим.
Не менее важным явилось и то обстоятельство, что к этому
моменту на телекоммуникационном рынке сформировалась устойчивая положительная связь между стоимостью услуги и спросом на нее, то есть снижение стоимости передачи на x% приводило к росту трафика на величину (x+y)%, обеспечивая, таким
образом, увеличение прибыли на y%. Наличие такой связи послужило мощным стимулом внедрения новых технических решений, понижающих себестоимость трафика и цены на телекоммуникационные услуги. Все это привело к дальнейшему ускорению
роста трафика и загрузки сетей.
Еще более усугубило ситуацию и то, что в эти же годы операторы дальней связи интенсивно осуществляли внедрение кольцевой SONET-топологии, позволяющей сохранить работоспособность сети в случае повреждений кабеля, но обеспечивающей это
ценой потери 50% кабельной емкости.
Уже в середине 90-х годов перед телекоммуникационными
операторами встала задача быстрого и значительного повышения
пропускной способности ВОЛС. Данная задача решалась и продолжает решаться как путем создания новых линий, так и путем
внедрения новых технологий, обеспечивающих повышение скорости передачи данных и емкости существующих ВОЛС. Одно9
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
временно с увеличением протяженности и емкости ВОЛС наблюдается и тенденция к расширению зон обслуживания транспортных сетей.
Быстрый рост волоконно-оптических сетей в последние годы
во многом был обусловлен появлением (в результате изменения
законодательства в этой области) новых операторов, вступающих
в острую конкуренцию с компаниями, традиционно лидирующими на телекоммуникационном рынке как в области предоставления услуг дальней связи, так и на уровне региональных сетей. В
частности, в результате появления новых операторов суммарная
доля ведущих американских компаний (таких как AT&T, MCI,
Sprint, WorldCom и др.) в общем объеме ежегодно монтируемых
ВОЛС непрерывно снижалась.
Не менее важным фактором, обеспечивающим быстрый рост
волоконно-оптических сетей, стало появление принципиально
новой услуги – предоставление в пользование (на условиях IRUindefeasible right to use) «сырого» оптического волокна (dark
fiber).
Однако в дальнейшем ожидается снижение темпов увеличения протяженности междугородных ВОЛС в Северной Америке,
так как ведущие сетевые операторы этого региона завершили соответствующие программы и обеспечили достаточные на ближайшие годы резервы канальной емкости.
Одной из причин снижения темпов роста транспортных волоконно-оптических сетей является активное внедрение новых
технологий, обеспечивающих повышение скорости передачи
данных и емкости существующих ВОЛС, например, путем увеличения числа спектральных каналов по технологии WDM
(Wavelength Division Multiplexing – уплотнение по длине волны)
[8, 9]. Данная технология в последние годы интенсивно развивается, а соответствующее серийно выпускаемое оборудование быстро совершенствуется [7]. Достигнутые результаты, наряду с
экономическими факторами, позволяют рассматривать WDM как
наиболее перспективное направление развития волоконнооптических сетей.
Структуру и перспективы развития рынка WDM-систем в
США иллюстрирует таблица 2, составленная на основании результатов исследования [12], проведенного компанией Communi10
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
cations Industry Researchers, Inc. Как видно из таблицы, в настоящее время WDM-системы используются, главным образом, в
транспортных сетях на междугородных ВОЛС (около 90% рынка).
Таблица 2
Структура и прогноз развития рынка WDM-систем
в США (млн. дол. США)
Область ис1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007
пользования
Междугородные каналы и
транспортные
сети
921
1468 1906 2664 2993 2971 3005 3043 3093 3147
Городские
сети и сети
доступа
240
112
374
617
989
1681 2561 3419 4287 5133
Корпоративные распределенные сети (WAN)
48.0 51.5 57.6 75.8 88.9 97.8 53.2 32.4 15.8 13.9
Локальные
WDM-сети
(LAN)
0.2
0.3
0.7
0.8
1.7
9.4
19.8 38.8 58.8 63.0
Общий объем
продаж
1081 1760 2338 3358 4073 4760 5639 6533 7454 8357
Согласно другому, более позднему, исследованию [13] приведенные выше оценки являются заниженными, и объем рынка
WDM уже в 1999 г. превысил 3,5 млрд. дол. США, а в 2003 г.
достиг 7,9 млрд. дол. США. Кроме того, в результате этого исследования была выявлена новая перспективная группа потребителей – операторы сетей кабельного телевидения. В настоящее
время указанная группа занимает второе место после доминирующей группы потребителей – операторов IP-сетей (3,3 млрд.
дол. США).
11
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Сходные тенденции характерны и для другого крупного телекоммуникационного рынка – европейского, на котором недостаток канальной емкости стал ощущаться к 1997 г. [14]. Следует
отметить, что более позднее начало модернизации европейских
ВОЛС было обусловлено не только отставанием от США в росте
общего объема трафика, но и меньшей длиной междугородных
линий (например, в Великобритании средняя протяженность
100 км) а следовательно, и меньшими затратами на аппаратуру
усиления при монтаже новых линий.
Начиная с января 1998 г. более 20 европейских операторов
глобальных сетей анонсировали свои планы модернизации и построения сетей на базе ВОЛС [15]. Не менее многочисленная
группа операторов объявила о намерении арендовать непосредственно ВОЛС или часть их емкости для предоставления услуг
своим пользователям. Таким образом, общее число общеевропейских операторов, предоставляющих услуги с использованием
ВОЛС, составило около 40 [15]. Наряду с собственно европейскими компаниями в данном регионе активно развивали свою сетевую инфраструктуру и компании США, такие как Level 3,
Qwest, MCIWorldcom и Metromedia Fiber Network [16].
Следует особо отметить то обстоятельство, что, основываясь
на тенденциях североамериканского телекоммуникационного
рынка, опережающего европейский, компании США (такие как
COLT и MCIWorldcom) не ограничивались созданием в Европе
опорных инфраструктур, являющихся продолжением их сетей на
американском континенте, но и приняли активное участие в формирование городских сетей [16].
Основываясь на устойчивом и высоком спросе на емкость,
европейские операторы при монтаже новых сетей использовали
ВОЛС с большим числом волокон, как правило около 100 (96 –
для междугородных каналов и 144 – для городских сетей). Это
позволило многим из них частично скомпенсировать затраты на
инсталляцию, продавая и сдавая в аренду часть волокон другим
операторам. Кроме того, при создании новых сетей в данном регионе приблизительно в 75% случаев использовалось [15] NZDSволокно (non-zero dispersion-shifted), оптимальное для использования WDM-технологий.
12
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Хотя массированное внедрение WDM-технологий в Европе
было начато несколько позднее, чем в США, но уже в 1997 –
1998 гг. ведущие европейские производители телекоммуникационного оборудования (Ericsson, Lucent, Pirelli, Ciena, GPT-Siemens, Alcatel, Nortel, и DSC) предлагали операторам свои WDMсистемы. Первыми европейскими телекоммуникационными операторами, использовавшими данную технологию, были Cable and
Wireless Communications (CWC), British Telecom (BT), Telecom
Finland, Telenor и Telefonica de Espana [14]. К 2000 г. все операторы общеевропейских волоконно-оптических сетей приступили к
инсталляции DWDM-систем.
Одним из примеров наиболее масштабного использования в
этом регионе данной технологии может служить транспортная
сеть одного из ведущих европейских операторов Global
TeleSystems (GTS), известного ранее, как Hermes Europe Railtel
(HER). GTS широко использовала WDM не только в своей транспортной сети, общей протяженностью свыше 5000 км, но и в
принадлежащих этой компании городских сетях [17]. Промышленная эксплуатация WDM-систем показала, что данная технология позволяет не только повысить транспортную емкость, но и
обеспечивает возможность реализации различных сетевых архитектур, таких как наложенные SDH- и IP-сети. Технико-экономический анализ, проведенный специалистами компании, показал
высокую эффективность использования WDM-технологии, особенно на междугородных ВОЛС [17].
Можно констатировать, что использование ВОЛС в сочетании с WDM-технологией, доминирующее в настоящее время
на двух ведущих региональных рынках, североамериканском и европейском, становится характерным и для глобального телекоммуникационного рынка.
Следует отметить, что данная тенденция оказала значительное влияние и на эволюцию общей архитектуры транспортных
сетей. В частности, как будет показано ниже (раздел 1.2.2), логическим итогом развития WDM-технологий и интенсивного роста
IP-трафика явилось появление концепции «оптической Интернетсети» (IP/DWDM-сети).
13
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
1.2.2. Архитектура транспортных сетей
Как было показано в предыдущих разделах, развитие Интернет, а также соответствующих приложений и услуг, базирующихся на IP-протоколе, оказывает существенное влияние на телекоммуникационную отрасль как в экономическом, так и в технологическом отношении. В частности, тот факт, что практически все
виды телекоммуникационных услуг, предоставляемых конечному
пользователю, в настоящее время могут быть реализованы на базе TCP/IP-протокола, заставляет рассматривать IP-уровень в качестве перспективной базы для конвергенции всех видов трафика
в телекоммуникационных сетях. В то же время сетевая инфраструктура, созданная в предыдущие годы, ориентирована на
транспорт голосового трафика. Хотя предоставление данной услуги по-прежнему обеспечивает значительную долю дохода телекоммуникационных операторов, трафик данных стал к настоящему времени доминирующим не только по объему, но и по размеру генерируемого дохода (см. раздел 1.1). Специалистами
предсказывается сохранение этой тенденции и связанное с ней
увеличение спроса на канальную емкость по некоторым оценкам
более чем на два порядка [21]. Все это в последние годы сделало
актуальным поиск новых технических решений, адекватных новым требованиям. Целенаправленные и массированные усилия,
направленные на удовлетворение этих требований, были предприняты в 90-х годах в рамках программы ACTS (Advanced
Communications Technologies), 4-й Рамочной программы Европейской Комиссии [22]. В частности, был реализован ряд проектов (табл. 3), посвященных развитию оптических сетей.
Параллельно с развитием собственно IP-технологии (см. разделы 3 и 4) значительный успех на этом направлении был достигнут и в совершенствовании технологий канального уровня, в
первую очередь WDM [8, 9]. Быстрое внедрение WDM в транспортных сетях (см. раздел 1.2.1) было обусловлено не только тем,
что данная технология предоставляет возможность оперативно
варьировать в пределах очень широкого диапазона предоставляемую потребителю емкость, что является одним из ключевых
требований современного рынка телекоммуникационных услуг.
Не менее важным явилось и то обстоятельство, что WDM обес14
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
печивает одновременную поддержку нескольких независимых
протоколов на одной волоконно-оптической сети. Это позволяет
оператору осуществить плавную миграцию к новой, более прогрессивной сетевой архитектуре, отвечающей, в частности, доминирующей роли IP-трафика.
Таблица 3
Перечень проектов оптических сетей программы ACTS
Номер
AC029
AC043
AC050
AC058
AC066
AC069
AC073
AC084
AC209
AC231
Краткое
название
Полное название проекта
Wavelength-Agile Optical Transport and Access
Network
KEOPS
Keys to Optic al Packet Switching
PLANET
Photonic Local Access Network
HORIZON Horizontal Action on Optical transport Networks
OPEN
Optical Pan-European Network
COBNET
Corporate Optical Backbone Network
METON
Metropolitan Optical Network
PHOTON
Pan-European Photonic Transport Overlay Network
MEPHISTO Management of Photonic Systems and Networks
MOON
Management of Optical Networks
WOTAN
Можно выделить три основных подхода, использующихся в
настоящее время телекоммуникационными операторами для организации IP-транспорта в волоконно-оптических сетях: IP/ATM/
SONET, IP/SONET и IP/WDM. Сравнительный анализ этих подходов приведен в таблице 4. Согласно результатам исследования
[23] наиболее перспективным является последний из перечисленных подходов, хотя ATM-технология сохранит свое значение как
средство для обслуживания потребителей, предъявляющих повышенные требования к управлению качеством сервиса (QoS).
Что касается наиболее распространенного в настоящее время решения IP/SDH, то в ближайшие годы ожидается его вытеснение
более эффективной в техническом и экономическом отношении
IP/WDM-архитектурой.
15
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Таблица 4
Три основных подхода к организации IP-трафика
в волоконно-оптических сетях
IP/ATM/SONET
IP-пакеты помещаются ATM-ячейки,
Организация
передающиеся поIP-трафика
верх SONET-инфраструктуры
Высокие QoSхарактеристики. РазПреимуществитая технология
ва
IP/SONET
IP/WDM
IP-пакеты передаются непосредственно поверх
SONET-инфраструктуры
Отсутствие потерь емкости,
связанных с использованием
ATM
Посредственный
уровень поддержки QoS
IP-пакеты передаются непосредственно по
WDM-каналам
Потери емкости
(«Cell tax»).
Необходимость использования высокопроизводительных
Недостатки
процессоров для организации виртуальных каналов.
Высокая стоимость
оборудования
Уровень раз- Развитая
Коммерчески
вития технодоступная с
логии
1999 г.
Сохранится для об- Будет активно
служивания пользо- использоваться в
вателей с высокими ближайшие 5 лет
требованиями к QoS, с возможным поПерспективы
но будет реализовы- следующим вываться параллельно с теснением
IP/WDM на одних и IP/WDMтехнологией
тех же ВОЛС.
Отсутствие потерь емкости,
связанных с использованием
SONET
Недостаточно
развитая технология защиты
Развивающаяся
Доминирующий
способ организации IP-трафика с
ограниченными
требованиями к
QoS
В теоретическом плане существующие тенденции эволюции
сетевой архитектуры нашли свое отражение в появлении концепции построения «оптических сетей передачи данных» (Optical
Data Networking) [24]. Оптическая сеть передачи данных, соглас16
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
но определению OIF (Optical Internetworking Forum), представляет собой оптимизированную для передачи данных сетевую инфраструктуру, в которой коммутаторы и маршрутизаторы имеют
интегрированные оптические интерфейсы и соединены посредством оптического волокна напрямую или через оптические сетевые элементы (например, DWDM-мультиплексоры). Согласно
данной концепции существенной особенностью оптической сети
передачи данных является то, что данная инфраструктура является нейтральной по отношению к сетевым протоколам и допускает
их одновременное использование.
На практике большинство из положений упомянутой выше
концепции реализуются в настоящее время при построении
IP/WDM-сетей, не использующих SONET/SDH и ATM и получивших название «Оптический Интернет» [25, 26]. Одним из первых примеров создания крупной оптической Интернет-сети может служить канадская научная и образовательная сеть CA*net3
(см. раздел 4.2.2), введенная в эксплуатацию уже в 1998 г. [27]
Планы создания оптических Интернет-сетей анонсированы и рядом крупных телекоммуникационных операторов, таких как
Teleglobe, Hermes, Sprint, Frontie, Global Center и Enron. Основной
причиной для принятия такого решения явилось значительное
снижение инсталляционных и эксплуатационных затрат по сравнению с традиционными сетями, использующими SONET и
ATM. Согласно экспертным оценкам [28] при создании новых сетей оптического Интернет снижение капитальных затрат по сравнению с традиционными Интернет-сетями может составлять от
50% до 90%, а эксплуатационных – до 60%. Кроме того, оптическая Интернет-сеть может быть легко оптимизирована в соответствии с типичной для Интернет асимметрией потоков данных
[29 – 31], варьирующихся от 3:2 до 16:1. Следует также упомянуть о том, что в последние годы достигнут значительный прогресс в ряде компонентов оптических сетей, в том числе и в снижении показателя цена/производительность [32].
Все это позволяет рассматривать оптический Интернет в качестве наиболее перспективной архитектуры транспортных сетей, способной обеспечить в ближайшие несколько лет значительное снижение стоимости Интернет-услуг [33].
17
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
1.2.3. Городские опорные сети и сети доступа
Наряду с быстрым ростом числа пользователей и расширением зон обслуживания основной тенденцией развития городских
опорных сетей и сетей доступа является повышение скорости передачи данных. По данным [34] The Strategis Group уже в 1998 г.
78% малых компаний США активно использовали Интернет. При
этом 14% из них арендовали для этой цели T1/DS-1 линии, еще
недавно арендовавшиеся исключительно крупными компаниями.
В ближайшие годы ожидается [35] дальнейшее быстрое повышение спроса на высокоскоростной доступ вследствие развития и
распространения новых приложений, таких как IP-телефония, сетевые видеоконференции, видео по заказу (video-on-demand) и др.
Следует отметить, что рост спроса на эту категорию услуг
наблюдается не только со стороны корпоративных пользователей, но и со стороны частных лиц. Тенденция увеличения доли
частных лиц среди пользователей Интернет характерна для
большинства развитых стран. Так, по данным исследования [36],
проведенного International Research Institutes (IriS) в 18 странах,
во многих из них число пользователей, имеющих доступ в Интернет из дома, превышает число пользователей, имеющих доступ в Интернет со своего рабочего места (табл. 5). При этом первая из названных категорий пользователей является потенциальным массовым потребителем услуг высокоскоростного доступа.
Например, по последним оценкам [37] услуги высокоскоростного
доступа желают приобрести около 23 млн. граждан США при условии, что стоимость данной услуги не будет превышать 40 дол.
в месяц. По другим данным [38] уже в настоящее время в Северной Америке число домовладельцев, арендующих каналы доступа емкостью 1,5 Мбит/с и выше, составляет приблизительно
1,6 млн. человек и должно возрасти в ближайшем будущем до
31,7 млн.
Суммарное число потребителей различных видов высокоскоростного доступа (посредством кабельных модемов, DSLоборудования, каналов спутникового вещания и беспроводных
средств связи) в 1998 г. увеличилось на 185% и достигло 1,9 млн.,
а общий годовой доход операторов от предоставления этой услуги составил 580 млн. дол. США [37].
18
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Таблица 5
Относительная численность пользователей
(от общего числа опрошенных), осуществляющих доступ
в Интернет из дома и с рабочего места
Страна
Дания
Швеция
Австралия
Канада
Финляндия
Нидерланды
Швейцария
Великобритания
Франция
Германия
Дом
Рабочее место
37%
36%
31%
29%
21%
19%
18%
15%
7%
11%
33%
27%
25%
21%
24%
10%
26%
14%
10%
13%
Основной особенностью рынка услуг высокоскоростного
доступа является наличие конкуренции различных технологий
(раздел 2), использующихся для подключения конечного пользователя – так называемая «битва за последнюю милю». Перечень и
характеристики основных конкурирующих технологий приведены в таблице 6. В настоящее время наиболее острая конкуренция
имеет место между технологиями, базирующимися на использовании унаследованных телекоммуникационных инфраструктур,
таких как кабельные системы (кабельные модемы) и медные пары выделенных телефонных линий (DSL-модемы). Однако, как
будет показано ниже, в ближайшем будущем обеим названным
технологиям предстоит вступить в конкуренцию с технологией,
использующей в качестве физической среды «последней мили»
волоконно-оптический кабель (табл. 6). Следует подчеркнуть, что
важным фактором в конкуренции перечисленных технологий на
конкретных региональных рынках является развитость соответствующих телекоммуникационных инфраструктур в конкретном
регионе.
19
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Таблица 6
Сравнительные характеристики технологий,
использующихся в сетях доступа
Скорость
Технолопотоков ПреимущеФункции
Ограничения
гия
данных
ства
(Mбит/с)
ВолоПередача данных и
Наиболее
от неконновидеотоков (ТВ) в
высокая
скольких
Стоимость создаоптиче- одном канале или
скорость
сот до
ния
ский
на другой длине
передачи
1000
ввод
волны
данных
Максимальная
Передача данных
по выделенным те- нисходя- Использу- длина линии до
DSL
лефонным линиям щий: 6-8 ются суще- АТС – 5,5 км.
(Digital
восходя- ствующие Верхний предел
в полосе частот,
subscriщий: до телефонные скорости достиотличной от исber line)
жим только на колинии
1.5
пользуемой для
ротких линиях
передачи голоса
Доступная каждоПередача нисхому пользователю
дящего потока
Типичные
данных по коаксискорость понижаскорости:
Использу- ется по мере роста
альному кабелю в
Нисхоется суще- числа пользоватеКабель- полосе частот оддящий –
ствующая лей. Может быть
ного из ТВ кананый
около 1
кабельная реализована не на
лов. Восходящий
модем
Восхосистема
поток – в более
всех кабельных
дящий –
низкой полосе чассистемах. Плохая
0.1-0.5
тот или по телезащита информафонным каналам
ции
Интерференция с
отраженным сигналом и сигналами
других передатчиБеспро- Передача данных и
Прибли- Не требует
ков. Блокировка
водные видеосигнала по
зительно монтажа
сигнала препятстсистемы микроволновому
те же, что кабельных
виями и в резуль(назем- каналу между двуи для DSL систем
тате атмосферных
мя антеннами
ные)
явлений. Ограниченная дальность
передачи
20
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Передача по микроволновому каналу между спутниковой и наземной
Не требует
антеннами. Может
Беспрокабельных
быть реализована в
Подлежат
водные
систем и
качестве дополнеопредесистемы
локальных
ния к обычным
лению
(спутнивещательсистемам спутниковые)
ных антенн
кового вещания
либо на базе низкоорбитальных
спутниковых систем
Ориентированы на
однонаправленное
вещание на большие территории.
Предположительно – ограниченная
скорость
Необходимо также отметить, что, несмотря на высокие темпы роста, рынок услуг высокоскоростных сетей доступа в целом
характеризуется высокой степенью хаотичности [39]. Эта хаотичность обусловлена как уже упоминавшейся острой конкуренцией между различными технологиями и незавершенным процессом стандартизации оборудования, так и значительными отличиями в мотивации участников рынка. В частности, в консервацию хаотичности данного рынка определенный вклад внесло и
то обстоятельство, что вместо предсказываемого в прошлом
уменьшения числа операторов IP-сетей за счет их консолидации
и укрупнения наблюдается обратный процесс. Например, в США
число операторов IP-сетей в 1998 г. увеличилось более чем на
4000 [40], так как наряду с собственно операторами IP-сетей услуги Интернет стали предлагать операторы местной и междугородной телефонной связи, операторы кабельных и беспроводных
сетей и даже производители средств вычислительной техники.
Одновременно, по мере появления новых приложений, происходила и диверсификация спектра услуг «классических» операторов
IP-сетей.
Конкуренция упомянутых выше технологий наиболее объективно может быть охарактеризована объемами годового валового
дохода от продажи соответствующего оборудования и услуг.
Ниже будут приведены такого рода данные для двух ведущих телекоммуникационных рынков – Северной Америки и Западной
Европы.
21
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Кабельные сети доступа
На мировом рынке кабельных модемов наблюдается быстрый
рост продаж. Согласно прогнозу [42] Cahners In-Stat Group, к
концу 2002г. число пользователей кабельных модемов во всем
мире превысило 9,5 млн. человек. Общий доход от продаж кабельных модемов в 1999 г. оценивался в 700 млн. дол. США. Для
данного рынка в 1999 г. было характерно увеличение доли оборудования в стандарте DOCSIS (EuroDOCSIS на европейском
рынке). Число продаж оборудования, соответствующего этому
стандарту, составило 275 тыс. в 3 квартале и 40% годового объема продаж. По оценкам аналитиков [41] в 2000 г. их доля составила 80%. Оставшиеся 20% рынка распределены между различными системами, в том числе и системами европейского стандарта DVB/DAVIC (Digital Video Broadcasting). В дальнейшем
конкурентоспособность кабельных модемов как средства высокоскоростного доступа будет определяться в первую очередь темпами модернизации кабельных сетей, обеспечивающей возможность организации восходящих потоков данных.
В Северной Америке, где к кабельным сетям подключено более 110 млн. домов, число пользователей кабельных модемов в
1999 г. составило 1,8 млн. человек и, как ожидалось [42] удвоилось к концу 2000 г. Общий объем (оборудование и услуги) рынка кабельных модемов в США в 1999 г. равнялся 860 млн. дол.
США [38]. Согласно оценкам экспертов [37], общий годовой доход операторов от предоставления услуг высокоскоростного доступа в США будет продолжать расти. В 2004 г. он достиг
7,67 млрд. дол. К этому моменту лидирующее место на рынке
(46% пользователей) заняла именно технология, предполагающая
использование кабельных модемов, хотя альтернативные технические решения, базирующиеся на DSL-технологии, все еще остаются достаточно распространенными (40%). Увеличение рынка
кабельных модемов может происходить также за счет привлечения корпоративных пользователей. Хотя в настоящее время в
США пользователями кабельных сетей являются лишь 50% организаций, их число может быстро увеличиться, так как при средних затратах на подключение порядка 4000 дол. США сокращение затрат на услуги связи может достигать 80% [43].
22
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Характеристики кабельных сетей ряда европейских стран
приведены в таблице 7. Для европейского рынка объем годового
валового дохода от продажи кабельных модемов составлял в
1998 г. 33 млн. дол. США и, как прогнозировалось, достиг в
2003 г. приблизительно 550 млн. [44] Ожидается также снижение
цен на это оборудование. В настоящее время эти цены приблизительно в два раза выше, чем в США.
Общая численность пользователей данного вида сервиса в
Западной Европе в настоящее время приблизительно в 10 раз ниже, чем в США. Это является следствием не недостаточной развитости соответствующей инфраструктуры, а, в первую очередь,
более низкого спроса на услуги Интернет. Так, например, из
1,54 млн. датских пользователей системы кабельного телевидения United Pan-European Communications (UPC) лишь 25 тыс. используют ее для доступа в Интернет [44].
Таблица 7
Сети кабельного телевидения ряда европейских стран
Страна
Германия
Франция
Бельгия
Нидерланды
Великобритания
Швейцария
Швеция
Италия
Итого
Число подключенных домов (млн.)
18,3
2,0
3,7
6,0
3,4
3,6
2,2
0,3
44
Несмотря на то, что предсказать окончательный итог конкуренции двух рассматриваемых технологий на европейском рынке
по описанным выше причинам довольно трудно, некоторые тенденции в этой области уже проявились довольно явно. В частности, отчетливо проявляется тенденция к концентрации усилий
операторов кабельных сетей на обслуживании частных лиц, тогда
как услуги DSL предлагаются, главным образом, корпоративным
пользователям [44].
23
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Одной из немногих тенденций, направленных на структуризацию данного рынка, явился отказ операторов от обслуживания
одновременно двух основных групп пользователей, а именно
корпоративных и индивидуальных, требования которых значительно отличаются. В частности, ряд операторов, таких как Sprint
и Netcom, сконцентрировали свои усилия на обслуживании корпоративных клиентов, тогда как другие, например MindSpring и
EarthLink, стали специализироваться на предоставлении доступа
частным лицам [40]. Такая специализация стала возможна в результате интенсивного роста численности обеих категорий пользователей, выявления их интересов к различным видам сервиса и,
как следствие, появления возможности сделать достоверные заключения о специфике обслуживания каждой из групп [45].
Сети доступа на основе DSL
Изначально DSL-технология, предназначенная для использования поверх существующей инфраструктуры телефонных сетей
(медные пары), была предложена в качестве временного технического решения для обеспечения высокоскоростного доступа частных пользователей в период до завершения формирования инфраструктур FTTH (fiber to the home) и/или HFC (hybrid fiber
coax), которое, как полагали тогда, потребует значительных капиталовложений и займет длительное время.
Интересно, что первые апробации xDSL-технологий были
проведены региональными операторами компании Bell (США) и
министерствами связи ряда европейских стран уже в начале
1990-х годов [46]. В этот период необходимость внедрения xDSL
мотивировалась появлением таких перспективных с точки зрения
потребительского рынка приложений, как видео по запросу
(VOD – video on demand) и интерактивное телевидение (ITV).
Операторы телефонных сетей рассматривали внедрение xDSL как
важный фактор в предстоящей конкурентной борьбе за этот рынок с операторами сетей кабельного телевидения. Впоследствии
эти ожидания не оправдались, и работы по внедрению данной
технологии практически прекратились. Они были возобновлены
лишь в 1995 г. с появлением спроса на высокоскоростной доступ
в Интернет.
24
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Еще одной причиной, замедлившей внедрение xDSL, явилось
опасение операторов телефонных сетей в том, что распространение данной технологии приведет к снижению доходов от предоставления традиционной услуги – аренды выделенных линий, в
частности T1 (1,5 M) каналов. Многочисленные примеры, иллюстрирующие намеренное «сдерживание» распространения xDSLтехнологии компаниями США, приведены в статье [47].
Тем не менее, несмотря на эти обстоятельства, число пользователей указанной технологии во всем мире в 1999 г. возросло на
150%, а к концу 2000 г. превысило 2 млн. человек [48, 49]. При
этом североамериканский сегмент данного рынка в ближайшие
годы сохранит свое лидирующее положение. В частности, в
2003 г. 50% всех потребителей DSL составили пользователи
США [48].
Основным стимулом развития DSL-рынка США является
спрос на высокоскоростной доступ в Интернет. В 1999 г. около
4850 (то есть приблизительно 31%) операторов IP-сетей в США
объявили о предоставлении DSL-услуг [50, 51]. Число xDSLлиний, введенных в промышленную эксплуатацию этими операторами, к концу 1999 г. достигло приблизительно 1,3 млн. [51].
Для сравнения можно указать, что в 1998г. в эксплуатации находилось лишь 50 – 60 тыс. таких линий [52, 53]. В отличие от европейского рынка, где DSL-сервис ориентирован, главным образом, на корпоративных пользователей [44], в США по данным
International Data Corporation в середине 1999 г. 70% xDSL-линий
обслуживало частных пользователей [52].
Другим отличием американского DSL-рынка от европейского
является существование на нем более сильной конкуренции со
стороны ISDN, имеющего в США хорошо развитую инфраструктуру и традиционно использующегося для целого ряда приложений [53], в том числе таких, как доступ в Интернет, видеоконференции, электронная коммерция и др. Общий объем североамериканского рынка xDSL, включая продажу оборудования и услуг,
по оценкам Communications Industry Researchers [54], увеличился
с 252 млн. дол. США в 1999 г. до 10,4 млрд. дол. США в 2003.
Внедрение DSL-технологии на европейском рынке сдерживалось теми же факторами, что и в США. Тем не менее растущая
конкуренция со стороны операторов кабельных сетей заставила в
25
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
середине 1999 г. европейские телефонные компании, в том числе
и крупнейшие (British Telecom, France Telecom, Deutsche Telekom), приступить к внедрению DSL, хотя это, по их мнению,
должно привести к существенному снижению дохода от таких
традиционно предоставляемых ими услуг, как аренда выделенных линий и ISDN [44]. С целью компенсации предполагаемых
потерь этими операторами были значительно увеличены тарифы
для данного вида сервиса. Так, например, British Telecom в ноябре 1999 г. увеличил ежемесячную плату за DSL-линию с 50 до
80 дол. США с одновременным понижением скорости с 2 Мбит/с
до 511 Кбит/с. Такая политика, по-видимому, не позволит операторам телефонных сетей использовать на данном этапе конкуренции с операторами кабельных сетей свое основное преимущество – более развитую инфраструктуру.
Волоконно-оптические сети доступа
Наряду с технологиями, использующими для организации
высокоскоростного доступа пользователей уже существующие
инфраструктуры телефонных и кабельных сетей, появилась и
развивается технология волоконно-оптических сетей доступа:
FTTH (fiber to the home) и FTTB (fiber to the building). Данная
технология имеет ряд привлекательных особенностей (табл. 6),
таких как более высокая по сравнению с конкурирующими технологиями скорость передачи данных, низкая стоимость эксплуатации и нечувствительность к электромагнитным воздействиям.
По данным исследований [55] рынок волоконно-оптических
сетей доступа в США увеличился за 4 года более чем в два раза
(от 925,5 млн. в 2000 г. до 2538,2 млн. в 2004 г.). Доминирующей
группой потребителей на этом рынке в ближайшие годы останутся корпоративные пользователи. Уже в настоящее время большинство крупных офисных и производственных зданий имеют
волоконно-оптические вводы. Согласно имеющимся оценкам
[56], число таких зданий в США составило в 2003 г. 136 тыс. По
мере развития рынка волоконно-оптических сетей доступа ожидается [55] и изменение его внутренней структуры (рис. 2), в частности, резкий рост сектора, связанного с созданием волоконнооптических сетей внутри зданий.
26
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рис. 2. Развития рынка волоконно-оптических
сетей доступа (США)
Так же как и в описанном выше случае транспортных сетей,
основные тенденции развития рынка городских опорных сетей и
сетей доступа аналогичны для Северной Америки и Европы. Общее число созданных и обслуживаемых общеевропейскими операторами городских сетей возросло от 1 в 1993 г. до 35 в 1999 г.
В течение 2000 г. (рис. 3) в европейских городских сетях смонтировано не менее 600 000 км ВОЛС [16], и их протяженность продолжает расти высокими темпами.
Немаловажным стимулом для инвестиций в создание сетей
данного типа является и то обстоятельство, что они представляют
фактически естественную монополию. В силу специфики данного рынка оператор, создавший региональную инфраструктуру волоконно-оптической сети доступа, обеспечивает себе монопольное положение в данном регионе на ближайшие несколько десятилетий, так как дублирование этой инфраструктуры является
экономически бессмысленным [57].
27
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рис. 3. Динамика развития европейских
волоконно-оптических городских сетей
Перспективы развития волоконно-оптических сетей доступа
и распространение технологий FTTH и FTTB во многом будут
определяться тем, какая из архитектур сетей доступа станет доминирующей.
Архитектура городских сетей и сетей доступа
Несколько лет назад международная группа, состоящая из
20 компаний, телекоммуникационных операторов и производителей оборудования, в том числе British Telecom, BellSouth, France
Telecom Nippon Telegraph and Telephone, GTE и SBS, предприняла попытку разработать необходимую спецификацию для волоконно-оптических сетей доступа, способных обеспечивать предоставление широкого спектра телекоммуникационных услуг,
требующих как низкоскоростной, так и высокоскоростной передачи данных [58]. В рамках этой инициативы, получившей название FSAN (Full Service Access Network), были рассмотрены разные стратегии реализации сетей доступа, FTTx : Fiber to the Curb
(FTTC), Fiber to the Cabinet (FTTCab), Fiber to the Building
(FTTB), Hybrid Fiber Coax (HFC) и Fiber to the Home (FTTH).
Предложения FSAN были приняты ITU и существенно стимули28
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
ровали развитие волоконно-оптических сетей доступа, так как
производители оборудования получили в свое распоряжение набор необходимых стандартов.
В качестве наиболее перспективной архитектуры комитет
FSAN рекомендовал APON (ATM Passive Optical Network). В
1996 – 1997 гг. в результате реализации проекта ЕС PLANET/
ACTS (табл. 3) была разработана несколько отличная архитектура, названная SuperPON [59, 60]. Предложенная модель предусматривала [61] синхронную поэтапную эволюцию опорной сети
и сети доступа (рис. 4) по мере роста зоны обслуживания, числа
пользователей, видов высокоскоростного сервиса и спроса на высокоскоростной доступ.
Рис. 4. Поэтапная эволюция сети доступа
Сравнительно недавно общепризнанной стала точка зрения,
согласно которой опорные и транспортные сети должны быть
многофункциональными (мультисервисными) и обеспечивать
поддержку целого ряда сервисов, включая телефонию, видео и
29
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
передачу данных [62]. Реализуя эту концепцию, операторы и
производители оборудования инвестировали значительные средства в разработку и создание мультисервисных SONET/ATMсетей. Однако отчетливо проявляющиеся тенденции, такие как
быстрый рост доли IP-трафика, с одной стороны, и интеграция
различных видов сервиса на платформе Интернет, с другой, привели к появлению кардинально новой концепции архитектуры
высокоскоростных сетей доступа, а именно архитектуры, ориентированной исключительно на передачу IP-трафика [62, 63]. Данный подход можно рассматривать как распространение на сети
доступа описанной выше концепции «оптического Интернет».
Реализация этого подхода на практике фактически означает появление на региональных рынках нового типа операторов, конкурирующих с операторами телефонной и кабельной сетей. Несмотря на относительную новизну данной концепции, в литературе уже имеются данные техноэкономического анализа,
свидетельствующие о способности сетей доступа нового типа успешно выдержать эту конкуренцию [63, 64].
Высокая инвестиционная активность на рынке высокоскоростных сетей доступа стимулировала в 90-х годах значительное
число исследований, посвященных разработке методов экономического анализа этих инфраструктур. В частности, были изучены
существующие конкурирующие инфраструктуры и технологии,
которые могли бы стать базой для формирования высокоскоростных сетей доступа [64 – 66]. Основной задачей на этом этапе являлось определение экономической целесообразности модернизации существующих телекоммуникационных инфраструктур и
выбор стратегии, минимизирующей инвестиционные риски. Методология для оценки с этой точки зрения различных технических решений и стратегий была разработана в рамках проекта
TITAN (Tools for Intruduction Scenario and Techno-economic
Evaluation of Access Network), программы RACE (Research in
Advanced Communications in Europe) Комиссии Европейских Сообществ [67, 68]. Указанная методология довольно активно использовалась на практике [69 – 72].
В заключение следует отметить, что наблюдающееся в последние годы интенсивное развитие сетей доступа обусловлено
не только экономическими причинами, но и социальной значимо30
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
стью этих инфраструктур. Именно благодаря этому, их развитие
поддерживается, в том числе и финансово, городскими и региональными администрациями. О повышении интереса к городским
телекоммуникационным инфраструктурам со стороны органов
городского и регионального управления свидетельствует, в частности, тот факт, что с апреля 1999 г. начал издаваться специальный журнал Journal of Municipal Telecommunications, в котором
рассматриваются организационные, правовые и технологические
аспекты данной проблемы.
1.3. Тенденции развития приложений и услуг
Основной задачей телекоммуникационной отрасли является
предоставление услуг, спрос на которые полностью определяется
конечным пользователем. Как уже неоднократно отмечалось выше, в настоящее время ключевым фактором, стимулирующим и
направляющим развитие этой отрасли как в технологическом, так
и в экономическом плане является возникновение и широкое распространение приложений, требующих передачи больших объемов данных с высокой скоростью. Это, в свою очередь, является
следствием глобальных процессов конвергенции, протекающих не
только на технологическом, но и на экономическом уровне.
На уровне экономики в настоящее время происходит конвергенция (и даже интеграция) трех ранее независимых рынков: телекоммуникационного рынка, рынка информационных технологий, а также объединенного рынка средств массовой информации, т.е. издательского рынка и рынка вещания (рис. 5).
Конвергенция протекает на двух уровнях: попарная конвергенция
рассматриваемых секторов и их полная интеграция с образованием нового рынка. Как ожидается [73], этот процесс через 10 –
15 лет приведет к формированию телекоммуникационного рынка
нового типа. Технологической базой и катализатором процесса
конвергенции, как видно из рисунка 5, является Интернет. Более
того, современный рынок Интернет рассматривается как микромодель будущего телекоммуникационного рынка [73].
31
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рис. 5. Формирование телекоммуникационного рынка
нового типа путем конвергенции
По мнению аналитиков [74], на новом рынке доминирующую
роль будут играть мультимедийные приложения и услуги. Для
телекоммуникационных операторов подготовка к успешной работе на данном рынке предполагает существенную модернизацию инфраструктуры, в том числе и с целью предоставления
мультимедийных услуг не только корпоративным пользователям,
но и частным лицам. На рисунке 6 приведена одна из моделей организации предоставления мультимедийных услуг названным категориям пользователей [74].
32
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рис. 6. Модель предоставления мультимедийных услуг различным
категориям пользователей
Потенциально наиболее распространенным, гибким и дешевым механизмом предоставления мультимедийных услуг, несомненно, является Интернет. Закрепление за ним этой роли будет
определяться тем, насколько быстро и успешно будут решены
вопросы, связанные с расширением адресного пространства (раздел 3), организацией передачи видео и аудио данных в режиме
реального времени, влиянием загрузки каналов на качество изображения и звука, а также способностью сетевой инфраструктуры обеспечить передачу необходимого объема трафика. О перспективности Интернет в качестве универсальной коммуникационной среды свидетельствует, в частности, ситуация на рынке
услуг видеоконференцсвязи. Сегмент этого рынка, связанный с
использованием IP-технологий по оценкам экспертов [64] должен
расти со скоростью 57%, валовой доход производителей соответствующего оборудования достиг в 2004 г. 235 млн. дол. США.
Для систем, базирующихся на ISDN, скорость роста в этот период составит всего лишь 7,7%, а пиковое значение валового дохода не будет превышать 170 млн. дол. США.
33
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рис. 7. Конвергенция аппаратных средств
В заключение следует отметить, что характерной является
также конвергенция и интеграция на платформе Интернет существующих аппаратных средств и электронных систем конечного
пользователя (рис. 7). При этом для новых систем типично использование одного общего интерфейса, а именно World Wide
Web [76].
Таким образом, наиболее характерной тенденцией в области
современных телекоммуникаций является конвергенция, которая
протекает на нескольких уровнях: конвергенция рынков (экономическая конвергенция), конвергенция приложений и конвергенция аппаратных средств.
34
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
1.4. Литература
1. G.-S. Kuo,”Telecommunications Industry Markets: Vision and Potential”, IEEE Communication Magazine , v.36, № 11, pp. 95-96 (1998)
2. Angus Reid Group, Press
Release,
March
22,
2000,
(http://www.angusreid.com/media/content/PRE_REL.cfm)
3. Eddie Rabinovitch, “Your Internet Connection”, IEEE Communication
Magazine , v.37, N11, pp.40-42 (1999)
4. University of Texas, “Measuring the Internet Economy” October 1999,
(http://www.internetindicators.com)
5. University of Texas, “The Internet Economy Indicators”,
(http://www.internetindicators.com)
6. Stephen Saunders and Peter Haywood, “IT at the speed of light -- Optical Networking Is Poised To Change Business Networks-And Their IT Departments-Forever”, TechWeb News, February 07, 2000, Issue: 772, Section: Optical
Networks (http://www.techweb.com/)
7. John P. Ryan, February “WDM: North American Deployment Trends”,
IEEE Communications Magazine, v.36, N2, pp.40-44 (1998).
8. R. Ramaswami and K.Sivarajan, “Optical Networks: A Practical Perspective.” San Francisco: Morgan Kaufmann, 1998.
9. B.Mukherjee, “Optical Communications Networks.” New York:
McGraw-Hill, 1997
10. Robert K. Butler and David R. Polson, “Wave-Division Multiplexing in
the Spring Long Distance Network”, IEEE Communications Magazine, v.36,
N2, pp.52-55 (1998).
11. KMI Corporation, 1999, “FIBEROPTIC NETWORKS OF LONGDISTANCE CARRIERS IN NORTH AMERICA.” (http://www.kmicorp.com)
12. Communications Industry Researchers, Inc., March 26, 1998, “ WAVE
DIVISION MULTIPLEXING, PHOTONIC SWITCHING AND THE COMING OF ALL OPTICAL NETWORKS: A MARKET FORECAST AND
OPPRTUNITY ANALYSIS.” (http://www.cir-inc.com)
13. Communications Industry Researchers, Inc., October 4, 1999, “ Wave
Division Multiplexing, Photonic Switching and the Coming of All Optical Networks 1999-2000, Volume 1, North American Market Opportunities.”
(http://www.cir-inc.com)
14. Ewart Lowe, “Current European WDM Deployment Trends”, IEEE
Communications Magazine, v.36, N2, pp.46-50 (1998)
15 KMI Corporation, February 2000, “New Fiber-based Pan European
Network Deployments Increased Long Haul Fiber Demand by 300% since
1997.” (http://www.kmicorp.com)
35
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
16. KMI Corporation, February 2000, “Networks of Fiber-Based PanEuropean
Carriers:
Market
Developments
and
Forecast.”
(http://www.kmicorp.com)
17. Kris Struyve, Nico Wauters and Pedro Falcao, “Application, Design,
and Evolution of WDM in GTS’s Pan-European Transport Network”, IEEE
Communications Magazine, v.37, N3, pp.46-50 (1998)
18. KMI Corporation, January 11, 2000, “Wave Division Multiplexing,
Photonic Switching and Coming of All Optical Networks 1999-2000, Volume 2,
International Market Opportunity.” (http://www.kmicorp.com)
19. KMI Corporation, “WORLDWIDE MARKET FOR DENSE WAVELENGTH-DIVISION
MULTIPLEXING
(DWDM).”
(http://www.kmicorp.com)
20. Pioneer Consulting, March 1, 2000, “ DWDM Market to Triple”
(http://www.pioneerconsulting.com)
21. Nasir Ghani, Sudhir Dixit and Ti-Shiang Wang, “On IP-over-WDM Integration”, IEEE Communications Magazine, v.38, N3, pp.72-84 (2000)
22. European Commission, ACTS97 – Advanced Communications and
Services. Project Summaries (Ref.No. AC971392-PS)
23. Communications Industry Researchers, Inc., 1998, White Paper “Three
Approaches to Optical Networking in an Era of Convergence” (http://www.cirinc.com)
24. Paul Bonenfant and Antonio Rodriguez-Moral, “Optical Data Networking”, IEEE Communications Magazine, v.38, N3, pp.63-70 (2000)
25. Bill St. Arnaud, “Optical networks for the rest of us”
(http://www.canet3.net)
26 Bill St. Arnaud, “Overview of the Latest Developments in Optical Internets” (http://www.canet3.net)
27. CANARIE CA*NET 3 News Archives, 1999, (http://www.canet3.net)
28. Amdrew K. Bjerring and Bill St. Arnaud, “Optical Internets and their
Role in Future Telecommunications Systems”(http://www.canet3.net)
29. Miller, G.J., Thompson K., Wilder R., "Wide-Area Internet Traffic Patterns and Characteristics", IEEE Network , v.11, No. 6, (1997).
30. Paxson, V., and Floyd, S. "Wide Area Traffic: The Failure of Poisson
Modeling." IEEE/ACM Transactions on Networking, June 1995
31. Coffman, K.G., and Oldyzko, A., "The size and growth rate of the Internet", 1998. (http://www.research.att.com/~amo/doc/networks.html)
32. A Communication Industry Researchers White Paper, “How Component Technology Drives All-Optical Networks.” (http://www.cir-inc.com)
33. Ting Wo Chung, John Coulter, Jeff Fitchett, Sam Mokbel, Bill St. Arnaud, “Architectural and Engineering Issues for Building an Optical Internet.”(http://www.canet3.net)
34. The Strategis Group, 1998, “Business Branding & Bundling Telecommunications Services: 1998.” (http://www.strategisgroup.com/press/pubs/)
36
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
35. The Strategis Group, 1998 “High-Speed Internet: Demand, Technology, and Strategy.” (http://www.strategisgroup.com/press/pubs/)
36. http://cyberatlas.internet.com/big_picture/geographics/article/ 0,1323,
5911_159611, 00.html
37. The Strategis Group, Press Release, February 15, 2000, “Residential
High-Speed Internet: Cable Modems, DSL, and Wireless Broadband”
(http://www.strategisgroup.com/press/pubs/)
38. Communications Industry Researchers, Report “Beyond T1/E1 19992000, North American Residential Broadband Access Market Opportunities”
(http://www.cir-inc.com)
39. The Strategis Group, 1998, “High-Speed Internet: Demand, Technology, and Strategy.” (http://www.strategisgroup.com)
40. The Strategis Group, 1998, “ISPs: Market Potential And Business
Strategies.” (http://www.strategisgroup.com)
41. CyberAtlas: Hardware, January 19, 2000, “Cable Modem Market
Closes Century on a High Note” (http://www.internetnews.com)
42. Cahners In-Stat Group (http://www.instat.com)
43. A Communication Industry Researchers White Paper, “Not By Bandwidth Alone: The Management Imperative for Broadband Access.”
(http://www.cir-inc.com)
44. William Echikson, “The Broadband Internet Revolution.” European
Sources & News, v.4, N12, pp.20-24 (1999)
45. The Strategis Group, 1999, “Internet User Trends.” (http://www. strategisgroup.com)
46. Marlis Humphrey and John Freeman, “How xDSL Supports Broadband
Services to the Home.” IEEE Network, January/February (1997)
47. Brian Riggs, “DSL rollout hits delay” InternetWeek, 1999,
(http://www.cmpnet.com)
48. Cahners In-Stat Group, Press Release, May 4, 1999, “ At long last!...
Light at the end of the DSL tunnel.” (http://www.instat.com)
49. Cahners In-Stat Group, Report “The 1999 DSL Market Analysis”,
#WN9906BA (http://www.instat.com)
50. Cahners In-Stat Group, Press Release, December 2, 1999 “ISPs Rolling-Out xDSL are Creating High-Speed Stampede, Reports Cahners In-Stat
Group” (http://www.instat.com)
51. Cahners In-Stat Group, Report ‘The High-Speed Stampede: U.S. ISPs
Roll Out xDSL Service Faster than Expected”, #IS9907SP (http://www. instat.com)
52. International Data Corporation, “Preparing for Liftoff: U.S. Residential
DSL Market Assessment and Forecast, 1998-2003.” (http://www.idc.com)
53. A Communication Industry Researchers White Paper, “ISDN the End
of the LINE.” (http://www.cir-inc.com)
37
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
54. A Communication Industry Researchers, News Release, July 30, 1999,
“ New Multimedia Applications Will Push Residential Broadband Internet
Access to Over 31 Million Homes Within 5 Years, Says New Report”
(http://www.cir-inc.com)
55. A Communication Industry Researchers, February 10, 2000, "Fiber to
the X: The New Market for Fiber to the Desk, Cabinet and Home."
(http://www.cir-inc.com)
56. A Communication Industry Researchers White Paper, “Why Optical
Networking Will Cost Less in the Future: Four New Product Strategies.”
(http://www.cir-inc.com)
57. Ken Poulton, “The Palo Alto Fiber to the Home Trial. A work in
Progress.”, Proceedings of CANARIE’s 5th Annual Advanced Networks Workshop, Toronto, November 29-30, 1999
58. Jeff Hecht, “Fiber Optics to the Home” Technology Review,
March/April 2000 (http://www.techreview.com)
59. M. Oskar van Deventer et al., "Architectures for 100 km 2048 Split Bidirectional SuperPONs from ACTS-PLANET," Proc. SPIE Conf. Photonics
East, Conf. 2919, All Optical Communication Systems: Architecture, Control,
and Network Issues II, invited paper 2919-25, Boston, MA, Nov. 18–22, 1996,
pp. 242–51.
60. I. Van de Voorde et al., "Network Topologies for SuperPON," Proc.
OFC '97, Dallas, TX, Feb. 16–21, 1997, paper TuK6, pp. 57–58.
61. M. Oskar van Deventer, Yvonne M. van Dam, Peter J. M. Peters, Frank
Vermaerke and Andy J. Phillips, “Evolution Phases to an Ultra-Broadband
Access Network: Results from ACTS-PLANET.”, IEEE Communications Magazine, v.35, N12, pp. 2-7 (1997)
62. Bill St. Arnaud, Discussion Paper, February 4, 2000, “Gigabit Internet
to every Canadian School by 2005.”
63. Bill St. Arnaud, Discussion Paper, January 2, 1999, “Gigabit Internet to
every Canadian Home by 2005” (www.canet3.net)
64. A. Cook and J. Stern, "Optical Fiber Access -- Perspectives Towards
the 21st Century", IEEE Commun. Mag., v. 32, N 2, pp. 78–86. (1994)
65. P. LeBel and R.Oliver, "Residential Broadband Architectures Strategies
and Economics", Proc. 7th Int'l. IEEE Wksp. Opt. Access Networks (OAN '95),
Nuremberg, Germany, Sept. 24–27, 1995.
66. T. Miki, "Toward the Service-Rich Era", IEEE Commun. Mag., v. 32,
N 2, pp. 34–39 (1994)
67. B. T. Olsen et al., "Techno-Economic Evaluation of Narrowband and
Broadband Access Network Alternatives and Evolution Scenario Assessment",
IEEE JSAC, v. 14, N 6, pp. 1184–1203 (1996)
68. Leif Aarthun Ims, Kjell Stordahl, Borgar Tørre Olsen, “Risk Analysis
of Residential Broadband Upgrade in a Competitive and Changing Market”,
IEEE Commun. Mag., v. 35, N 6, pp. 96-102 (1997)
38
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
69. L. A. Ims et al., "Multiservice Access Network Upgrading in Europe: A
Techno-economic Analysis," IEEE Commun. Mag., v. 34, N 12, (1996)
70. B. T. Olsen et al., "PNO and Cable Operator Broadband Upgrade
Technology Alternatives: A Techno-Economic Analysis," Proc. Opt. Fiber
Conf. 1996 (OFC '96), San Jose, CA, Feb. 25–Mar. 1, 1996
71. B. T. Olsen et al., "Technoeconomic Evaluation of Optical Broadband
Access Network Scenarios for the Residential and Business Market," Proc. 21st
Euro. Conf. Opt. Commun. 1995 (ECOC '95), Brussels, Belgium, Sept. 14–17,
1995
72. J. Saijonmaa, M. Tahkokorpi, and I.Welling, "Cost of Investment and
Revenue Modelling and Analysis of Various Networked Multimedia Services in
PTO and Cable Operator Environments", Proc. TELECOM '95, Technology
Summit, Geneva, Switzerland, vol. 2, Oct, 3–11, 1995, pp. 629–33.
73. “Beyond The Internet” (http://www.analysys.com)
74. MULTIMEDIA: “Strategic Implications for Telecoms Operators”
(http://www.analysys.com)
75. Wainhouse Research, Publication No.901, October 1999, "Teleconferencing Markets and Strategies: Multimedia Networking Infrastructure",
(http://www.wainhouse.com)
76. Richard Comerford, “Technology 2000 Analysis and Forecast: Computing”, IEEE Spectrum, V. 37 N, 1, pp.45-50 (2000)
39
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
2. Современные тенденции
в области широкополосных сетей
интегрированных услуг
В настоящее время телекоммуникационная отрасль находится в процессе беспрецедентных изменений в силу того, что эффективная передача информации становится ключевым моментом в развитии современного общества. Конкуренция на телекоммуникационном рынке заставляет компании предлагать свои
услуги по более низким ценам и значительно расширять спектр
сервиса. Кроме того, происходит глобализация деятельности операторов связи и значительное усложнение телекоммуникационных инфраструктур, которые при правильном управлении и эксплуатации должны обеспечивать высокое качество работы конечных пользователей.
Развитие информационных технологий и насыщенность разнообразными ресурсами самой массовой информационной сети –
Интернет привело к тому, что качественные и количественные
характеристики доступа в Интернет, которые были достаточны
еще десять лет назад, сегодня уже не могут удовлетворить выросшие потребности пользователей. Устаревший способ связи с
Интернет с использованием телефонной сети не удовлетворяет,
прежде всего, своей низкой пропускной способностью. Даже
наиболее совершенные модемы, поддерживающие стандарт V.90,
работающие в условиях цифровых АТС и обеспечивающие скорость передачи 56 Кбит/с уже недостаточны для тех информационных потоков, которыми оперирует современный пользователь.
Кроме того, существующие телефонные сети не были ориентированы на массовое предоставление услуг по передаче данных и не
способны обеспечить необходимую степень надежности. В результате активного использования телефонной сети общего пользования в качестве среды для передачи потоков данных участились случаи перегрузок практически на всех уровнях телефонной
архитектуры, начиная с магистральной инфраструктуры и заканчивая абонентской. Развитие такой технологии, как ISDN, также
40
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
не обеспечило выход из этой кризисной ситуации, поскольку
абонентская скорость в данной сети составляет всего 128 Кбит/с,
а магистральный канал – всего 2 Мбит/с[1]. Все это послужило
стимулом к совершенствованию и развитию всех уровней телекоммуникационной инфраструктуры и всех типов сетей.
Согласно общепринятой классификации конкретная телекоммуникационная сеть может быть отнесена к одной из категорий, каждая из которых предоставляет определенный спектр услуг и обслуживает определенный круг потребителей этих услуг.
Обычно выделяют следующие категории сетей:
• магистральные сети, задачей которых является предоставление сервиса региональным сетям. Данные сети являются,
как правило, сетями национального или международного масштаба. В последние годы развитие этой категории сетей происходило опережающими темпами (см. разделы 0 и 0). За счет использования технологий ATM, SDH и оптического кабеля в качестве физической среды были достигнуты скорости порядка 10
Гбит/с;
• региональные сети. Технологически данные сети практически аналогичны магистральным сетям, за исключением наличия
систем доступа к магистральной сети и необходимости взаиморасчетов с ней по объемам трафика;
• сети абонентского доступа, которые отличаются от первых двух как размерами, так и используемыми технологическими
решениями.
Как было показано ранее (раздел 1.2), именно развитие последней категории сетей является одним из ключевых факторов
формирования нового телекоммуникационного рынка. В данном
разделе нами будут рассмотрены технические аспекты создания и
эксплуатации сетей доступа, отвечающих современным требованиям, а именно широкополосных сетей интегрированных услуг.
На основании анализа тенденций развития различных сетей
услуг, а также, принимая во внимание рост инфраструктуры Интернет и экспоненциальное нарастание потоков данных, можно
сделать заключение о необходимости конвергенции сетей услуг
(см. раздел 1.3.). Поскольку постоянно возникают новые виды
услуг и динамично изменяются требования к предоставляемому
сервису со стороны пользователей, телекоммуникационная от41
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
расль вынуждена своевременно и адекватно реагировать на указанные изменения либо путем модификации существующих инфраструктур, либо путем построения новых.
Одним из важных факторов, влияющих на изменение требований к телекоммуникационной инфраструктуре, является чрезвычайно быстрый рост суммарного трафика. При этом существует несколько точек зрения на дальнейшее развитие ситуации.
• Телефонный трафик будет продолжать оставаться основным в телекоммуникационной сети, даже если скорость
роста телефонного трафика будет весьма умеренной.
• Рост Интернет-трафика, в особенности экспоненциальный рост IP трафика между конечными терминалами и серверами, приведет к тому, что данный вид трафика станет основным. Более того, развитие телефонии поверх Интернет приведет к тому, что Интернет станет единой коммуникационной
средой, а доля традиционного телефонного трафика будет непрерывно снижаться.
• Развитие цифрового видео приведет к тому, что связанный
с его передачей трафик [2] будет преобладать над всеми другими существующими сегодня видами трафика.
Естественно, что телекоммуникационная инфраструктура неизбежно будет оптимизирована под доминирующий вид трафика,
а технологии передачи трафика других видов будут адаптированы под использование поверх этой новой инфраструктуру или в
случае первого из трех перечисленных сценариев поверх традиционной инфраструктуры.
Основными характеристиками трафика всех видов являются:
чувствительность к задержке передачи сигнала, скорость потока,
длительность потока, возможность буферизации, направленность
(симметричность-асимметричность трафика). Характеристики
трафика по этим параметрам приведены в таблице 8. Как видно
из таблицы, эти характеристики заметно отличаются для различных его видов. Поэтому эффективная передача всех видах трафика, как было уже сказано выше, может быть обеспечена только в
мультисервисной сети – сети интегрированных услуг.
42
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Таблица 8
Характеристики трафика
Вид
трафика
Задержка
Телефония
Критично
Интернет
Некритично
Цифровое видео
Некритично, хотя
это зависит
от кодека
Скорость
потока
Длительность
потока
64(Кбит/с)
От не(цифровая
скольких
телефония) минут до
нескольких
часов
От 28.8
Несколько
Кбит/с
часов
От нескольких
Мбит/с
Несколько
часов
Буферизуемость
Направленность
Низкая
Симметричный
Высокая
В подавляющем
большинстве случаев
асимметричный
В подавляющем
большинстве случаев
асимметричный
Средняя/
высокая
В свою очередь к каждому из предоставляемых видов сервиса со стороны потребителя предъявляются определенные требования, важнейшими из которых являются гарантируемое качество услуги и величина допустимой задержки передачи информации.
При этом значение имеет именно гарантия определенного
уровня качества услуги, запрошенного пользователем. Это уровень отнюдь не обязательно будет всегда очень высоким. Например, если осуществляется просмотр или прослушивание программы новостей, потребитель, скорее всего, откажется от повышенного качества изображения и звука, так как это будет
означать повышенную цену услуги.
Из таблицы 8 видно, что критичность к задержкам передачи
информации зависит от вида сервиса. Например, если речь идет о
телефонной услуге, то задержки, возникающие в процессе телефонного разговора, являются неприемлемыми. Однако если речь
43
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
идет о получении звукового сообщения на автоответчик, то наличие задержек не будет критичным.
2.1. Модели возможных инфраструктур
сетей доступа
Основными участниками процессов формирования и эксплуатации широкополосных сетей интегрированных услуг являются:
• оператор сети, основная функция которого – предоставление каналов связи между поставщиком телекоммуникационных
услуг и потребителем;
• поставщик телекоммуникационных услуг, задачей которого
является предоставлять заказанный сервис конечным потребителям, как корпоративным, так и индивидуальным;
• поставщик телематических услуг;
• потребитель.
Каждый из перечисленных выше субъектов оперирует с определенными элементами сети доступа, имеющими интерфейсы к
соответствующим уровням сети. К числу указанных элементов
относятся устройство доступа, устройства сопряжения с основной сетью [3]. Архитектура каждого из названных устройств зависит от типа сети доступа. Основные типы современных сетей
доступа будут рассмотрены в последующих разделах.
2.1.1. Предоставление доступа
поверх существующей инфраструктуры
Упомянутое выше требование экономии капитальных вложений при создании широкополосных сетей доступа стимулирует
максимальное использование унаследованных инфраструктур.
Соответствующая модель предусматривает использование инфраструктур на базе медных пар и обслуживание «унаследованных» пользователей, то есть клиентов телефонной и ISDN сетей.
В данной модели устройство доступа должно базироваться на
рекомендациях ITU, соответствующих технологии плезиохронной цифровой иерархии (PDH) [4]:
44
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
• удовлетворять базовой скорости передачи (BRA), при этом
будет осуществляться модуляция сигнала 2B1Q и общая скорость
составит 192 Кбит/с
либо
• удовлетворять основной скорости передачи (PRI), при этом
будет осуществляться модуляция сигнала HDB3, а скорость составит 2.048 Мбит/с согласно концепции ISDN.
Однако в России без развитой инфраструктуры ISDN данный
вариант с точки зрения экономической эффективности представляется нецелесообразным.
2.1.2. Применение технологии xDSL
с использованием существующих медных пар
Данный подход позволяет увеличить пропускную способность в рамках существующей инфраструктуры сети, построенной на витых парах без использования регенераторов. Используя
новейшие технологии модуляции сигнала: дискретную многочастотную модуляцию (DMT), квадратурную амплитудную модуляцию (QAM), амплитудную модуляцию без обнаружения несущей
(CAP), технологию кодирования линий (AMI, 2B1Q, HDB3) [5] на
абонентском шлейфе можно достичь скорости асимметричной
передачи от 1.5 Мбит/с до 8 Мбит/с для канала данных к абоненту и от 16 до 640 Кбит/с для канала данных от абонента. При использовании ADSL технологии возможна поддержка сервиса
“видео по заказу”, при этом поддерживается одновременно два
видеоканала с компрессией MPEG1 или один канал с качеством
сигнала, соответствующим стандарту NTSC, получаемому с компрессией MPEG2.
2.1.3. Предоставление сервиса
поверх волоконно-оптических сетей с использованием
широкополосных интегрированных технологий
В случае когда инфраструктура, основанная на медных парах, недостаточно развита либо инвестиции в развитие новой инфраструктуры экономически оправданы, представляется наиболее целесообразным построение и последующее развитие волоконно-оптической среды передачи данных. Данный подход под45
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
разумевает развитие технологии FITL (Fiber in the Loop – пассивные оптические сети либо активные инфраструктуры типа “звезда”). В таком случае применительно к передаче голоса, данных и
видео должны использоваться принципы широкополосных сетей
интегрированных услуг. При этом устройство передачи данных
должно иметь возможность принимать до 16x2.048 Мбит/с (480 –
максимальное количество 64 Кбит/с каналов) в соответствии с
рекомендациями МСЭ-Т G.703, G.704 и G.732 и поддерживать
транспортную систему на скорости 20 Мбит/с поверх двух одномодовых оптических волокон с длиной волны 1260 – 1360 нм согласно рекомендации G.652 [6].
2.1.4. Гибридная оптоволоконно-медная технология
Если телекоммуникационная инфраструктура основывается
на волоконно-оптических кабелях, интерактивное видео и мультимедиа приложения предполагается передавать с использованием HFC, FTTC (Fiber-To-The-Curb) либо FTTH (Fiber-To-TheHome) технологий, наиболее удобных для операторов кабельного
телевидения и местных операторов передачи данных. Особенности устройств передачи данных для этого метода приведены в
таблице 9 [7].
Таблица 9
Особенности устройств передачи данных HFC
Поток данных к абоненту
Полоса частот
МГц
Усиление
Дб
Импеданс
Ом
Соотношение сигнал/шум
Дб
Поток данных от абонента
Полоса частот
МГц
Импеданс
Ом
46
47–862
15–34
75
8
5–40(30)
75
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
2.1.5. Использование радиошлейфа (RITL)
Данная технология приобретает все большее значение в системах телефонной связи. Беспроводные коммуникационные системы требуют гораздо меньше времени для инсталляции по сравнению с основанными на проводных технологиях. Мобильность
абонентских устройств – это одно из очевидных достоинств данной технологии, которая становится экономически наиболее целесообразной на территориях с низкой плотностью потребителей
различного вида сервиса. Однако ограниченная пропускная способность радиошлейфа по сравнению с проводными технологиями ставит ее в ряд технологий для обеспечения доступа к узкополосным сетям интегрированных служб (N-ISDN).
2.1.6. Доступ с использованием
спутниковых технологий
Данный вариант сетевой инфраструктуры может использоваться для предоставления сервиса большому количеству потребителей. Однако при этом должна использоваться цифровая технология для передачи голоса, данных и видео. Это связано с тем,
что физические явления, такие как интерференция и отражение
сигнала, более критичны для аналоговой передачи. По этим причинам устройство передачи для данного варианта должно обеспечивать цифровизацию, компрессию, кодирование, мультиплексирование и модуляцию (QPSK или QAM).
Рассмотрим более подробно некоторые из перечисленных
технологий.
2.2. Сети кабельного телевидения
В 1996 году началось стремительное расширение спектра услуг, предоставляемого операторами сетей кабельного телевидения. Возможность использования инфраструктуры кабельного
телевидения, чрезвычайно развитой в США и многих странах Европы, не только для трансляции телевизионных передач, но и для
47
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
предоставления интегрированных телекоммуникационных услуг,
включая передачу данных, голоса, цифрового видео, представлялась весьма привлекательной. Технологически при передаче данных физический уровень решает задачу отображений цифровых
потоков данных на аналоговые процессы, происходящие в физическом мире. Волна, как известно, характеризуется следующими
основными параметрами: частота, амплитуда и фаза. При этом
для передачи данных используется модуляция волнового сигнала,
то есть изменение частоты, фазы и амплитуды. Символы, передаваемые по сети, могут иметь несколько состояний, количество
которых зависит от выбранной системы модуляции. Обычно скорость передачи символов в секунду совпадает с частотой несущей
в герцах. Число передаваемых бит в секунду равно n-кратной
скорости передачи символов в секунду [8], где n=log 2 N, а N – количество состояний символа. Канал не может поддерживать скорость большую, чем диапазон его рабочих частот. Таким образом,
канал кабельного телевидения с полосой частот 6МГц имеет
верхний предел в 6 Мбод. Некоторые кабельные системы используют 64-арное кодирование линии, называемое 64QAM. 64=2**6,
поэтому теоретический предел такого канала будет составлять 36
Мбит/с (2**64=((2**2)**6)*6Мбод). В случае применения модуляции DPSK максимальная скорость передачи данных от станции
к модему, может достигать 10 Мбит/с. Дело в том, что сигналы от
станции к модему и от модема к станции передаются в различных
полосах частот. При передаче данных от станции к модему данные модулируются стандартной для телевизионных сигналов
частотой, на которую накладывается несущая частота (от 42 до
750 МГц). Такой сигнал передается кабельной системе вместе с
сигналами кабельного телевидения и не мешает передаче телепрограмм. Значительно сложнее обеспечить высокое качество
обратного сигнала от модема к станции. Это связано с тем, что в
обычной дуплексной кабельной сети обратный сигнал может передаваться на частотах от 5 до 40 Мгц. Этот сигнал подвержен
влиянию радиопомех, в том числе неиспользуемые абонентские
шлейфы или некачественное соединение коаксиальных кабелей.
Поскольку кабельная сеть имеет древовидную структуру, все паразитные шумы из ее сегментов препятствуют распространению
обратного сигнала. Некоторые производители используют DPSK
48
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
модуляцию для передачи в прямом направлении, так как данный
метод более устойчив к зашумленным средам передачи. Однако
это понижает скорость передачи.
Обычно операторы кабельного телевидения доводят аналоговый телевизионный сигнал поверх волоконно-оптической инфраструктуры до границы сети точек распространения сигнала, а далее он распространяется поверх коаксиального кабеля. Как правило, каждый узел коммутации коаксиального кабеля может
обслуживать от 200 до 500 абонентов. Согласно исследованиям
AT&T типичный сеанс передачи данных к пользователю, получающему текстовую и графическую информацию (за исключением потокового аудио и видео), имеет среднюю скорость
40 Кбит/с. Причем длительность данного сеанса равняется примерно 3 минутам, а для обратного потока данных требуется полоса около 4 Кбит/с. При этом процесс получения данных характеризуется высокой буферизацией, или, иными словами, достаточно короткие периоды высокоскоростного получения информации
чередуются с длительными периодами простоя канала связи. Исходя из этого, а также учитывая то, что только 30 – 50 % пользователей активны в пиковое по нагрузке на сеть время, специалисты AT&T делают вывод о том, что для телевизионного канала
шириной 6МГц допустимое количество абонентов, не сказывающееся на качестве обслуживания, может достигать 420 [9].
На сегодняшний день HFC технология может рассматриваться как компромисс между стоимостью и пропускной способностью. В будущем, скорее всего, волоконно-оптический кабель
будет приходить непосредственно к конечному пользователю
(более подробно данный вопрос рассматривается в разделе 4).
Функционально гибридные сети состоят из следующих компонент: оптическая сеть, оптические модуляторы и демодуляторы,
коаксиальная сеть с расположенными на ней конечными точками
разветвления кабеля, частотные разделители и собственно абонентские устройства – оборудование телевизионных каналов и
кабельные модемы. Кроме передачи по своим сетям телевизионных каналов и данных операторы сетей кабельного телевидения
планируют активно развивать услуги телефонии пока в режиме
коммутации аналоговых каналов. Однако по мере совершенство49
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
вания технологии IP-телефонии следует ожидать, что она начнет
активно использоваться операторами КТВ.
Говоря о развитии сетей КТВ, необходимо остановиться на
проблеме стандартизации в этой области.
2.2.1. Стандартизация сетей
кабельного телевидения
В 1994 году комитет IEEE 802 по локальным и городским сетям организовал рабочую группу по созданию стандарта для передачи данных через сети традиционного кабельного телевидения. Рабочая группа 802.14 должна была объединить требования
к данному стандарту всех заинтересованных сторон, включая
стандарты, разработанные в Европе – спецификации группы
цифрового видеовещания (DVB) и Совета по цифровому аудио и
видео (DAVIC). Кроме того, стандарт должен был включать алгоритмы компрессии передаваемых видеосигналов движущихся
изображений, разработанные группой экспертов (MPEG-2). Инициаторами разработки проекта DOCSIS (Data Over Cable Service
Interface Specification), созданного впоследствии компанией Cable
Television Laboratories (CableLabs) – американской научно-исследовательской организацией, занимающейся разработками в области кабельного телевидения (КТВ), выступили четыре крупнейших оператора КТВ в США – TeleCommunications (TCI), Time
Warner Cable, Comcast, and Cox Communications, создавшие холдинг Multimedia Cable Network System (MCNS) [10]. В декабре
1996 года вышел первый вариант стандарта DOCSIS.
Основанный на Интернет протоколе DOCSIS обеспечивает
передачу с постоянной скоростью таких видов сервиса, как голос
и видео в сетях HFC. Независимо от работы комитетов
IEEE802.14 и DOCSIS, DAVIC опубликовал свою спецификацию
в декабре 1995 года. Эта спецификация была частично использована группой DVB при подготовке стандарта для Европы.
20 марта 1998 года Исследовательская группа N 9 (разработка
стандартов в области кабельного телевидения) МСЭ приняла рекомендацию J112, которая фактически является международным
стандартом на кабельные модемы.
50
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
В основу новой рекомендации положен проект DOCSIS.
Стандарт J112 определяет методы модуляции и протоколы, которые должны поддерживать кабельные модемы и оборудование
передачи данных на узлах операторов КТВ. Рекомендация J112
включает три приложения, которые отвечают требованиям трех
основных регионов мира – Северной Америки, Европы и Японии
(Азии). EuroCableLabs, научно-исследовательский центр, работающий под эгидой Европейской Ассоциации кабельного телевидения (European Cable Communications Association, ECCA), выпустил летом 1998 года рекомендацию по стандарту (RFP) на кабельные модемы, полностью базирующуюся на технологии
DVB\DAVIC. Таким образом, члены ECCA выразили свое желание иметь в качестве стандарта на кабельные модемы европейские спецификации, а не те, что закреплены в североамериканском отраслевом стандарте DOCSIS.
В настоящее время около 30 компаний работают над оборудованием для передачи данных по сетям кабельного телевидения
(КТВ), которое базируется на стандарте DOCSIS. Среди них лидеры сетевой индустрии Cisco, Bay Networks и 3Com, а также
крупнейшие производители бытовой электроники Sony, Samsung,
Thomson, NEC и Panasonic. С другой стороны, максимум дюжина
компаний разрабатывает DVB-модемы, например, COCOM,
Simac и Hughes Network Systems. Благодаря большим объемам
производства и жесткой конкуренции между поставщиками,
DOCSIS-продукты дешевле и совершеннее. В результате многие
европейские операторы КТВ могут сделать ставку именно на
DOCSIS-продукты, даже если они и будут считать DVB-устройства технически более передовыми. Как известно, телевизионные
технологии в Северной Америке и Европе имеют исторически
сложившиеся отличия. Европейские вещатели передают телевизионный сигнал по 8-МГц каналам в форматах PAL или SEKAM,
а в американских сетях кабельного телевидения используются 6МГц каналы и формат NTSC. Трансляция программ цифрового
телевидения и передача данных в прямом канале (к абоненту)
осуществляется как в Северной Америке, так и в Европе с помощью многопозиционной амплитудной модуляции (64/256 QAM)
на основании рекомендации МСЭ J.83, однако при этом используются разные алгоритмы исправления ошибок: в первом случае
51
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
согласно Приложению В к рекомендации J.83, во втором случае –
Приложению А. Для преодоления этих разногласий, как уже указывалось выше, МСЭ принял в марте 1998 года рекомендацию
J.112, согласно которой DOCSIS-модемы на физическом уровне и
при доступе к среде (MAC) должны были поддерживать Приложение А. Однако протоколы MAC и физического уровня технологии DVB для обратного канала (от абонента) не были включены в рекомендацию J.112.
По мнению экспертов американской исследовательской компании Kinetic Strategies причины разногласий между DVB и
DOCSIS заключаются в нежелании традиционных европейских
операторов КТВ, которыми владеют национальные телефонные
монополии, распространять кабельные модемы, поскольку те несут потенциальную угрозу их основному бизнесу. Напротив, новые независимые операторы КТВ, атакуя монополистов, часто
стремятся к развертыванию DOCSIS-систем передачи данных в
своих сетях.
Проблему несовместимости оборудования различных стандартов можно проиллюстрировать на следующем примере:
IEEE802.14 и DAVIC спецификации основываются на MPEG-2 с
использованием в качестве транспортной среды режима асинхронного переноса (ATM). В результате оборудование, изготовленное каждое по своей спецификации, несовместимо.
2.2.2. Особенности архитектуры
сетей кабельного телевидения
Архитектура кабельной сети может быть симметричной и
асимметричной. В случае симметричной архитектуры, как уже
было сказано выше, оба сигнала – прямой и обратный – передаются по одному кабелю. Применению симметричной архитектуры препятствует ряд ее существенных недостатков:
• устанавливать высокоскоростную связь через симметричную кабельную сеть сложно и дорого, так как обратная передача сигнала выполняется неэффективно;
• прямая передача сигнала сильно влияет на обратную, так
как вся информация передается по одному каналу;
52
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
• маршрутизация и безопасность рассматриваются как
внешние элементы системы.
Поэтому производители кабельных модемов иногда отдают
предпочтение асимметричной архитектуре, обладающей определенными преимуществами, такими как:
• возможность применения в сетях беспроводного доступа,
поскольку обратную связь со станцией чаще можно организовать с помощью телефонного канала или ISDN;
• возможность создания канала с минимальной разницей
скоростей прямой и обратной передачи сигнала;
• минимальные требования к организации обратной передачи
сигнала;
• разделение прямого и обратного канала дает возможность
использовать существующее оборудование для передачи данных
от станции к пользователю.
2.3. Сети на основе
абонентской линии – xDSL
Необходимость в высокоскоростных видах сервиса, таких как
доступ в Интернет и видеоконференции, привела к развитию технологий, традиционно связанных с услугами ТфОП. Проблемы,
возникающие при высокоскоростной передаче данных через абонентские соединительные линии, связаны, прежде всего, с физическими особенностями данных линий. При этом определяющим
параметром является коэффициент полезного действия линии –
отношение скорости передачи данных (биты/с) к полосе пропускания (Гц). При этом существует два основных фактора, влияющих на КПД – межсимвольная интерференция и уровень шума.
Из закона Шеннона следует, что КПД аналогового голосового
канала для соотношения сигнал/шум=30 дБ равен примерно
10 бит/с/Гц [11]. Из сказанного выше следует, что обычные аналоговые модемы не способны вести высокоскоростную передачу.
В таблице 10 приведены характеристики основных способов
передачи данных на абонентской линии.
53
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Таблица 10
Основные способы передачи данных на абонентской линии
Протокол
абонентского устройства
Скорость
передачи
данных
КПД полосы
пропускания
Около
11б/с/Гц
Модуляция
V.34
33.6 Кбит/с
TCM
V.90
56 Кбит/с
TCM
Около
18б/с/Гц
Передача данных
ISDN BRI
144 Кбит/с
2B1Q
2 б/с/Гц
2B + D
HDSL
2048 Кбит/с
2B1Q
2 б/с/Гц
SDSL
768 Кбит/с
2B1Q
2 б/с/Гц
ADSL
(Полоса
пропускания
до 1 МГц)
VDSL
(Полоса
пропускания
до 30 Мгц)
К абоненту
1.554 – 8.448
Мбит/с
От абонента
16 – 640
Кбит/с
К абоненту
13 – 52
Мбит/с
От абонента
CAP/D
MT
Около
8 б/с/Гц
CAP/D
< 4 б/с/Гц
MT
Возможные
приложения
Передача данных
Каналы Е1/T1, доступ
к локальным или глобальным сетям, доступ к корпоративным
базам данных
То же самое, что и
HDSL, но по одной
паре
Доступ в глобальные
и локальные сети,
мультимедийные базы
данных и видео
по запросу
То же, что и ADSL,
а также телевидение
высокой четкости
ISDN решения, как уже говорилось выше (2.1.1), помимо малой распространенности в России, также не дают ощутимого эффекта. Поэтому для использования существующей инфраструктуры абонентских окончаний, построенной на медных парах, нет
другой альтернативы, кроме DSL решений. Повышенный интерес
к абонентским линиям обусловлен высокоразвитой инфраструктурой сетей на основе медных пар. На сегодняшний день более
800 миллионов медных линий [12] проложены по всему миру. С
54
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
точки зрения владельцев этих линий, прокладка новых линий –
волоконно-оптических или коаксиальных – представляется неоправданно дорогостоящей. По предварительным данным, например
в США, только 7% от общего числа абонентских телефонных линий будет заменено новыми видами физической среды – коаксиальными кабелями или волоконно-оптическими. Именно это обстоятельство дало толчок к развитию целого семейства DSLтехнологий.
Существует несколько факторов, позволяющих DSL оборудованию передавать данные со скоростями, намного превосходящими скорости стандартных аналоговых модемов. Во-первых,
пара аналоговых модемов должна передавать данные по телефонной сети общего пользования, причем длина канала зависит
от местонахождения конечных точек. Наоборот, DSL оборудование функционирует между помещением абонента и ближайшей к
нему АТС, а это, как правило, не превышает 3.5 – 5 километров.
Во-вторых, аналоговые модемы ограничены спектром частот, в
которых они работают (0 – 4кГц), а модемы DSL могут использовать 1МГц или больше в силу установки их на шлейфе из медных
пар на абонентской линии.
2.3.1. Виды xDSL технологий
В настоящее время семейство xDSL включает в себя следующие технологии [13]:
IDSL – реализация в оборудовании DSL ISDN BRI интерфейса, при этом аналоговая телефония не предусматривается, поскольку телефонная связь осуществляется по цифровым каналам
ISDN.
HDSL – симметричная абонентская цифровая линия со скоростью до 1.544 Мбит/с (T1 предоставляется по двум парам) или
2.048 Мбит/с (Е1 предоставляется по двум или трем парам), при
этом длина линии может достигать 4 км. HDSL модемы работают
с использованием 2B1Q или CAP-64/CAP-128 модуляции. Отсутствие поддержки аналоговой телефонной линии компенсируется
возможностью передачи речи в цифровом виде через интерфейсы
E1. В технологии HDSL имеется возможность увеличить даль55
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
ность передачи за счет применения повторителей, кроме того,
благодаря стандартной ширине спектра передачи (80 – 240 Кгц),
повторители одного производителя совместимы с оборудованием
HDSL другого производителя.
SDSL – модификация HDSL, работающая по одной паре.
Системы SDSL обеспечивают дуплексную передачу потока до
2048 Кбит/c на расстояние примерно до 3.7 км.
VDSL (Very high rate DSL) технология должна обеспечивать
скорость потока данных к абоненту около 52 Мбит/с на расстоянии около 300 метров, около 25 Мбит/с на расстоянии около 1 км
и скорость потока данных от абонента 1.5 Мбит/с. Это может быть
применено на участке медной проводки в системах FTTx между
устройством волоконно-оптической сети и узлом абонента.
ADSL – асимметричная DSL – дальнейшее развитие HDSL.
Обеспечивает передачу по электрическому кабелю потоков до 8
Мбит/с в одном направлении и до 640 Кбит/с в другом.
Поскольку в семействе DSL-технологий именно технология
ADSL ориентирована на быстро растущий (см. введение) сектор
рынка – абонентов жилого сектора – и вследствие этого наиболее
быстро совершенствуется, остановимся на ней более подробно.
2.3.2. Технические принципы ADSL
Существует два основных решения для инсталляции ADSL:
DMT как стандарт ANSI и CAP [14]. Модуляция САР очень похожа на QAM, описанную в разделе, посвященном КТВ (происходит модуляция двух несущих с последующей их комбинацией).
Основное отличие в том, что в CAP ортогональная модуляция
сигнала производится дискретно, используя два фильтра с одинаковой амплитудой и разницей фаз в 90°. DMT – частотное мультиплексирование, где каждый канал имеет полосу в 4 Кгц и обеспечивает передачу данных 0 – 15 б/с/Гц, исключая каналы, использующиеся для синхронизации.
Число установленных устройств, работающих с CAP модуляцией, растет гораздо быстрее, чем DMT-систем. Так, в 1998 году было установлено около 250 000 устройств с CAP модуляцией
56
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
и только около 10 000 с DMT. Указанное соотношение сохраняется и до настоящего времени.
ADSL технология должна обеспечивать 3.1 Кгц канал для передачи голоса, или, другими словами, телефонии. При этом данная телефонная линия должна оставаться работоспособной даже
в случае отказа ADSL оборудования. Для этого должны использоваться так называемые сплиттеры с частотными фильтрами.
ADSL линия обеспечивается парой модемов – ADSL передающее
устройство на узле доступа и ADSL передающее устройство на
стороне абонента. Терминальное оборудование, такое как TV settop box или персональный компьютер подсоединяется к первичной абонентской сети. Узел доступа может подсоединяться через
мультиплексор доступа DSL к локальной компьютерной сети
(LAN), ATM сети или любой другой сети. Об одной из модификаций ADSL – универсальной ADSL или ADSL lite – будет рассказано ниже. На рисунке 8 представлена типовая структурная
схема ADSL системы. В силу технологических особенностей каждый символ, передаваемый при CAP модуляции, требует всю
ширину полосы пропускания, в результате импульс шума высокого уровня и высокочастотный шум будут приводить к ошибкам. С другой стороны, при DMT модуляции эти эффекты значительно ниже, но и скорость передачи также значительно ниже. И
DMT и CAP модуляции могут варьировать скорости передачи
данных по каналу в зависимости от состояния линии, благодаря
чему появилась технология RADSL – Rate-adaptive ADSL. Однако в то время, как DMT модуляция может увеличивать/уменьшать скорость передачи с шагом 32-64 Кбит/с, CAP может это
делать, начиная только с 640 Кбит/с.
Технология ADSL наиболее привлекательна для операторов
уже существующих сетей с разветвленной инфраструктурой на
медных проводах. Однако ограничение по скорости позволяет
данной технологии обеспечивать только передачу голоса, данных
и видеоизображения не очень высокого качества. Цифровое телевидение высокого разрешения требует около 20 Мбит/с на канал
даже в случае MPEG компрессии.
57
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рис. 8. Типовая структурная схема ADSL системы
58
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
2.3.3. Стандарты в ADSL
Согласно рекомендации H.261 передача видеоизображения
производится на скорости около 1.3 Мбит/с. Исходя из этого для
передачи “видео по запросу”, включающего видео- и аудиопотоки, достаточно 1.5 Мбит/c. При этом от пользователя передаются
только контрольные данные. Это обстоятельство послужило
предпосылкой для создания ADSL технологии.
На сегодняшний день создано два варианта технологии
ADSL – это собственно ADSL в том варианте, который описан
выше (ANSI T1.413 и ITU-T G.922.1) и G.lite (ITU-T G.992.2).
Главные отличительные особенности G.lite перечислены в документе G.922.2. В частности, в этом документе содержится информация, касающаяся совместимости оборудования различных
производителей и отсутствия частотных разделителей на абонентской линии.
G.922.1 определяет максимальную скорость передачи данных
6144 и 640 Кбит/с для прямого и обратного каналов соответственно. При этих скоростях спектр обратного канала может располагаться в диапазоне 25-138Кгц, а спектр прямого канала не должен превышать частоту 1074 Кгц. Кабельная система должна
обеспечивать на верхней частоте затухание не более 60 дБ.
G.922.2 определяет максимальные скорости передачи прямого и обратного канала, сниженные до 1536/256 Кбит/с, а верхний
частотный диапазон – до 522кГц [15].
При этом конечное оборудование устанавливается непосредственно в помещении абонента и его использование сходно с использованием обычного модема для аналоговых телефонных линий. В условиях России это особенно актуально, поскольку на
унаследованных российских АТС конструктивно невозможна установка дополнительного оборудования, в частности сплиттеров.
Установка сплиттеров в помещении абонента означает необходимость их сопровождения специалистами служб телефонной сети. Это значительно снижает темпы внедрения данной технологии. Вообще говоря, сплиттер необходим для предупреждения
интерференции между ADSL сигналами и сигналами устройств,
использующих звуковую полосу частот (факсы, телефоны и т. д.).
Кроме того, теоретически сигналы (голос и данные), передаю59
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
щиеся по ADSL, могут воздействовать на аналоговые устройства,
так как для последних характерно наличие нелинейных искажений. Кроме того, может наблюдаться эффект обратного влияния
аналоговых устройств на ADSL. Альтернативой может быть использование устройств со встроенным сплиттером. Однако установка такого рода устройств сопряжена со значительным объемом работ и финансовых затрат.
Перечисленные выше факторы стимулировали появление
«компромиссного», с точки зрения операторов телефонных сетей
и производителей оборудования, стандарта G.922.2 (G.lite)
Поскольку устройства G.lite не содержат сплиттеров, скорость передачи данных зависит не только от длины абонентского
шлейфа, но также от состояния проводки в помещении абонента
и подключенных аналоговых устройств. В соответствии с тем,
что G.lite устройства не имеют возможности предотвращать интерференцию между ADSL и аналоговыми сигналами, G.lite модем резко уменьшает уровень сигнала, как только обнаруживает,
что аналоговое устройство подключается к линии (например,
поднимается трубка телефона). Это, в свою очередь, предъявляет
достаточно жесткое требование к ADSL модему по такому параметру, как быстрое переустановление соединения на более низкой/высокой скорости. G.lite модем должен быстро возвращаться
к той скорости, на какой он работал до вмешательства аналогового оборудования.
2.3.4. Адаптация ATM к ADSL
Несколько лет назад стала популярна идея адаптации ATM
технологии к ADSL. В частности, ADSL-форум принял документ
TR-12, в котором описаны основные принципы ADSL архитектуры, основанной на ATM [16].
Говоря о сети доступа, необходимо отметить следующий момент: очень важно сконцентрировать как можно большее количество абонентских линий в едином сетевом интерфейсе, так как
каждый WAN интерфейс является весьма дорогостоящим. Схема
мультиплексирования, при которой высокая концентрация при
гарантированном, индивидуально определяемом качестве обслу60
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
живания будет особо важна для сетевых операторов, которые
смогут предоставлять сервис, дифференцируя его, в зависимости
от оплаты. Если реализуется архитектура с применением ATM, то
устройство доступа к DSL – Digiatl Subscriber Line Access
Multiplexor (DSLAM) функционирует как ATM мультиплексор.
Для реализации режима SVC на DSLAM возлагаются требования
по обеспечению терминирования протокола сигнализация ATM
для каждого потребителя ADSL и поддержке сигнализации стандартного UNI (user-network interface) интерфейса. В этом случае
мультиплексоры доступа DSL подключаются к пограничным
коммутаторам ATM. Описанная DSL архитектура базируется на
ATM сети. Более подробно об ATM технологии будет рассказано
в следующем разделе (раздел 2.4). Здесь мы ограничимся констатацией того факта, что с применением архитектуры “ATM over
DSL” покупатели сервиса получают доступ к широкополосным
услугам с гарантированным качеством сервиса. Использование
данной архитектуры даёт следующие преимущества [17]:
• протокольная прозрачность – сеть не зависит от используемого на 3-м уровне протокола (IP, IPX и т. д.). Это весьма
существенно и с точки зрения лицензирующих органов;
• поддержка различных классов качества обслуживания и
возможность гарантированных уровней качества обслуживания – ATM даёт возможность сетевому оператору дифференцировать сетевые услуги, основанные на качестве сервиса, прописанному в описании пользователя или параметрах приложений;
• масштабируемость полосы пропускания ATM – перенос
масштабируемости ATM на адаптацию скорости соединения
DSL позволяет оптимизировать использование абонентских линий;
• перспективная замена использующейся DSL технологии более совершенной – поскольку ATM физически независимая технология, то в перспективе можно заменить DSL на VDSL.
Приведенная архитектура является одним из возможных решений для сети интегрированных услуг [18].
Подытоживая все сказанное выше, необходимо отметить
следующие преимущества DSL, ставящие её на одно из первых
61
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
мест в ряду возможных вариантов организации сетей доступа
[19]:
• DSL позволяет операторам телефонных компаний использовать накопившиеся за многие годы кабельные емкости для
обеспечения высокоскоростного доступа в Интернет, корпоративные сети и интерактивных услуг поверх обычных телефонных линий. DSL дает возможность предоставлять широкополосные услуги нового поколения поверх существующих сетей
операторов телефонной связи.
• DSL делает возможным предоставлять услуги, которые
требуют режима реального времени, а также интерактивные
мультимедийные услуги и видео вещание. Например, совместная
работа над документами, видеоконференции, дистанционное
образование и видео по заказу.
• Существуют все необходимые стандарты и рекомендации,
обеспечивающие совместимость DSL оборудования и позволяющие массовую торговлю DSL оборудованием.
• DSL позволяет поставщикам услуг обеспечивать гарантированную скорость передачи или, по крайней мере, адаптирующуюся скорость передачи с усилиями не больше, чем это было
при обычных аналоговых модемах.
• ADSL позволяет использовать одну линию для новых видов
услуг (передачи данных) и для телефонии.
• DSL дает возможность операторам предоставлять выделенный защищенный канал связи между ISP и пользователем.
• Данные передаются по линии абонента, а не по всей сети с
коммутацией каналов.
• Скорость не зависит от интенсивности работы других
потребителей, поскольку линия передачи используется только
одним потребителем.
• DSL всегда находится в режиме соединения аналогично
стандартному телефону, поэтому нет необходимости осуществлять операцию инициализации соединения.
• Уже достаточно оборудования DSL испытано и запущено
в серийные производство, кроме того, многие операторы уже
имеют достаточный опыт инсталляции DSL.
• Сети, основанные на технологии DSL, прозрачны для пропуска поверх них ATM или IP трафика
62
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
• DSL представляет собой унифицированный интерфейс к
любым новым сетевым технологиям без построения новой инфраструктуры.
В настоящее время уровень цен на DSL услуги значительно
ниже, чем на традиционные цифровые соединения. Для сравнения: каналы Т1 стоят от 900 до 2 000 дол. США в месяц, в то время как DSL обходится от 90 до 200 дол. США [20].
2.4. Оптоволоконные сети
с применением ATM
Конвергенция средств коммуникаций, а также бурное развитие Интернет, как уже говорилось ранее, поставило традиционных телекоммуникационных операторов перед нелегкой задачей
выбора базовой технологии для построения мультисервисной сети. Тенденция к превращению Интернет в унифицированную
среду коммуникаций для любых видов трафика проявляется все
более отчетливо, однако имеющиеся в Интернет отрицательные
факторы – задержка передачи сигнала и потери данных – значительно затрудняют эту задачу. Представляется, что внедрение
ATM как единственной технологии, обеспечивающей гарантированное качество обслуживания, может сегодня сделать выполнимой задачу построения мультисервисной сети в глобальном масштабе [21].
2.4.1. Краткая характеристика ATM
В настоящее время имеются следующие категории сервиса
ATM: CBR, rt-VBR, nrt-VBR, UBR, ABR.
Характеристика каждой из категорий приведена в таблице 11.
63
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Таблица 11
Характеристика категорий сервиса ATM
Параметры трафика
PCR,
CDVTPCR
SCR, MBS,
CDVTSCR
MCR
CBR
rt-VBR
nrt-VBR
UBR
ABR
Да
Да
Да
Да
Да
Нет
Да
Да
Нет
Нет
Нет
Нет
Нет
Нет
Да
Параметры QoS
PkMax
to-pk
CLR
CTD
CDV
Да
Да
Да
Да
Да
Да
Нет
Нет
Да
Нет
Нет
Нет
Нет
Нет
Нет
GFR
Да
MFS,MBS
Да
Нет
Категория
Нет
Нет
Другое
Нет
Нет
Нет
Нет
Обратная
связь
Нет
Примечания: CBR – постоянная скорость соединения
rt-VBR – изменяемая скорость соединения с поддержкой режима реального времени
nrt-VBR – изменяемая скорость соединения без поддержки режима
реального времени
UBR – неспицифицированная скорость соединения
ABR – доступная скорость соединения
GFR – гарантированная передача кадров
PCR – пиковая скорость передачи ячеек
SCR – среднедопустимая скорость передачи ячеек
MCR – минимальная скорость передачи ячеек
Для того чтобы предоставлять гарантированное качество обслуживания, ATM сеть нуждается в достаточной информации о
входящем трафике. Данная информация содержится в параметрах
трафика, которые устанавливаются в момент инициализации соединения. Во время каждой инициализации соединения устройство управления устанавливает категорию трафика, управление буферами памяти и время выполнения циклов передачи для каждого
передающего устройства. В случае если все устройства в сети на
пути следования трафика подтверждают заказанное качество обслуживания, требование принимается, в противном случае – отвергается. Высокопроизводительная сеть с гарантированным качеством обслуживания (QoS) может быть построена только при условии конвергенции на уровне маршрутизации и коммутации,
64
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
или, другими словами, при условии конвергенции двух наиболее
популярных протоколов, использующихся в современных сетях –
ATM и IP. На сегодняшний день IP имеет достаточно мало средств
для предоставления QoS на мультисервисной сети [22]. С другой
стороны, ATM весьма сложна для инсталляции её на рабочем месте пользователя. Поэтому одним из возможных путей будет интеграция IP маршрутизации и ATM коммутации. Интегрированная
таким образом IP-ATM технология позволит мигрировать от сети
с коммутацией каналов к сети с коммутацией пакетов. Это доказывает опыт построения прототипа сети нового поколения в
США – vBNS (very high-performance Backbone Network Service),
основанной на технологии ATM. Однако сегодня ATM используется в режиме отдельных постоянных виртуальных каналов в качестве транспортной среды для IP маршрутизаторов, а это только
небольшая часть возможностей ATM. Интегрированные IP-ATM
коммутаторы должны обеспечивать предоставление различного IP
сервиса, определяемого полями в заголовках IP пакетов “тип сервиса”, по разным логическим виртуальным путям, имеющим различный уровень QoS. Это должно, в свою очередь, обеспечиваться
протоколами сигнализации (PNNI). Еще одним из направлений
деятельности в данной области является развитие протокола коммутации при помощи меток (MPLS). Более того, ведется работа по
постепенному замещению стандартных ATM протоколов протоколом MPLS, который должен стать универсальным протоколом
интегрированной IP-ATM сети.
2.4.2. Некоторые экономические аспекты
ATM сервиса
Происходящая либерализация в сфере телекоммуникаций и
рост Интернет в сочетании с развитием широкополосных сетей
интегрированных услуг дает новые перспективы для представителей сервиса с точки зрения продажи их услуг. Существующие
на сегодняшний день затраты на телекоммуникационные услуги
зависят от расстояния, продолжительности сеанса связи и времени дня. Интенсивный рост трафика данных в цифровых телефонных сетях подталкивает операторов сетей к более рациональной
модели тарификации услуг. Для сервис-провайдеров Интернет
65
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
ситуация незначительно отличается, поскольку их тарифы основываются на месячной оплате и повременной оплате трафика.
Это сказывается на финансовых потерях, связанных с недостаточным количеством классов обслуживания. Данную ситуацию
может исправить ATM, которая имеет все необходимые качества
для предоставления сервиса различного класса. Более того, имеется программное обеспечение для подсчета трафика по каждому
клиенту. Передача информации может осуществляться с различной скоростью и с различной степенью гарантии доставки, причем эти параметры определяются самим пользователем. Данной
проблематике был посвящен целый ряд проектов Европейской
комиссии, основная идея которых приведена ниже.
Перед тем как потребитель получает сервис, он подписывается на услуги сервис-провайдером, и это выражается в предварительном сервис контракте. Этот контракт является коммерческим
соглашением о предполагаемом использовании телекоммуникационного сервиса. Кроме того, заключается контракт о длительности сеанса. Для каждого сеанса могут быть различные трафикконтракты, каждый из которых является соглашением по использованию выделенного виртуального пути или виртуального канала. Оплата взимается в соответствии с любым из перечисленных
контрактов.
Для правильного понимания и анализа схемы оплаты необходимо определить модель, в которой будут присутствовать
главные элементы, определяющие схему оплаты. Модель включает следующие компоненты:
• параметры оплаты, которые квалифицируют количественные характеристики использования сервиса;
• тарифные параметры, которые ставят в соответствие
цены за использования каждого устройства и суммы стоимостей
использования инфраструктуры для каждого пользователя;
• атрибуты, определяющие параметры, связанные с качеством обслуживания;
• функция оплаты, например, для выделенного соединения с
определенной скоростью передачи:
C = PC + PA(Q)*PCR*t [23],
где C – величина оплаты, зависящая от:
66
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
– двух параметров PCR и t, обусловленная максимальная скорость передачи ячеек и время соединения;
– двух тарифных параметров PC и PA(Q), стоимость установки соединения и цена за время использования устройства и
его полосу пропускания;
– атрибута Q, определяющего уровень качества обслуживания.
Для ATM возможны различные схемы оплаты (см. табл. 12).
Оплата для определенной скорости передачи – DBR. Данный вид
услуги определяется PCR и QoS. Когда DBR соединение устанавливается, остаточная для него полоса пропускания резервируется
на всем пути следования от вызывающего абонента до вызываемого в режиме CBR. В этом случае нет необходимости подсчитывать используемую емкость.
Таблица 12
Различные схемы оплаты ATM
Услуга
DBR
SBR
ABR
UBR
Установка
v
v
v
(v)
Компонента оплаты
ИспользуеЗарезервированмая емкость
ная емкость
v
Статистическая емкость
v
v
v
v
Оплата для статистической скорости передачи в режиме реального времени – SBR. Определяется PCR, SCR и QoS. Когда
SBR соединение устанавливается, достаточная полоса пропускания также резервируется, но уже в режиме VBR.
Оплата для доступной скорости передачи – ABR. Характеризуется MCR, PCR и QoS. Когда ABR соединение устанавливается, полоса пропускания резервируется “из конца в конец” в режиме ABR. MCR при этом гарантируется.
Во всех перечисленных видах услуг присутствует гарантия
доставки данных.
Оплата для неспецифицированной скорости передачи данных – UBR. В данном случае нет гарантий ни на один параметр
соединения.
67
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Для того чтобы проиллюстрировать схемы оплаты, приведем
несколько примеров, сведенных в таблицу 13.
Таблица 13
Примеры схем оплаты ATM сервиса
Приложение
Видеопочта
Действия
Посылка
видео
сообщения
Письмо с Посылка додокумен- кумента
том
средствами
e-mail
Голосо3-минутный
вая связь телефонный
разговор
Высокое 20-минутная
качество видеоконференция
Характеристика
сессии
ATM
трафикконтракт
15-Мб ви- UBR
деоклип
1.5-Мб
файл
UBR
16-Кбит/с CBR
компрессия голоса
H.261 384- CBR
Кбит/с
компрессия видео
Быстрая 20-минутная 30 – 50 Кб ABR
и качест- быстрая пе- изображевенная
рекачка дан- ний и
работа с ных без по- 100-Кб
WWW
терь
текст
Обычная 20-минутная 30 – 50 Кб UBR
работа с работа
с изображеWWW
WWW
ний и
100-кб
текст
Гаранти- 2-Гб архив 20 Гбайт
ABR
рованная данных
передано
доставка
меньше,
архивчем за
ных дан10-минут
ных со
скоростью 34
Мбит/с
68
Параметры сессии
Тариф,
$/Mb
Оплата, $
Получен0.0002
ных ячеек
=312500
Получен0.0002
ных ячеек
=312500
0,024
PCR
= 42 cells/s
0.1
0,29
PCR
= 1000
cells/s
0.1
46
0,0024
MCR = 41.6 0.005
cells/s
0,09.6
Получен0.0002
ных ячеек =
33333
0,0026
MCR
80.188
cells/s
92
= 0.005
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
2.5. Беспроводные технологии
Основные аргументы сторонников беспроводной связи выглядят следующим образом:
• широкополосную беспроводную связь можно быстрее развернуть;
• она более гибко адаптируется к меняющимся требованиям
полосы пропускания;
• широкополосная беспроводная связь гораздо дешевле, чем
оптоволоконная связь;
• оптоволоконные кабели подведены менее чем к 10 процентам зданий.
У широкополосной беспроводной связи есть определенные
недостатки. Развертывание такой сети занимает мало времени, но
при большом числе абонентов затраты становятся значительными. Беспроводной канал связи является частью сетевой инфраструктуры провайдера, обычно его называют «беспроводным
абонентским каналом» (wireless local loop).
Спрос на полосу пропускания десятикратно возрастает каждые пять лет. Недавно спектр радиочастот был распродан на аукционных торгах международным операторам стационарной беспроводной связи (fixed-wireless carriers), а новая технология разработки сетевой инфраструктуры помогла существенно снизить
затраты на развертывание таких сетей. Неудивительно, что местные операторы телефонной связи (LECs – Local Exchange
Carriers) не могут удовлетворить спрос на каналы класса T1 (с
пропускной способностью 1.544 Мбит/с) и более производительные услуги. Хотя широкополосная беспроводная связь не может
заменить собой другие технологии доступа (например, оптоволоконную связь и цифровые абонентские линии), согласно исследованиям маркетинговой фирмы The Strategis Group Inc. (Вашингтон, округ Колумбия), ей удалось захватить свыше 12 процентов
всего рынка широкополосной связи. К 2003 г. в США выручка от
реализации услуг составила 5 млрд дол. США [24].
Обсудим специфику широкополосной связи. Скорость передачи данных может составлять от 128 Кбит/с до 155 Мбит/с. Соединения со скоростью передачи данных, соответствующей каналу T1 либо кратной T1, сейчас являются ходовым товаром, но со69
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
временные технологии вполне могут обеспечить гораздо более
высокие скорости, например, DS-3 (45 Мбит/с) или OC3
(155 Мбит/с). Ассортимент предоставляемых услуг включает местную и международную телефонию, подключение к частным сетям и доступ в Internet. Для предоставления услуг операторы используют различные частоты. Большое значение имеет тип используемого радиочастотного спектра. Некоторые диапазоны
частот лицензируются, некоторые – нет. Работа в диапазонах частот 2.4 и 5 ГГц не лицензируется, поэтому провайдеры могут развернуть обслуживание абонентов в этом диапазоне быстро и недорого (поскольку они не обременены расходами на лицензирование). Однако в настоящее время нелицензированная полоса
частот по совокупности значительно уступает лицензированной
полосе. Например, нелицензированная полоса частот в диапазоне
2.4 ГГц предлагает радиочастотный спектр шириной всего в
80 МГц, что составляет менее 10 процентов от ширины полосы,
выделенной для службы LMDS, отсюда и меньшее количество
абонентов, которое может поддерживать нелицензируемая полоса
частот. Кроме того, поскольку нелицензированные полосы частот
доступны всем, пропускная способность каналов может быть ниже, если несколько провайдеров начинают предлагать конкурирующие услуги в одном и том же районе. Например, если на одной территории будут работать два провайдера услуг Internet
(ISP – Internet Service Provider), пропускная способность их сетей
может составить половину от нормальной.
Однако, несмотря на эти ограничения, такие услуги могут
быть очень привлекательными для малых и средних фирм по
причине чрезвычайно конкурентоспособных цен. Что касается
низкочастотных диапазонов, в которых предлагается использовать относительно большую полосу пропускания, то следует отметить диапазон частот 2.5 ГГц, в котором работает многоканальная многопунктовая распределительная служба MMDS
(Multichannel Multipoint Distribution Service). Служба MMDS имеет полосу пропускания шириной в 200 МГц, а поскольку этот
диапазон лицензирован, здесь отсутствуют проблемы помех от
других провайдеров. Ряд провайдеров услуг Internet используют
полосу частот службы MMDS для обслуживания предприятий
малого и среднего бизнеса, в некоторых случаях, применяя ком70
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
бинированный подход, – беспроводной канал от сервера до клиента и коммутируемую телефонную сеть общего пользования
(PSTN – Public Switched Telephone Network) от клиента до сервера. Вообще же низкочастотный диапазон предусматривает больший радиус действия, максимум до 52 км. Более высокие частоты
(24 ГГц и выше) иногда называют миллиметровым диапазоном –
по длине радиоволн. Лицензированные полосы частот в этом
диапазоне гораздо шире, и на частотах порядка 28 ГГц (диапазон
службы LMDS) операторы могут работать с полосой, имеющей
ширину более 1 ГГц. При использовании методов модуляции,
обеспечивающих эффективную пропускную способность от
1 бит/с (четырехпозиционная QAM, Quadrature Amplitude
Modulation – квадратурная амплитудная модуляция) до 4 бит/с
(64-позиционная QAM) на 1 Гц частоты, в полосе шириной в
1 ГГц), можно реализовать совокупную пропускную способность
до 4 Гбит/с (с учетом издержек на кодирование). Естественно, эта
скорость разделяется среди потребителей и между соседними сотами зоны обслуживания либо участками из нескольких таких
сот, называемых секторами. На этих более высоких частотах
дальность связи (протяженность соединения) уменьшается почти
до трех километров. Операторы беспроводной широкополосной
связи в диапазоне LMDS могут работать в густонаселенных городских территориях. Они выбирают конкретные муниципальные
районы, устанавливают концентратор на расположенном посреди
района здании и начинают предлагать обслуживание, используя
линии связи с двухточечным либо радиально-узловым соединением абонентов. Ключевым вопросом здесь является «визирная
линия» (line of sight), поскольку сигналы не могут проникать через здания либо другие сооружения (то же самое имеет место во
всех рассматриваемых диапазонах частот).
Оператор решает с владельцами зданий вопрос о размещении
оборудования удаленного доступа (remote-site equipment), которое состоит из небольших антенн и устройств сопряжения, подключаемых к стандартным телефонным или сетевым линиям. Далее оператор предоставляет свои услуги лицам, снимающим помещения в здании, используя традиционные физические разъемы
и интерфейсы связи. Очевидно, операторы нацеливаются на здания, которые не охвачены оптоволоконными линиями. Чтобы
71
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
свести к минимуму расходы на получение доступа к крышам,
операторы заключают сделки с крупными риэлторскими фирмами, чтобы получить доступ сразу к большому числу зданий. Провайдеры услуг Internet, предлагающие нелицензированный диапазон частот (или MMDS), следуют другой стратегии. Благодаря
более низким частотам, они могут обслуживать зоны с большим
радиусом, что позволяет им быть нацеленными на предприятия
малого бизнеса в более отдаленных участках, а также на пользователей домашних офисов. Линии связи могут быть двухточечными (point-to-point) или радиально-узловыми (point-tomultipoint). При таком развертывании потребитель обычно покупает радиооборудование для удаленного доступа. Независимо от
технологического решения самые большие трудности для широкомасштабного развертывания таких сетей кроются в наличии
необходимого оборудования и затратах на одного абонента. Например, базовые станции для диапазона службы LMDS стоят
примерно 250 000 дол. США, плюс 3 000 дол. США на одного
абонента (плата за один порт – port charge) на удаленном узле.
2.5.1. Особенности архитектуры
беспроводных сетей доступа
Линия до потребителя в сетях беспроводного доступа имеет
стандартные сетевые интерфейсы (например, E1/T1, дробный
E1/T1, дробный T3 и 10/ 100Base-T). С точки зрения пользователя, данная сеть неотличима от проводной сети, а со стороны оператора используются такие стандартные интерфейсы, как DS-3
или OC3 ATM для связи с другими сетями. Воздушный канал –
это участок, который подвергается наибольшим изменениям, поэтому различные поставщики работают над различными подходами. Ширина полосы частот радиосигналов в канале связи варьируется в интервале от 10 до 50 МГц, хотя сегодня для развертывания типична цифра 10 МГц. Данная частота представляет собой
лишь малую часть общего портфеля радиочастот, имеющегося у
оператора. Оператор должен планировать свои частоты с осторожностью, так как ему может понадобиться большое количество
перекрывающихся концентраторов в некоторой географической
зоне, которые не мешают друг другу. Вдобавок, концентраторы
72
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
могут делить свои зоны охвата (обслуживания) на секторы, каждый со своим радиоканалом. Такие секторы, как правило, колеблются по угловой ширине от 15 до 90 градусов. Оператор должен
обеспечить рациональное сочетание затрат на развертывание с
пропускной способностью, так как использование методов модуляции с большей спектральной эффективностью дает в результате сокращение зоны охвата. В технологии радиально-узловых
(point-to-multipoint) сетей ведутся разработки ключевого значения. Сегодня в большей части широкополосных беспроводных
сетей применяется метод двухточечного соединения абонентских
узлов: каждое соединение использует выделенное интерфейсное
и радиооборудование как на узле концентратора, так и на удаленном узле. Но в случае радиально-узловой сети зонный луч или
пучок (coverage beam), идущий от концентратора, высвечивает
ряд разных зданий. Каждому зданию выделяются определенные
временные слоты согласно методу множественного доступа с
временным уплотнением каналов (TDMA – Time-Division
Multiple Access). Аналогично действуют сотовые сети IS-136 и
GSM (сети глобальной мобильной связи – global system for mobile
communications). Поскольку радиооборудование на узле концентратора связывается с множеством удаленных узлов, радиальноузловая архитектура представляет собой более эффективную
схему физического соединения аппаратуры, нежели архитектура
двухточечных соединений. Однако в случае выбора радиальноузловой архитектуры сложность оборудования оказывается значительно выше; то же относится и к затратам на оборудование,
так как поставщики пытаются окупить свои расходы на его разработку. Фактически развертывание радиально-узловой сети сегодня дороже сети двухточечной. Метод TDMA не только открывает путь для радиально-узловой архитектуры. Он позволяет оператору распределять различные доли полосы пропускания между
разными потребителями на динамической основе. При динамическом распределении полосы пропускания операторы могут предлагать услуги с постоянной скоростью передачи битов (CBR –
Constant Bit Rate) и с переменной скоростью передачи битов
(VBR – Variable Bit Rate) по различным тарифам. Заказчики, которым требуется определенная пропускная способность, могут
оплатить обслуживание повышенного качества. Заказчики, же73
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
лающие получить переменную полосу пропускания, получают
скидку. Конечный результат – более широкий выбор услуг. С
точки зрения потребителя метод двухточечного соединения ничем не отличается от метода радиально-узлового соединения. Но
в настоящее время услуги радиально-узловой связи ни один оператор не предлагает.
Кольцевая топология
Несмотря на преимущества радиально-узловой архитектуры,
некоторые операторы и поставщики сетевого оборудования работают над более простым методом «последовательного соединения узлов». В соответствии с данным методом в муниципальных
зонах (районах) создаются большие кольца из множества двухточечных линий между зданиями. С помощью воздушного канала
OC3 (или возможно более мощного) операторы могут развернуть
обслуживание абонентов аналогично оптоволоконной связи при
помощи мультиплексоров, осуществляющих добавление сигналов к общему потоку и их извлечение из общего потока (типа
«add/drop»). Построение кольца также позволяет провайдеру услуг предложить увеличенную надежность путем внесения избыточности. Это предложение оставляет операторам свободу выбора: они могут предпочесть метод последовательного соединения
узлов для первоначального обслуживания и затем, по мере увеличения спроса и снижения затрат, перекрыть начальную схему
радиально-узловой архитектурой. Нужно учитывать еще проблему распределения спектра радиочастот между соединениями
«концентратор-удаленный узел» и «удаленный узел-концентратор». Традиционно для этого применялась дуплексная передача с
частотным уплотнением (FDD, Frequency-Division Duplex), где
для передачи в противоположных направлениях используются
разные частоты. При этом способе на каждое направление передачи выделяется фиксированная полоса частот. Альтернативным
способом является передача с временным уплотнением (TDD,
Time-Division Duplex). В соответствии с этим методом одна и та
же полоса частот используется для передачи от клиента на сервер
и от сервера к клиенту. В течение короткого промежутка времени
(2 мс в одной системе) концентратор передает сигналы на уда74
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
ленный узел, а остальное время концентратор принимает сигналы
с удаленного узла. Достоинство такого метода состоит в том, что
система может динамически регулировать ширину полосы пропускания, выделенной для связи от клиента к серверу и от сервера к клиенту, просто меняя временное соотношение между двумя
линиями связи. Кроме того, использование лишь одной частоты
не только упрощает планирование частот, но и делает возможным применение определенных радиочастот (например, частота
B полосы LMDS). Такие полосы частот могут создать проблемы
для дуплексной передачи с частотным уплотнением (FDD). Дело
в том, что полоса пропускания недостаточно широка для того,
чтобы обеспечить разнесение рабочих частот на необходимый
частотный интервал (называемый «защитной» полосой guard
band) между передающей и принимающей частотами за приемлемую цену. При дуплексной передаче с временным уплотнением
(TDD), которая использует только одну частоту, такая проблема
не возникает. Большим преимуществом метода TDD является
гибкость обслуживания. Поскольку трафик данных обычно является несимметричным, метод TDD приводит к более эффективному использованию имеющегося спектра частот и в принципе к
снижению цен на услуги или, по меньшей мере, к повышению
рентабельности для оператора. Это также позволяет действовать
так, как делают многие провайдеры услуг Internet, – осуществлять подписку для большего числа абонентов, чем одновременно
может быть обслужено. Другими словами, суммарная ширина
полосы частот, проданной абонентам, может превысить магистральное подключение оператора. Метод TDD делает это возможным, обеспечивая динамическое распределение мгновенной полосы частот среди потребителей.
2.5.2. Спектр оказываемых услуг
Следует сказать, что операторы лучше всего оснащены оборудованием для обработки потоков со скоростями от дробных
T1-каналов до нескольких T1-каналов. Однако на двухточечных
линиях связи они могли бы предложить также скорости, соответствующие групповому каналу T3 либо OC3. В то время как лицензированные операторы могут распределять сотни мегагерц
75
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
спектра радиочастот, операторы с нелицензированным спектром
имеют меньшую суммарную пропускную способность. Их полоса
пропускания также не обязательно гарантируется; для некоторых
заказчиков это вполне приемлемо, но для многих других пользователей это может быть неудовлетворительно. Каналы радиосвязи, спроектированные в расчете на прямое исправление ошибок
(forward-error correction), дают частоту ошибок, сравнимую с
проводными или оптоволоконными соединениями. Что касается
ухудшения качества услуг из-за дождя или снега, то операторы
принимают этот фактор во внимание, используя максимально надежное соединение для этого конкретного географического региона. Поставщики гарантируют коэффициент надежности оборудования 99.995 – 99.997 процентов. В каждом случае развертывание всей системы стационарной беспроводной связи
осуществляется единым владельцем оборудования. Следовательно, давление со стороны стандартов незначительно, и большинство решений поставщиков являются фирменными. Тем не менее
ведутся разработки ряда стандартов, включая стандарт IEEE
802.16 (который определяет требования к физическому уровню и
уровню управления доступом к среде для систем беспроводной
широкополосной связи). Это происходит потому, что чаще всего
развертывание системы широкополосной беспроводной связи
производится с участием одного-единственного поставщика.
Стандарты могут дать операторам больше возможностей выбора,
но это не столь важно. Поскольку оборудование стационарное,
ему не приходится взаимодействовать с несколькими сетями, как
это происходит с сотовой связью.
2.6. Перспективы
наиболее динамично развивающихся
технологий доступа
Анализ возможностей различных описанных выше технологий
не оставляет сомнений в возрастании конкуренции на рынке широкополосных сетей интегрированных услуг. В области опорных сетей развитие телекоммуникаций так или иначе связано с ATM [25]
(хотя это утверждение можно поставить под сомнение – подробнее
76
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
в разделе “новое поколение транспортных технологий”). В то же
время в области сетей доступа, по крайней мере в ближайшие несколько лет, для городских сетей развернется соревнование между
сетями на основе DSL и сетями CATV. Однако как уже говорилось
выше, сети операторов телефонной связи в настоящее время не совсем готовы к использованию DSL технологии.
Например, в США около 50 % абонентских линий сегодня не
поддерживают DSL со скоростями, которые могут сравниться со
скоростями кабельных модемов. Около 56 миллионов домов сегодня имеют широкополосный доступ благодаря кабельным модемам и только 6 миллионов при помощи DSL [26]. Кроме того,
операторы кабельного телевидения ведут достаточно агрессивную политику, предоставляя своим пользователям такой вид сервиса, как цифровое телевидение. Единственное, что может изменить ситуацию – более активное внедрение VDSL технологии, но
для этого необходимы значительные затраты на сокращение длины медной линий путем внедрения оптоволокна. Внедрение новых технологий на уровне физического канала также позволяет
развиваться опережающими темпами именно HFC сетям [27].
Здесь имеется в виду WDM – мультиплексирование по длине
волны (о ней будет более подробно рассказано в главе “Новое
поколение транспортных технологий”).
Большинство опорных сетей базируются на DWDM технологии с целью передавать как можно больше потоков информации.
Оптическая коммутация или маршрутизация используется исключительно для защиты трафика, передающегося при помощи
стандартных технологий, таких как ATM, SONET/SDH или новейшего – POS (packet-over-SONET).
С другой стороны, в сети доступа трафик, исходящий из множества источников, таких как коммутаторы, видеосервера и т. д.,
может быть агрегирован вместе, транспортирован в главную обслуживающую зону и затем направлен к пользователям. Обратный
трафик может следовать по тому же пути, но в противоположном
направлении. Причем транспортировка трафика происходит без
изменения его формата, т.е. конечное устройство может отправлять данные как в аналоговом виде (QAM модуляции), так и в
цифровом. Три новейшие модификации DWDM расширят воз77
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
можности HFC технологии – многоформатная DWDM, пассивная
оптическая маршрутизация и DWDM оверлейная технология.
Многоформатная DWDM является средой для передачи трафика, модулированного в различных форматах, включая аналоговое видео, QAM64, QAM256, передаваемого по одному волокну.
Пассивная оптическая маршрутизация позволяет разделять,
перенаправлять и комбинировать сигналы различной природы и
маршрутизировать их независимо к конечной группе пользователей в многоадресном формате [28].
DWDM оверлейная технология следует сути HFC сети доступа, использует мультиплексирование по частоте для комбинирования различного трафика от разных источников на различных
длинах волн на одном фотоэлементе.
Преимущества использования перечисленных DWDM технологий:
• Резкое увеличение пропускной способности. Пользователь
получает возможность высокоскоростного доступа в Интернет, телефонную связь, видео по заказу одновременно со скоростями более 20 Мбит/с в дополнение к существующим 550 –
750 Мгц широковещания.
• Использование DWDM позволяет уменьшить количество
оборудования, которое должно быть расположено на стороне
концентратора. Это, в свою очередь, упрощает общий процесс
управления сетью.
• Последующие внедрения новых схем компрессии сигналов,
форматов модуляции или протоколов передачи данных могут
производиться без изменения сети.
2.6.1. Один из возможных вариантов
плана выделения каналов
при мультиформатной DWDM-HFC сети
В связи с высокой чувствительностью к помехам аналоговые
каналы располагаются в спектре длин волн 1530 – 1560 нм. Цифровой трафик располагается ниже 1540 нм. Кроме того, располагая аналоговые каналы в конце спектра длинных световых волн, а
цифровые каналы в конце спектра коротких длин волн, интерфе78
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
ренция между высокоуровневыми аналоговыми каналами порядка 30 дБ и цифровыми низкоуровневыми каналами минимальна.
В итоге можно сказать следующее: в конце 1998 – начале
1999 года особенно бурно стала развиваться технология WDM, в
результате чего порядок скоростей, существовавших как на
опорных сетях, так и на сетях доступа, базирующихся на технологии “оптоволокно в дом”, вырос в несколько раз. С другой стороны, с 1997 года стало наблюдаться динамичное развитие новых
стандартов и технологий в области приложений, базирующихся
на протоколе IP. Эти два фактора привели к совершенно новой
идеологии в области построения широкополосных сетей интегрированных услуг, которая изложена в разделе “Новое поколение
транспортных технологий”.
2.6.2. Недостатки дешевых
высокоскоростных технологий доступа –
DSL и кабельных модемов
К числу основных недостатков, общих для технологий высокоскоростного доступа с использованием унаследованной инфраструктуры, относятся:
• Теоретически достижимый предел скорости передачи данных на несколько порядков ниже, чем у волоконно-оптических
линий (раздел 4). Например, большинство xDSL решений, реалиизованных сегодня, не способны обеспечить скорость выше
6 Мбит/с.
• На практике пропускная способность и кабельных модемов, и xDSL решений оказывается ниже, чем ожидалось при их
установке. Особенно это проявляется у кабельных модемов, где
пользователи разделяют полосу пропускания. Кроме того, кабельные модемы обеспечивают только узкополосный обратный
канал, что неприемлемо для корпоративных клиентов.
• Корпоративные пользователи в больших компаниях требуют гарантированного качества обслуживания, но лишь немногие
операторы кабельного телевидения и xDSL-сетей могут это
обеспечить.
79
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
• Программное обеспечение и оборудование для мониторинга, которое должно обеспечивать контроль со стороны пользователя, качество предоставляемой ему услуги либо слишком дорого, либо слишком примитивно, либо отсутствует.
2.7. Пример успешной реализации
сетей доступа
Одним из примеров успешных реализаций широкополосных
сетевых инфраструктур и сетей доступа может служить сеть Сингапура – SingAREN. Как известно, Сингапур – первая в мире
страна, где была построена национальная широкополосная сеть
[29]. В 1997 году была принята национальная концепция, одной
из основных идей которой было построение сетей доступа на основе ADSL или кабельных модемов для частных лиц и на основе
ATM для корпоративных клиентов. Основной целью SingAREN
является доступ к высокоскоростным интерактивным мультимедийным ресурсам для частного сектора, корпоративных клиентов
и образования на всей территории Сингапура. Результатом этой
инициативы стал консорциум, в котором компании 1-Net Pte Ltd.
отводилась роль провайдера опорной национальной сети,
Singapore Telecom, телекоммуникационный оператор – лидер по
проблеме абонентских линий, Singapore Cable Vision, оператор
кабельного телевидения и несколько Интернет сервис-провайдеров. Опорная инфраструктура SingAREN поддерживает общую
пропускную способность порядка 100 Гбит/с, сети доступа на базе ADSL и кабельных модемах – 5-10 Мбит/с. Топологически
SingAREN является звездой, в центре которой находится так называемый GigaPOP, включающий в свой состав высокопроизводительные коммутаторы ATM и маршрутизаторы. В качестве
сигнального протокола применяется MPOA (Multi-Protocol Over
ATM). В последнее время ведутся работы по внедрению IPv6.
80
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
2.8. Литература
1. Amitava Dutta-Roy, “Btingning Home The Internet”, IEEE Spectrum
Magazine, March 1998
2. C.-J. Van Driel, “The (R)evolution of Access Networks for the Information Superhighway”, IEEE Communications Magazine, June 1997
3. M. Bakmaz and Z.Petrovich, “ Access Networks Architectures Comparison and Development Scenarios”, Proc. XIV Sci./Prof Symp. Novel Postal and
Telecommun. Technologies , Belgrad, Yugoslavia, December, 1996
4. M. Jankovich and Z. Petrovich , “Access Networks Target Infrastructure”, Proc. 4th IEEE International Conf. Multimedia Comp. and Sys., Ottawa,
Canada, June 1997
5. M. Jankovich and Z. Petrovich , “Scenarious for Building Global Information Infrastructure in Developing Countries”, Proc. ICT’98, Greece, June
1998
6. T.Kwork, “ A vision for Residential Services: ATM –to-the-Home”,
IEEE network Sept./Oct. 1995
7. M. S. Lee, “ Digital Optical CATV Network: An Integrated Service
Network for CATV, POTS and N-ISDN”, Technology Summit, Telecom’95,
vol.2., Geneva, Switzerland, 1995
8. “Introduction to CATV netwroking”, http://www.cablemodem.com
9. http://www.cablelabs.com
10. Amitava Dutta-Roy,”Cable – it’s not just for TV”, IEEE Spectrum
Magazine, May 1999
11. Zdislaw Papir, Andrew Simmonds, Competing for Throughput in the
Local loop, IEEE Communications Magazine, May 1999
12. S. Dixit, “Data Rides High on High-Speed Remote Access”, IEEE
Communications Magazine, January 1999
13. W.Y.Chen, “DSL: SimulationTechniques doe Digital Subscriber Line
System”, Indianapolis, IN: Macmillan, 1998
14. R. Baines, “ Discrete Multitone (DMT) vs. Crrierless Amplitude/Phase
(CAP) Line Codes”, Analog Devices Inc. Whitepaper, http://www.analog.com
15. The Development and Standardization of Asymmetric Digital Subscriber Line, Walter Y. Chen , IEEE Communications Magazine, May 1999.
16. Residential Broadband Architecture over ADSL and G.lite
(G.922.2):PPP over ATM, Timothy C. Kwok, IEEE Communications Magazine,
May 1999
17. T. Starr, K. Maxwell, “ADSL Access Networks” http://www.adsl.com
18. ADSL Forum whitepaper, http://www.adsl.com
19. J. Harrison, E. Fife, F. Pereira, R. Worthington, “ADSL: Prospects and
Possibilities”, http://ww.adsl.com
20. High speed access: DSL Gets a boost, Barbara DePompa Reimers
http://www.techweb.com
81
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
21. Technology 1999. Analysis & Forecast, Linda Geppert & William
Sweet
22. ATM vs. Internet Protocol, Ashraf Dahod, IEEE SPECTRUM January
1999
23. Charging for ATM services, Donal Morris, Verus Pronk, IEEE communications Magazine, May 1999
24. Broadband wireless access: be ready to newer life, Peter Rysavy, Data
Communications, January 2000
25. P.Demeester, T.Wu, N. Yoshikai, “Survivable Communication Network”, IEEE Communications Magazine, August 1999
26. Defending the Internet Revolution in the Broadband Era: When Doing
Nothing is Doing Harm, Fransois Bar, Stephen Cohen, Peter Cowhey, Brad DeLong, Michael Kleeman, John Zysman, A Communication Industry Researchers
August 1999
27. A Communication Industry Researchers White Paper, “How Component Technology Drives All-Optical Networks”(http://www.cir-inc.com)
28. HFC access networks take DWDM in new directions, Don Sipes Scientific-Atlanta Inc, November 1998, www.techweb.com
29. SinAREN:The Sinapore Advanced Research and Education Network,
Lek-Heng Ngoh, Francis S.C. Yeoh, Manjeet Singh, IEEE Communication
Magazine, November 1998
82
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
3. IPv6. Необходимость
и методика перехода
3.1. История вопроса
3.1.1. История возникновения и развития
протокола IPv6 и мотивация его разработки
Возникновение и первоначальное развитие протокола IP
(Internet Protocol) осуществлялось в рамках первых исследовательских сетей начала 70-х годов [1], однако за последнее десятилетие IP превратился в основной протокол сетевого уровня
(раздел 1.3). Это означает, что поверх IP осуществляется огромное количество разнообразных телекоммуникационных взаимодействий, каждое из которых к тому же может предъявлять весьма специфические требования к IP-сети. Современный масштаб
глобальной IP-сети таков, что проявились такие фундаментальные ограничения, которые были заложены при разработке основ
IP-протокола 2 – 3 десятилетия назад, когда общее количество
узлов составляло всего несколько десятков. В 70-е годы рост Сети был приблизительно линейным (рис. 9). Если бы такие темпы
сохранились, то сейчас Сеть насчитывала бы не более 1 000 узлов. Однако в первой половине 80-х годов линейный характер
роста постепенно сменяется экспоненциальным, и на рубеже 80-х
и 90-х годов рост Сети определенно приобрел характер взрыва.
Действительно, в 1981 году в Сети насчитывалось всего около
200 узлов [2], а по состоянию на март 2000 года – более 75 млн.
Одновременно с развитием и усложнением сервисов сети видоизменялась и несущая технология – Интернет протокол (IP). Со
временем IP претерпевал множество модификаций, которые существенно улучшили многие его параметры. Однако быстрота и
перспективы дальнейшего роста сети поставили перед IPпротоколом, который используется в настоящее время, ряд неразрешимых проблем:
• истощение адресного пространства;
• рост маршрутных таблиц;
83
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
• отсутствие встроенных механизмов обеспечения «качества обслуживания»;
• отсутствие встроенных механизмов автоконфигурации
хостов;
• отсутствие встроенных средств безопасности;
• неэффективность механизмов поддержки мобильных устройств.
Рис. 9. Рост числа устройств, подключенных к Интернет:
1969 – 1999 гг.
Для устранения обозначившихся недостатков IP-протокола
Проблемная группа проектирования Интернет (IETF – Internet
Engineering Task Force) разработала спецификации IP-протокола
следующего поколения, известного как «IPng», или «IPv6». Внедрение протокола IPv6 является одновременно и насущной задачей, и долгосрочной перспективой для сетевых администраторов
и операторов сетей общего пользования. С одной стороны, продукты, поддерживающие IPv6, уже появились на рынке, с другой
стороны, доработка и усовершенствование IPv6, вероятно, будет
84
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
продолжаться и дальше. Несмотря на то, что в основе IPv6 лежат
необходимые доработки прежней версии протокола IP (IPv4),
IPv6 следует воспринимать как новый протокол, который станет
прочным фундаментом современных сетей.
Поскольку новый протокол должен заменить прежний протокол IP (IPv4), IPv6 представляет большой интерес для бизнеса,
потребителей услуг и операторов доступа к Сети. При разработке
IPv6 ставилась задача предложить более эффективные решения
проблем масштабируемости, безопасности, автоконфигурации
и сетевого управления, чем те, которые возможны в рамках IPv4.
Решение вышеназванных проблем играет ключевую роль для повышения конкурентоспособности и эффективности любого бизнеса, использующего сетевые технологии (раздел 1.3).
Активными сторонниками протокола IPv6 являются такие
страны, как Япония и Китай, которые не получили достаточного
адресного пространства IPv4. За IPv6 ратуют также поставщики
новых видов телекоммуникационных услуг, например операторы
мобильной цифровой телефонной связи, – им потребуются миллионы IP-адресов для различных устройств, используемых при
организации передачи данных в сети. Существенным преимуществом IPv6 является большая длина IP-адреса, позволяющая поддерживать адресацию практически каждого электронного устройства в мире.
В то же время главный управляющий компании Lucent
Technologies Ричард Макгин считает основным фактором, стимулирующим отказ от IPv4, недостатки механизмов обеспечения качества обслуживания (QoS) в этом протоколе. «Сегодняшний вариант IP вряд ли будет использоваться через пять лет, – он превратится в то, что мы называем версией 37 протокола IP, – говорит
Макгин, – IP будет развиваться, включая в себя многое из того,
что сегодня имеется в технологии АТМ… Иначе он просто не
сможет стать основой мультисервисных сетей» [3]. Следует отметить, что в принципе, путем модификации IPv4 можно наделить
этот протокол некоторыми из вышеупомянутых свойств. Однако,
по мнению Совета по архитектуре сети Интернет (IAB – Internet
Architecture Board), результаты, которых можно достичь таким
способом, окажутся значительно скромнее тех, которые сулит широкомасштабное внедрение IPv6. Кроме того, разработка IPv6 ве85
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
дется таким образом, чтобы максимально защитить ранее сделанные инвестиции в сети, основанные на IPv4.
Поставщики сетевого оборудования уже сейчас предусматривают поддержку протокола IPv6 в своих продуктах (см. 0) аналогично тому, как они поддерживают протокол IPv4. Стоимость
модернизации сети с целью реализации поддержки IPv6, согласно
мнению некоторых экспертов, будет сравнима со стоимостью установки новой версии операционной системы, однако в конечном
итоге поддержка протокола IPv6 должна дать экономию. Эллисон
Мэнкин (Allison Mankin), компьютерный разработчик Института
информатики Южно-Калифорнийского университета (USC/ISI),
предполагает, что для провайдеров услуг переход на IPv6 «не так
дорог, как переход на использование многочисленных трансляторов NAT» [4]. Кроме того, эксплуатация IPv6-сети дешевле эксплуатации аналогичной IPv4-сети, потому что протокол IPv6 оказывается «умнее» протокола IPv4 при решении различных проблем. Например, IPv6-узлы могут автоматически конфигурировать сами себя не только с помощью протокола динамической
конфигурации хоста (DHCPv6), что требует постоянного отслеживания состояния этого процесса, но и с помощью механизма
автоконфигурации IPv6 без фиксации состояния [10]. Используя
метод «обнаружения соседа» [9], IPv6-узел может подключиться
к любой сети, найти сервер автоконфигурации без фиксации состояния и сконфигурировать себя для последующей работы в сети – и все это без вмешательства человека. Данные функции способствуют получению реального доступа к сети с высокой степенью готовности (plug-and-play network access) и существенно
снижают расходы на эксплуатацию сети.
Конечным пользователям, руководителям промышленных
предприятий, сетевым администраторам, разработчикам протоколов, программистам полезно уже сейчас осознать, каким образом IPv6 повлияет на развитие Интернета и распределенных компьютерных приложений.
86
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
3.2. Текущее состояние дел
в области внедрения протокола IPv6
3.2.1. Основные этапы перехода от IPv4 к IPv6
и их временные рамки
IP-протокол следующего поколения (IPng), позже получивший название IPv6, сложился в результате непростой эволюции
нескольких инициатив IETF. Этот процесс продолжался более
трех лет и представлял собой параллельное развитие, взаимодействие и объединение нескольких инициативных предложений
(рис. 10), пока в июле 1994 года на XXX совещании IETF в Торонто не были согласованы общие рекомендации по архитектуре
IPng. Новой версии IP-протокола был присвоен номер 6 [5]. Таким образом, 1994 год формально можно считать годом рождения IPv6, хотя процесс разработки стандартов этого протокола
еще продолжается и поныне.
PIP
IP Encaps
IPAE
SIP
SIPP
Nimrod
Simple CLNP
IPng
IPv6
TUBA
CNAT
TP/IX
Начало
1992г
Весна
1992г
CATNIP
Начало
1993г
Июль
1994г
Рис. 10. Диаграмма эволюции протокола IPv6
87
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
К настоящему моменту протокол IPv6 является рабочим
стандартом (Draft Standard) – остался всего один шаг до его принятия в качестве официального стандарта Интернет. Это означает, что основные спецификации [6 – 11] протокола IPv6 уже вряд
ли изменятся в процессе стандартизации. Другие спецификации
пока еще находятся либо на начальном этапе процедуры стандартизации (Proposed tandard) [12 – 32], либо в стадии разработки
[33 – 41].
Стабильность спецификаций создает все необходимые условия для появления IPv6 продуктов на рынке [42]:
• Sun, Compaq (Digital), IBM, SCO включили поддержку IPv6 в
новых версиях своих операционных систем (ОС).
• Microsoft: стандартный пакет Windows 2000 не будет поддерживать IPv6, но на рынке существует несколько пакетов,
которые позволяют осуществить поддержку IPv6 под
Win9x/NT/Win2000.
• Проект KAME [50], посвященный внедрению стека IPv6 в
BSD-подобные ОС. В рамках этого проекта уже разработаны
модификации BSD-подобных ОС, позволяющие поддерживать
стек протокола IPv6.
• Ядро ОС Linux теперь также предусматривает поддержку IPv6.
• Маршрутизаторы: Telebit (Ericsson), BayRS (Nortel),
GR2000 и NR60 (Hitachi) уже сейчас поддерживают протокол
IPv6.
• Крупнейший производитель маршрутизаторов – Cisco Systems – планирует включить поддержку IPv6, только начиная с
версии 12.1(5)T своей сетевой операционной системы (IOS).
Имеющиеся сейчас экспериментальные версии IOS содержат
слишком много ошибок, чтобы их можно было использовать в
штатном режиме на сети оператора.
Ускорению развертывания сервисов IPv6 способствовало
также принятое в июле 1999 года решение начать распределение
адресного пространства IPv6. По состоянию на конец февраля
2000 года по всему миру было выделено всего не более двух десятков блоков адресов IPv6 (из них 11 – в Европе, в том числе
один – для российской сети FREEnet).
88
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Конечно, нельзя ожидать, что после принятия стандарта для
протокола IPv6 протокол IPv4 мгновенно исчезнет. В сети, насчитывающей миллионы устройств и сотни миллионов пользователей, невозможно назначить «час X», когда вся сеть мгновенно
перейдет с одного протокола на другой. Этот процесс не будет
быстрым. «Переход займет, как минимум, 15 лет, если началом
его считать 1994 год», – считает Брайан Карпентер (Brian
Carpenter), председатель IAB и директор программы по стандартам и технологиям для сети Интернет в компании IBM.
С другой стороны, важнейшим мотивом, побудившим начать
разработку нового протокола, был и остается недостаток адресного пространства IPv4. Так когда же адресное пространство IPv4
полностью иссякнет? По этому вопросу нет полного единодушия
среди экспертов. В 1996 году Американская регистрационная
служба Интернет (ARIN – American Registry for Internet Number)
объявила, что распределено все адресное пространство сетей
класса A, 62% адресов сетей класса B и 37% адресов сетей класса
C. Принимая во внимание современные тенденции в области распределения адресного пространства, два ведущих эксперта рабочей группы IETF по оценке времени, оставшегося до окончательного истощения адресного пространства (Address Lifetime
Expectations working group), делают следующие прогнозы [43]:
один считает, что адресное пространство IPv4 будет полностью
исчерпано в 2008, а другой – в 2018 году. Сопоставляя эти цифры
с оценками длительности переходного периода, мы приходим к
выводу, что откладывать начало перехода к IPv6 недопустимо,
иначе есть риск столкнуться с нехваткой адресов раньше, чем завершится переход на IPv6.
3.2.2. Опыт практического использования
протокола IPv6
Важнейшую роль в разработке и внедрении протокола IPv6
помимо рабочих групп IETF сыграли и продолжают играть несколько международных организаций:
• 6BONE [44]. С 1996 года сеть 6bone используется для обкатки протокола IPv6. Появившись как экспериментальная площадка рабочей группы IETF 6bone превратилась в добровольное
89
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
объединение сетей Северной Америки, Европы и Японии, которое
накапливает опыт работы с IPv6 и координирует свою активность с соответствующими комитетами IETF. По состоянию
на 22 февраля 2000 года 6bone охватывает 525 сетей в 42 странах. Российскую часть 6bone представляют: Институт ядерных исследований РАН (Москва), Институт системного программирования РАН (Москва), Ярославский государственный
университет (Ярославль), Уральская государственная академия
железнодорожного транспорта (Екатеринбург), Научнотехнический центр «Атлас» (Рязань).
• 6REN [45]. Координационная инициатива исследовательских и академических сетей, которые предоставляют высококачественный транзитный сервис IPv6 в штатном режиме. Все
участники 6REN имеют право бесплатно подключиться по IPv6
к узлу обмена данными 6TAP [46] в Чикаго (США). В отличие от
сети 6bone, которая широко использует туннелирование IPv6
поверх IPv4, в 6TAP туннели не используются: подключения к
6TAP осуществляются по технологии IPv6 поверх АТМ.
• IPv6 Форум [47]. Мировой консорциум ведущих поставщиков сетевого оборудования, академических и исследовательских
сетей. Цель форума состоит в том, чтобы осуществлять продвижение протокола IPv6 путем создания и информирования
рынка, доведения IPv6 до конечного пользователя и в конечном
итоге создания высококачественного и безопасного Интернет
нового поколения. IPv6 форум предоставляет всем заинтересованным людям и организациям доступ к знаниям и технологии
глобальных сетей нового поколения. По состоянию на 17.02.2000
IPv6 Форум объединял 78 организаций: 29 – из Северной Америки,
36 – из Европы и 13 – из Азиатско-Тихоокеанского региона.
02.08.1999 в России создан национальный IPv6 Форум [48], являющийся официальным российским представительством международного IPv6 Форума. Российский IPv6 форум поддерживается специалистами Центра Интернет Ярославского государственного университета им. П.Г. Демидова и центром
управления Российской академической сети FREEnet. В дополнение к общим задачам, решаемым международным IPv6 форумом,
Российский IPv6 форум решает задачу создания русскоязычного
сообщества пользователей и поставщиков решений и сервиса
90
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
IPv6. На сервере форума можно найти большое количество информации по IPv6, а также множество полезных ссылок на ресурсы по данной тематике.
В Японии протокол IPv6 исследуется в рамках проекта
WIDE [49]. Цель исследований, проводимых в рамках этого проекта, его инициаторы формулируют предельно кратко: «создание
широкомасштабной среды для распределенных вычислений».
Само название проекта расшифровывается как «Широко интегрированная распределенная среда» (Widely Integrated Distributed
Environment).
Другой японский проект – KAME [50] – внес и продолжает
вносить большой вклад в разработку программного обеспечения
(ПО) для протокола нового поколения. Это совместный проект
семи японских компаний. Его цель: разработка свободно распространяемого ПО для протоколов IPv6 и IPsec под BSD-подобные
операционные системы (FreeBSD, NetBSD, OpenBSD, BSDI).
Помимо исследовательских проектов, некоторые компании
уже приступили к реализации коммерческих проектов, связанных
с внедрением IPv6. К примеру, некоторые крупные операторы
объявили о предоставлении коммерческого сервиса по протоколу
IPv6:
• NTT (Япония)
• IIJ (Япония)
MCI WorldCom (США)
• Trumpet (Австралия).
Хотя таких операторов пока немного, но их количество продолжает расти. Nokia и Cernet (китайская сеть для научных исследований и образования, объединяющая 600 университетов и
имеющая 2,1 млн. пользователей) начали сотрудничество по разработке в Китае интернет-технологий с использованием протокола IPv6 [51]. В рамках этого сотрудничества создана совместная
лаборатория в Пекине. Партнеры намерены создать по всей стране сеть, соединяющую университеты, с использованием IPмаршрутизаторов и программного обеспечения Nokia.
NATO объявило еще в 1999 году о своем принципиальном
решении перевести свою сеть на протокол IPv6.
91
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Военно-морской флот Германии уже использует для своих
целей ПО с обеспечением гарантированного качества сервиса
(QoS) на основе протокола IPv6.
Европейский филиал японской компании NTT Communications объявил [52] о начале коммерческих испытаний протокола
IPv6, соединив свою европейскую сеть с японской, где аналогичные испытания уже начаты. Для приобретения необходимого
опыта компания намерена заключить партнерские соглашения с
провайдерами услуг и контента. В настоящее время компания
ищет партнеров, которые будут иметь бесплатный доступ в сеть в
ходе проведения испытаний. Японское отделение NTT начало
проведение испытаний в ноябре 1999 года, а американское – в
апреле 2000-го. Компания утверждает, что она создаст первую в
мире сеть, использующую новую версию IP-протокола.
Практически ежедневно поступают сообщения, свидетельствующие о том, что освоение протокола IPv6 набирает темп.
3.3. Спецификации протокола IPv6
3.3.1. Архитектура адресации в IPv6
По сравнению с IPv4 в IPv6 длина IP-адреса увеличена сразу
в четыре раза – до 16 октетов (128 битов). Это, помимо прочих
положительных сторон, позволит устранить одну из главных
причин использования неуникальных адресов в Интернет, а
именно их недостаточность. Количество уникальных IPv6-адресов составляет примерно 3.4⋅10 [38]. Если бы каждому жителю
Земли выделили количество адресов IPv6, соответствующее теоретической емкости всего IPv4 Интернета, то и тогда адресное
пространство IPv6 осталось бы практически неиспользованным.
Стандартом [6]определено три типа адресов:
• Индивидуальный (Unicast) – адрес отдельного интерфейса. Пакет, отправленный по индивидуальному адресу, доставляется на интерфейс, идентифицируемый этим адресом.
• Произвольный (Anycast) – адрес набора интерфейсов,
обычно относящихся к различным узлам. Пакет, направленный
по «произвольному» адресу, доставляется на один из интерфей92
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
сов, идентифицированных этим адресом (на «ближайший» согласно метрике протокола маршрутизации).
• Групповой (Multicast) – адрес набора интерфейсов, обычно
относящихся к различным узлам. Пакет, посланный по групповому адресу, доставляется на все интерфейсы, идентифицированные этим адресом.
В IPv6 отсутствуют широковещательные адреса (broadcast).
Вместо них используются групповые адреса.
Поля в адресах имеют наименования. Если это наименование
используется вместе с термином “ID” после него (например,
“interface ID”), оно указывает на содержимое поименованного
поля. Если же оно используется с термином “prefix” (например,
“subnet prefix”), то обозначает ту часть адреса, которая состоит из
всех старших разрядов вплоть до поименованного поля включительно.
В IPv6 разрешены поля, состоящие из одних нулей или одних
единиц, если специально не оговорено иное. В частности, префиксы могут содержать поля из значимых нулей или заканчиваться нулями.
Адреса IPv6 используются для идентификации не узлов, а сетевых интерфейсов и наборов интерфейсов. Поскольку каждый
интерфейс относится к какому-нибудь узлу сети, любой из индивидуальных адресов интерфейсов данного узла может использоваться в качестве адреса данного узла.
Каждый интерфейс должен иметь, по меньшей мере, один
индивидуальный адрес. Одному интерфейсу может быть присвоено несколько адресов IPv6 любого из трех перечисленных
типов.
Индивидуальный адрес или набор индивидуальных адресов
может быть присвоен нескольким физическим интерфейсам, если
реализация трактует эти несколько физических интерфейсов как
один логический интерфейс при его представлении на уровне IP.
Это полезно для распределения нагрузки по нескольким физическим интерфейсам.
Как и в IPv4 , в IPv6 префикс подсети связан с одним каналом. Однако одному каналу может быть присвоено несколько
префиксов.
93
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Приняты три формы представления адресов IPv6 в текстовом
виде:
1. Предпочтительная форма x:x:x:x:x:x:x:x, где знаки “x” –
шестнадцатеричные значения восьми 16-битовых частей адреса.
Нет необходимости писать ведущие нули в каждом отдельном
поле, однако в каждом поле должна быть, по меньшей мере, одна
цифра.
Примеры:
3FFE:2403:0:0:280:C8FF:FE4B:F7A8
FF01:0:0:0:0:0:0:101
0:0:0:0:0:0:0:1
0:0:0:0:0:0:0:0
2. Для облегчения записи адресов, содержащих длинные последовательности нулевых битов, принят специальный синтаксис
для сжатия нулей. Обозначение “::” указывает на наличие нескольких 16-битовых групп нулей. Это обозначение может присутствовать в адресе только один раз. Оно может использоваться
также для сжатия ведущих и/или концевых нулей в адресе.
Примеры:
3FFE:2403::280:C8FF:FE4B:F7A8
FF01::101
::1
::
3. Альтернативной формой, которая иногда более удобна при
работе в смешанной среде узлов IPv4 и IPv6, является
x:x:x:x:x:x:d.d.d.d, где знаки “x”- шестнадцатеричные значения
шести старших 16-битовых частей адреса, а “d” – десятичные
значения четырех младших октетов адреса (стандартное представление IPv4).
Примеры:
0:0:0:0:0:0:13.1.68.3
0:0:0:0:0:FFFF:129.144.52.38
или в сжатой форме:
::13.1.68.3
::FFFF:129.144.52.38
94
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Текстовое представление префиксов адреса IPv6 такое же,
как и в IPv4, и записывается в нотации: ipv6-address/prefixlength,
где ipv6-address – адрес IPv6 в любой из перечисленных выше нотаций;
prefix-length – десятичное значение, определяющее число левых (старших) непрерывно следующих битов адреса, образующих префикс.
В IPv6 тип адреса и характер его использования определяются значением старших битов адреса. Поле переменной длины, состоящее из этих начальных битов, называется «префикс формата»
(Format Prefix, сокращенно – FP). На настоящий момент стандартом определены следующие значения FP (табл. 14).
Значение FP задает структуру оставшейся части адреса: наличие определенных полей, их формат и назначение [6, 7, 26, 35].
К примеру, агрегируемый глобальный индивидуальный адрес
имеет следующую структуру [53]:
3
FP
13
TLA
ID
13
SubTLA
6
Res.
13
NLA ID
16
SLA ID
Site topology
Public topology
64
Interface ID
Host portion
Рис. 11. Структура агрегируемого глобального
индивидуального адреса
Не вдаваясь в детали, заметим лишь, что такая структура адреса позволяет, в частности, реализовать схему иерархической
маршрутизации. Эта схема призвана положить предел неограниченному росту таблиц маршрутизации (см. раздел 3.3.3).
Все вышеизложенное свидетельствует, что архитектура адресации в IPv6 существенно отличается от адресации в IPv4. Однако отличия между двумя версиями протокола IP не сводятся
только к различиям в размере и структуре используемых адресов.
Другие части протокола также были существенно модифицированы. В частности, сама структура пакета IPv6 была сильно оптимизирована.
95
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Таблица 14
Префиксы формата [6]
Двоичное значение
префикса формата
(FP)
0000 0000
0000 0001
0000 001
0000 010
0000 011
0000 1
0001
001
010
011
100
101
110
1110
1111 0
1111 10
1111 110
1111 1110 0
1111 1110 10
1111 1110 11
1111 1111
Назначение
Зарезервирован
Назначение не определено
Зарезервирован для NSAP
Зарезервирован для IPX
Назначение не определено
Назначение не определено
Назначение не определено
Агрегируемые глобальные индивидуальные адреса
Назначение не определено
Назначение не определено
Назначение не определено
Назначение не определено
Назначение не определено
Назначение не определено
Назначение не определено
Назначение не определено
Назначение не определено
Назначение не определено
Локальные для канала (LinkLocal) индивидуальные адреса
Локальные для сайта (SiteLocal) индивидуальные адреса
Групповые адреса
Доля адресного
пространства
1/256
1/256
1/128
1/128
1/128
1/32
1/16
1/8
1/8
1/8
1/8
1/8
1/8
1/16
1/32
1/64
1/128
1/512
1/1024
1/1024
1/256
3.3.2. Структура пакета IPv6
Пакет IPv6 (см. рис. 12) по сравнению с пакетом IPv4 имеет
более простое строение:
• Заголовок пакета имеет фиксированную длину – 40 байт.
Дополнительные заголовки, которые могут содержаться в пакете IPv6, организованы (в отличие от опций заголовка IPv4) гораздо строже:
96
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
1) порядок следования различных дополнительных заголовков (если их несколько) строго определен;
2) заголовок заданного типа может войти в состав пакета
только один раз (единственным исключением из этого правила
является заголовок типа “Destination Options header”, который
может встретиться дважды);
Рис. 12. Формат пакета IPv6
3) заголовки обрабатываются строго в той последовательности, в каком порядке они следуют друг за другом внутри пакета
IPv6;
4) дополнительные заголовки, за исключением заголовка
“Hop-by-Hop Options header”, не обрабатываются промежуточными узлами сети;
5) первые два байта каждого дополнительного заголовка позволяют определить тип и местонахождение следующего заголовка. Таким образом, узел может заранее решить, нужно ли переходить к обработке следующего дополнительного заголовка
или прекратить обработку заголовков.
97
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
• Заголовок пакета не содержит контрольной суммы (канальный уровень заботится о генерации и проверке контрольных
сумм).
• В IPv6 отсутствует возможность фрагментации «слишком больших» пакетов промежуточными узлами. Оконечные
устройства должны использовать механизм определения максимального размера пакета (Path MTU discovery) при взаимодействии друг с другом и при необходимости выполнять фрагментацию пакетов.
Вышеуказанные особенности строения пакета IPv6 позволяют удешевить и ускорить обработку IPv6-пакетов в промежуточных узлах сети. С другой стороны, они позволяют сильно ослабить ограничения на размер той части пакета, которая может
быть отведена для реализации дополнительных опций. Кроме того, строение пакета IPv6 обладает большой гибкостью и позволяет легко добавлять новые опции в будущем.
Пакет IPv6 содержит следующие поля:
• Version (ver, 4 бита) – номер версии протокола IP. Это поле в случае протокола IPv6 имеет значение «6».
• Traffic Class (pri, 8 битов) – класс обслуживания. Это поле
может использоваться источником трафика и/или промежуточными маршрутизаторами для обеспечения дифференцированного качества обслуживания пакетов.
• Flow Label (20 битов) – идентификатор потока. Это поле
может использоваться источником трафика для выделения из
общей массы определенной последовательности пакетов (потока). Для каждого из потоков источник может запросить определенный уровень качества обслуживания, отличный от уровня
обслуживания, предоставляемого по умолчанию, а также отличный от уровня обслуживания других потоков.
• Payload Lenght (payload len, 16 битов) – размер «полезной»
части пакета. Это поле содержит беззнаковое целое число, равное количеству октетов, содержащихся в той части пакета
IPv6, которая следует сразу за 40-байтовым заголовком.
98
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
• Next Header (next hdr, 8 битов) – указатель следующего заголовка. Это поле определяет тип дополнительного заголовка,
следующего сразу за заголовком IPv6.
• Hop Limit (8 битов) – максимальное количество промежуточных узлов. Это поле содержит беззнаковое целое число, которое уменьшается на единицу каждым промежуточным узлом,
через который проходит данный пакет. Как только поле становится равным нулю, пакет отбрасывается.
• Source Address (128 битов) и Destination Address (128 битов) – адрес источника и адрес назначения соответственно.
Эти поля содержат адреса IPv6, структура которых рассматривается выше более подробно.
• Payload (data) – «полезные» данные. Эта часть пакета
IPv6 содержит те данные, которые после доставки пакета по
назначению извлекаются и передаются для обработки соответствующему протоколу верхнего уровня.
В заключение отметим, что стандартом IPv6 предусмотрено,
чтобы все типы каналов связи передавали, не требуя фрагментации на сетевом уровне, IPv6 пакеты размером вплоть до 1280
байт.
3.3.3. Особенности маршрутизации IPv6
Дробление адресного пространства на небольшие блоки ведет к тому, что узловые маршрутизаторы Интернет должны содержать в своей памяти слишком большие таблицы маршрутизации (рис. 13).
Помимо существенных требований к объему памяти это
сильно замедляет поиск в таблицах и соответственно быстродействие маршрутизаторов вплоть до полного нарушения работы.
Как уже отмечалось выше, сама структура агрегируемого
глобального индивидуального адреса в IPv6 специально разработана так, чтобы обеспечить агрегирование маршрутов. В IPv6
поддерживаются два типа агрегирования [7]: «операторский»
(provider based) и «узловой» (exchange-based). Это делает возможным эффективное агрегирование маршрутов, как тех потребителей, что подключаются к узлу доступа определенного оператора, так и тех, сети которых подключены непосредственно к
99
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
публичному узлу обмена данными. Потребитель свободен в выборе типа подключения своей сети.
Рис. 13. Количество маршрутов IPv4 в 1988 – 2000 гг. [54]
Агрегируемые адреса образуют трехуровневую иерархическую структуру:
• уровень сети общего пользования (Public Topology);
• уровень сети потребителя (Site Topology);
• уровень идентификатора интерфейса (Interface Identifier).
Уровень сети общего пользования охватывает набор операторов и узлов обмена данными, которые на общих основаниях
предоставляют услугу транзита в Интернет (public Internet transit
services). Уровень сети потребителя соответствует конкретному
сайту или организации, которая не предоставляет услуги транзита
для узлов, расположенных вне этого сайта. Уровень идентификатора интерфейса описывает отдельные интерфейсы, подключенные к определенному каналу связи.
100
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Потребители, подключенные непосредственно к узлу доступа
определенного оператора, получают адресное пространство из
блока адресов этого оператора. Этот тип агрегирования – «операторский» – давно применяется в IPv4 CIDR.
Те же потребители, которые выбрали подключение к публичному узлу обмена данными, получают адресное пространство
из блока адресов этого узла и используют новый тип агрегирования – «узловой». Такие потребители подписываются (прямо или
косвенно, через договор с узлом обмена) на получение услуги
транзита от одного или более операторов Интернет, присутствующих на данном узле. В этом случае потребитель не связан
своими адресами с определенным оператором и может отказаться
от услуг одного оператора в пользу другого, не меняя адресов в
своей сети. Кроме того, как уже отмечалось, при таком подключении потребитель (multihomed site) может пользоваться услугами сразу нескольких операторов.
Прежде чем уточнить механизм агрегирования префиксов на
каждом уровне иерархии (см. выше), дадим расшифровку сокращений, используемых для описания структуры агрегируемого адреса (см. рис. 11):
FP
TLA ID
Sub-TLA
RES.
NLA ID
SLA ID
Interface ID
Префикс формата (001)
Идентификатор агрегата верхнего уровня (Top-Level
Aggregation Identifier)
Идентификатор подагрегата верхнего уровня
Зарезервировано
Идентификатор агрегата следующего уровня (Next-Level
Aggregation Identifier)
Идентификатор агрегата уровня сайта
(Site-Level Aggregation Identifier)
Идентификатор интерфейса
Идентификаторы (под)агрегата верхнего уровня занимают
верхнюю ступень в иерархии маршрутов. Маршрутизаторы, не
использующие «маршрут по умолчанию», обязаны содержать в
своей таблице маршрутизации записи, отвечающие каждому TLA
ID, и, возможно, еще записи, соответствующие более специфичным маршрутам внутри того TLA ID, к которому относится данный маршрутизатор. Таблица маршрутизации может содержать
101
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
некоторое количество дополнительных записей в целях оптимизации маршрутизации для данной конкретной топологии [39], но
при планировании сети следует стремиться к тому, чтобы свести
количество таких записей к минимуму.
Идентификаторы агрегата следующего уровня используются
операторами и организациями, которым был выделен TLA ID для
создания иерархии адресов внутри данного TLA ID.
Идентификаторы агрегата уровня сайта используются потребителем для создания локальной иерархии адресов и идентификации подсетей в пределах конкретного сайта. Информация о
маршрутах уровня SLA локальна для данного конкретного сайта
и никогда не попадает на маршрутизаторы сети общего пользования.
Идентификаторы интерфейсов используются для адресации
конкретных интерфейсов в масштабах данного конкретного канала связи (или ЛВС). Идентификатор интерфейса должен быть
уникальным в пределах данного канала связи. Согласно требованиям стандарта, этот идентификатор должен иметь длину 64 бита
и формат, соответствующий IEEE EUI-64 [55].
Вкратце правило агрегирования таково: на каждом уровне,
кроме самого верхнего, присутствуют только маршруты, локальные для данного уровня, и «маршрут по умолчанию». На самом
верхнем уровне таблица содержит TLA-маршруты, соответствующие всем «чужим» активным TLA и NLA-маршруты, локальные для «домашнего» TLA. Таким образом, в IPv6 появляется
возможность избежать того катастрофического роста таблицы
маршрутов, который мы наблюдаем в IPv4-сетях.
3.3.4. Механизмы автоконфигурации хостов IPv6
Вопрос автоконфигурации уже затрагивался нами выше, поэтому здесь мы позволим себе быть предельно лаконичными.
Обобщая сведения, изложенные ранее, мы получим следующую
схему, описывающую основные типы автоконфигурации, предусмотренные протоколом IPv6:
• Автоконфигурация без фиксации состояния
 Автоматически присваивает IPv6 адрес (Stateless Address
Autoconfiguration)
102
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
 Сконструировать предполагаемый адрес, локальный для
канала (link-local address)
 Убедиться (в масштабах канала связи) в уникальности этого
адреса
 Присвоить адрес интерфейсу
 Находит маршрутизатор
 Запросить маршрутизатор о префиксах, действующих на
данном канале связи
 Сконфигурировать глобальный адрес на интерфейсе
 Устанавливает маршруты
• Автоконфигурация с фиксацией состояния
 Использует протокол DHCPv6
3.3.5. Механизмы обеспечения
«качества обслуживания» (QoS)
В заголовке пакета IPv6 появилось новое (по сравнению с
IPv4) поле – «идентификатор потока», которое в совокупности с
другим полем заголовка – «класс обслуживания» – дает возможность поддержки разных уровней качества обслуживания.
3.3.6. Механизмы защиты информации
и обеспечения сетевой безопасности
В отличие от IPv4 стандарт протокола IPv6 требует обязательной поддержки протокола IPsec. Различают три основных
компонента IPsec-протокола [56 – 58].
• Аутентификационный заголовок (AH – Authentication
Header) проверяет идентичность отправителя пакета и аутентичность содержимого (contents) пакета.
• Инкапсулирующий защитный модуль (ESP – Encapsulating
Security Payload) шифрует пакет перед его отправкой; модуль
ESP может также инкапсулировать исходный IP-пакет.
• Блок обмена ключами в сети Internet (IKE – Internet Key
Exchange) управляет передачей ключей безопасности от отправителя к получателю. (IKE был ранее известен под названием
протокол ISAKMP/Oakley – Internet security association and key
management protocol/Oakley – протокол [разработанный универ103
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
ситетом в Оукли] управления ключами для защиты соединений в
сети Internet.)
Аутентификационный заголовок (AH) и модуль ESP могут
применяться с различными схемами аутентификации и шифрования, некоторые из которых должны применяться в обязательном
порядке. Например, стандарт IPsec определяет, что пакеты должны аутентифицироваться либо с помощью профиля сообщения
MD5 (Message Digest 5), разработанного фирмой RSA Data
Security Inc. (Сан-Матео, Калифорния), либо с помощью алгоритма защитного хеширования SHA-1 (Secure Hashing Algorithm1), который разработан Агентством Национальной Безопасности
США (NSA – National Security Agency).
Поставщики могут свободно применять дополнительные алгоритмы аутентификации и шифрования.
3.4. Основные способы
сопряжения участков сетей IPv4 и IPv6
во время переходного периода
Как уже отмечалось выше, протоколу IPv6 придется длительное время взаимодействовать с IPv4 и на первом этапе даже
существовать в его среде [59]. IPv6, к счастью, не создает ограничений, связанных с жестким порядком действий в переходный
период: администраторы сетей могут модернизировать свои хостмашины, а затем маршрутизаторы либо наоборот, сначала – маршрутизаторы, а потом – хост-машины. Они даже могут модернизировать лишь часть хост-машин и часть маршрутизаторов, отложив остальное на будущее.
Каждый маршрутизатор, поддерживающий оба протокола –
IPv4 и IPv6, не нарушает связность между IPv4-узлами, которые
он обслуживает. Хост-машина, которая поддерживает оба стека
протокола IP, также не утрачивает связность с другими узлами
сети. Создание в сети «островков», поддерживающих только
IPv6, также не ухудшает связность, если на границах этих «островков» установлены устройства, поддерживающие обе версии
протокола IP.
104
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Порядок модернизации узлов влияет только на способ возможного взаимодействия этих узлов друг с другом. Существуют
три метода организации такого взаимодействия:
• трансляторы протоколов,
• двухпротокольные стеки (dual stacks),
• туннелирование (tunnels).
Метод трансляции протоколов состоит в преобразовании по
определенным правилам пакетов IPv6 в пакеты IPv4 и обратно. В
настоящее время применяются три механизма трансляции протоколов. Один из них – преобразование заголовков, в котором IPзаголовки транслируются из одной версии в другую протоколшлюзом (protocol gateway device). Все шлюзы для трансляции
протоколов размещены на границах между сетями IPv4 и IPv6.
Другой механизм трансляции протокола предполагает использование транспортного ретранслятора: протокол-шлюз принимает сегменты TCP и дейтаграммы UDP от исходного узла и
воссоздает TCP- и UDP-трафик, передаваемый узлу назначения.
Другими словами, такой шлюз не просто исследует и переводит
IP-заголовки, но также обрабатывает заголовки протокола транспортного уровня, чтобы заставить их «работать» на соответствующей версии IP-протокола.
Третий механизм представляет собой proxy-приложение. В
этом случае транслятор является шлюзом между сетями IPv4 и
IPv6 на прикладном уровне.
Строение пакета IPv6, однако, слишком сильно отличается от
устройства пакета IPv4, чтобы можно было сделать преобразование одного в другой без утраты некоторых важных свойств протокола IPv6. Одна из проблем связана с преобразованием адресов
IPv6 в адреса IPv4. Другая сложность состоит в том, что протокол
IPv4 уничтожает или изменяет половину IPv6 заголовков (например, в IPv4 отсутствует аналог идентификатора потока – “flow
label”). В результате при трансляции утрачиваются многие из тех
функций протокола IPv6, которые выгодно отличают его от IPv4.
Кроме того, IPv6 снимает поддержку фрагментации IPv4-пакетов
при их передаче.
Второй подход состоит в том, что IPv6-узлы должны поддерживать оба стека протокола IP – и IPv4, и IPv6 – в полном
объеме. Узел сам выбирает, какой протокол использовать в каж105
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
дом конкретном случае: IPv6 может использоваться только в том
случае, если удаленный узел также поддерживает IPv6. Признаком того, что удаленный узел поддерживает новую версию протокола IP, служит наличие в DNS [12] специальной записи
(AAAA), ассоциированной с данным узлом. Двухпротокольный
подход может реализовываться и сам по себе, и в комбинации с
третьим из перечисленных подходов – туннелированием.
На первом этапе, пока большая часть Интернета работает по
протоколу IPv4, реализация связности по протоколу IPv6 будет
осуществляться методом туннелирования. Такое туннелирование
достигается путем инкапсуляции IPv6-пакета внутри пакета IPv4.
Передача информации при этом осуществляется следующим образом: IPv6-узел создает IPv6-пакеты, которые инкапсулируются
в пакеты IPv4 и передаются через IPv4-сеть. Узел на другом конце туннеля разворачивает IPv4-пакет, извлекает IPv6-пакет и затем передает его в узел назначения (см. рис. 15).
Рис. 15. Схема туннеля «IPv6 поверх IPv4»
106
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Существуют туннели разных типов, причем тип используемого туннеля зависит от того, какое устройство производит инкапсуляцию и декапсуляцию пакетов. Туннели «маршрутизатормаршрутизатор» могут использоваться для связывания двух
«чистых» IPv6-сетей, разделенных IPv4-сетью. Туннели «хостмаршрутизатор» позволяют изолированным двухпротокольным
хост-машинам преодолевать участки IPv4-сети, связываясь с
IPv6-сетями через двухпротокольный IP-маршрутизатор. Туннели
«маршрутизатор-хост» связывают изолированные двухпротокольные узлы c IPv6-сетями, тогда как туннели «хост-хост» позволяют изолированным двухпротокольным узлам взаимодействовать по протоколу IPv6 через IPv4-сети.
Может различаться и порядок определения конечных пунктов туннелей. IPv6-туннели могут конфигурироваться вручную,
автоматически или путем многоадресной (групповой) передачи
сквозь IPv4-сети [27]. В каждом сконфигурированном вручную
туннеле конечный пункт определяется независимо от пункта назначения IPv6-пакета. Это обычно означает, что кто-нибудь должен конфигурировать систему, занимающуюся инкапсуляцией
данных в протокол IPv4, таким образом, чтобы был указан пункт
назначения получающихся IPv4-пакетов. Автоматические туннели создаются, когда IPv6-пакет использует IPv4-совместимый адрес и адресован двухпротокольному узлу. Автоматическое туннелирование распространяет всю таблицу IPv4-маршрутизации
внутри инфраструктуры IPv6-маршрутизации и не помогает решить проблему истощения резерва IPv4-адресов.
Многоадресная туннельная передача по протоколу IPv4 возможна только в пределах той инфраструктуры IPv4-сети, которая
поддерживает многоадресную передачу. Узел, инкапсулирующий
IPv6-пакет в IPv4-пакет, определяет конечную точку туннеля путем использования многоадресной передачи по протоколу IPv4
для «обнаружения соседа» (neighbor discovery). Этот механизм позволяет IPv6-узлу «обнаружить» другие узлы, относящиеся к тому
же каналу связи, определить их адреса на уровне канала связи,
найти маршрутизаторы, а также поддерживать информацию о
маршрутах к активным соседним узлам. Данный вариант позволяет не конфигурировать туннель и не использовать IPv4-сов107
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
местимые адреса, но, к сожалению, многие операторы Интернет
еще не поддерживают маршрутизацию многоадресных пакетов.
Конечно, наличие большого количества туннелей не способствует повышению производительности сети и улучшению
управляемости всей системы. К счастью, по мере роста IPv6инфраструктуры количество туннелей будет сокращаться, так как
останутся лишь отдельные скопления (так называемые облака)
«чистых» IPv4-сетей. Если же учесть, что протокол IPv6 в сравнении с IPv4 является более эффективным, то окажется, что снижением производительности при туннельной передаче можно
пренебречь.
3.5. Литература
1. S. King, R. Fax, D. Haskin, W. Ling, T. Meehan, R. Fink, C. E. Perkins.
The Case for IPv6. Internet Draft, Internet Architecture Board, draft-ietf-iabcase-for-ipv6-06.txt, December 1999.
2. http://www.isc.org/ds/host-count-history.html
3. «Сети и системы связи», №2(52), 2000, стр. 23.
4. «Сетевой журнал Data Communications», №1, 2000, стр. 63.
5. S. Bradner, A. Mankin, "The Recommendations for the IP Next Generation Protocol", RFC 1752, Jan. 1995.
6. R. Hinden, S. Deering, “IP Version 6 Addressing Architecture”, RFC
2373, July 1998.
7. R. Hinden, M. O’Dell, S. Deering, “An IPv6 Aggregatable Global Unicast Address Format”, RFC 2374, July 1998.
8. S. Deering, R. Hinden, “Internet Protocol, Version 6 (IPv6) Specification”, RFC 2460, Dec. 1998.
9. T. Narten, E. Nordmark, W. Simpson, “Neighbor Discovery for IP Version 6 (IPv6)”, RFC 2461, Dec. 1998.
10. S. Thomson, T. Narten, “IPv6 Stateless Address Autoconfiguration”,
RFC 2462, Dec. 1998.
11. A. Conta, S. Deering, “Internet Control Message Protocol (ICMPv6)
for the Internet Protocol Version 6 (IPv6) Specification”, RFC 2463, Dec. 1998.
12. S. Thomson, C. Huitema, “DNS Extensions to support IP version 6”,
RFC 1886, Dec. 1995.
13. Y. Rekhter, T. Li, “An Architecture for IPv6 Unicast Address Allocation”, RFC 1887, Dec. 1995.
14. J. McCann, S. Deering, J. Mogul, “Path MTU Discovery for IP version 6”, RFC 1981, August 1996.
15. D. Haskin, E. Allen, “IP Version 6 over PPP”, RFC 2472, December
1998.
108
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
16. G. Malkin, R. Minnear, “RIPng for IPv6”, RFC 2080, January 1997
17. M. Daniele, “IP Version 6 Management Information Base for the
Transmission Control Protocol”, RFC 2452, December 1998
18. M. Daniele, “IP Version 6 Management Information Base for the User
Datagram Protocol”, RFC 2454, December 1998
19. M. Crawford, “Transmission of IPv6 Packets over Ethernet Networks”,
RFC 2464, December 1998
20. D. Haskin, S. Onishi, “Management Information Base for IP Version 6:
Textual Conventions and General Group”, RFC 2465, December 1998
21. D. Haskin, S. Onishi, “Management Information Base for IP Version 6:
ICMPv6 Group”, RFC 2466, December 1998
22. M. Crawford, “Transmission of IPv6 Packets over FDDI Networks”,
RFC 2467, December 1998
23. M. Crawford, T. Narten, S. Thomas, “Transmission of IPv6 Packets
over Token Ring Networks”, RFC 2470, December 1998
24. A. Conta, S. Deering, “Generic Packet Tunneling in IPv6 Specification”, RFC 2473, December 1998
25. M. Degermark, B. Nordgren, S. Pink, “IP Header Compression”, RFC
2507, February 1999
26. D. Johnson, S. Deering, “Reserved IPv6 Subnet Anycast Addresses”,
RFC 2526, March 1999
27. B. Carpenter, C. Jung, “Transmission of IPv6 over IPv4 Domains without Explicit Tunnels”, RFC 2529, March 1999
28. P. Marques, F. Dupont, “Use of BGP-4 Multiprotocol Extensions for
IPv6 Inter-Domain Routing Use of BGP-4 Multiprotocol Extensions for IPv6 Inter-Domain Routing”, RFC 2545, March 1999
29. A. Conta, A. Malis, M. Mueller, “Transmission of IPv6 Packets over
Frame Relay Networks Specification”, RFC 2590, March 1999
30. D. Borman, S. Deering, R. Hinden, “IPv6 Jumbograms”, RFC 2675,
August 1999
31. S. Deering, W. Fenner, B. Haberman, “Multicast Listener Discovery
(MLD) for IPv6”, RFC 2710, October 1999
32. C. Partridge, A. Jackson, “IPv6 Router Alert Option”, RFC 2711, October 1999
33. J. Bound, B. Carpenter, D. Harrington, J. Houldsworth, A. Lloyd, “OSI
NSAPs and IPv6”, RFC 1888, August 1996
34. W. Stevens, M. Thomas, “Advanced Sockets API for IPv6”, RFC 2292,
February 1998
35. R. Hinden, S. Deering, “IPv6 Multicast Address Assignments”, RFC
2375, July 1998
36. R. Hinden, “Proposed TLA and NLA Assignment Rules”, RFC 2450,
December 1998
109
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
37. R. Gilligan, S. Thomson, J. Bound, W. Stevens, “Basic Socket Interface
Extensions for IPv6”, RFC 2553, March 1999
38. M. Crawford, “Router Renumbering for IPv6”, Internet Draft, draftietf-ipngwg-router-renum-10.txt, March 2000
39. J. Yu, “IPv6 Multihoming with Route Aggregation”, Internet Draft,
draft-ietf-ipngwg-ipv6multihome-with-aggr-00.txt, November 1999
40. D. Johnson, C. Perkins, “Mobility Support in IPv6”, Internet Draft,
draft-ietf-mobileip-ipv6-09.txt, October 1999
41. R. Callon, D. Haskin, “Routing Aspects of IPv6 Transition”, RFC
2185, September 1997
42. http://www.ipv6.ru/soft/
43. F. Solensky, "IPv4 Address Lifetime Expectations," in IPng: Internet
Protocol Next Generation (S.Bradner, A. Mankin, ed), Adddison Wesley, 1996
44. http://www.6bone.net/
45. http://www.6ren.net/
46. http://www.6tap.net/
47. http://www.ipv6forum.com/
48. http://www.ipv6.ru/
49. http://www.wide.ad.jp/
50. http://www.kame.net/
51. РБК, 14.03.2000, Москва 16:45:06
52. РБК, 27.03.2000, Москва 17:59:02
53. APNIC, ARIN, RIPE NCC, “IPv6 Assignment and Allocation Policy
Document”, RIPE-196, July 1999
54. http://www.telstra.net/ops/bgptable.html
55. IEEE, “Guidelines for 64-bit Global Identifier (EUI-64) Registration
Authority”, http://standards.ieee.org/regauth/oui/tutorials/EUI64.html, January
2000
56. S. Kent, R. Atkinson, “Security Architecture for the Internet Protocol”,
RFC 2401, November 1998
57. S. Kent, R. Atkinson, “IP Authentication Header”, RFC 2402, November 1998
58. S. Kent, R. Atkinson, “IP Encapsulating Security Payload (ESP)”, RFC
2406, November 1998
110
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
4. Новое поколение
транспортных технологий
Анализ происходившей в последние годы эволюции телекоммуникационных инфраструктур позволяет выделить три основных этапа их развития или три поколения телекоммуникационных сетей.
Для первого этапа было характерно внедрение технологий,
основанных на медных витых парах или беспроводных технических решениях. При этом основной упор делался на оптимизацию
и ускорение процессов коммутации и маршрутизации на уровне
электронных устройств.
На втором этапе происходил процесс постепенной замены
проводных (медные провода) и беспроводных технологий технологиями, ориентированными на использование волоконнооптических инфраструктур. Это обусловлено тем, что пропускная
способность оптического волокна составляет около 50 Тбит/с в то
время, как максимальная производительность электронных устройств и пропускная способность витых пар, в силу физических
особенностей последних, не превосходит нескольких Гбит/с. Однако второе поколение сетей использовало только небольшую
часть пропускной способности, которая теоретически могла быть
достигнута в волоконно-оптических линиях связи (ВОЛС).
Этого недостатка лишено третье поколение сетей, к которым
следует в первую очередь отнести сети, построенные на базе технологии Wave-Length Division Multiplexing (WDM). Указанная
технология использует гораздо большую по сравнению со своими
предшественниками часть пропускной способности ВОЛС, разделяя полосу пропускания на множество отдельных каналов, на
каждом из которых электронные устройства работают с пиковой
производительностью.
Именно WDM-технология рассматривается как основная для
Интернет следующего поколения. Одновременно с этой технологией связываются надежды на решение такой актуальной задачи,
как снижение стоимости создания и эксплуатации транспортной
сети, а также ее сложности с точки зрения управления. Кроме того, формируемая на основе WDM-технологий коммуникационная
111
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
среда, как будет показано далее, в наибольшей мере удовлетворяет современным требованиям.
Требования к коммуникационной среде в первую очередь
определяются исходя из круга коммуникационных задач, для решения которых она используется. Современные коммуникационные задачи можно условно разбить на три основные категории:
Коммуникации “человек-человек” в режиме реального времени. Сюда можно отнести такие приложения, как телефония,
видеоконференции и т. д. Данные приложения чрезвычайно чувствительны к задержкам передачи данных в сети и характеризуются ограниченной возможностью буферизовать данные.
Коммуникации “человек-компьютер”. К этой категории относится наиболее популярное в настоящее время приложение
World Wide Web, а также ряд других интенсивно развивающихся
мультимедийных приложений. Для коммуникаций этой категории допустимы определенные задержки и имеется больше технических возможностей для буферизации данных.
Коммуникации “компьютер-компьютер”. Сессии этой категории происходят в тот момент, когда непосредственного участия
человека не требуется. Сюда относятся кэширование трафика,
многоадресные потоки, электронная почта всех видов и другое.
Как было показано в разделе 1, в настоящее время для решения задач всех трех категорий необходима коммуникационная
среда с высокой пропускной способностью. Не вызывает сомнения то, что в формировании физического уровня указанной высокоскоростной среды на современном этапе ключевую роль играют ВОЛС, а также то, что они сохранят свое доминирующее
положение и в обозримом будущем. Однако стоящие перед телекоммуникационной отраслью задачи могут быть полностью
решены только при условии модернизации технологий, использующихся на всех уровнях. В частности, анализ, проведенный в
разделах 1 и 3, показывает, что имеются реальные предпосылки
к превращению IP в универсальный транспортный протокол, а
также отчетливо выраженные тенденции к созданию на платформе IP новых приложений и сервисов, в том числе и потенциально способных заменить традиционные виды телекоммуникационных услуг. Примером последнего может служить, в частности, IP-телефония.
112
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
4.1. Развитие новейших
Интернет-приложений
4.1.1. Развитие IP-телефонии
Не подлежит сомнению, что какое-то время IP-телефония будет сосуществовать с традиционными телефонными сетями общего пользования. Поэтому важным является тот факт, что, благодаря введению целого ряда стандартов, стал возможен процесс
постепенного перехода от традиционной телефонной технологии
(коммутация каналов) к технологии пакетной коммутации. Эти
стандарты описывают все основные варианты телефонной сессии
в гетерогенной коммуникационной среде.
В смешанной телефонной сети возможно 5 вариантов телефонного разговора, проиллюстрированных на рисунке 16. Варианты смешанных взаимодействий обозначены цифрам 3, 4, 5.
Функция межсистемного взаимодействия (IWF) [1] требует конвертации протоколов и адаптации:
• Адаптация сигнализации включает в себя трансляцию входящих сообщений и их обработку. В основном это установка соединения и сброс.
• Управление средой включает в себя процесс идентификации, обработки и трансляции специфичных событий, инициированных пользователем или терминалом.
• Адаптация среды включает в себя адаптацию данных голоса
к каналу передачи данных транспортной сети.
Вариант № 1 предусматривает работу между двумя телефонами в стандартной телефонной сети и поэтому менее интересен
для рассмотрения.
113
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рис. 16. Возможные схемы телефонных разговоров
Вариант № 2 предусматривает работу собственно Интернеттелефонии, в которой сигнализация и кодирование сигнала производятся в конечных системах и прозрачны для всей сети. Часть
приложения реализована на основе TCP, часть – на UDP. Так, например, TCP протокол используется для каналов сигнализации,
как наиболее критичных к передаче с ошибками. Данные голоса
передаются по UDP протоколу, но требуют синхронизации в приемнике, для чего используется Real-Time протокол (RTP). Основополагающим документом для голосовых сообщений является
рекомендация H.323 ITU-T. Эта же рекомендация описывает весь
комплекс мультимедийных сессий поверх сетей пакетной коммутации. H.323 определяет три типа устройств: привратник, шлюз и
терминал. Привратник – устройство, обеспечивающее управление вызовами для терминалов. Примером такого контроля являются трансляция адресов, авторизация вызовов и т. д. Шлюз от114
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
вечает за проведение всех трансляций, необходимых для передачи голосовых данных в гибридных сетях. Терминал и его компоненты приведены на рисунке 17.
Рис. 17. Схема H.323 терминала
4.1.2. Session Initiation Protocol (SIP)
Хотя первая версия H.323 появилась более трех лет назад, а
версия 2 – около полутора лет назад, продукты с реализацией
данного протокола еще недостаточно распространены. Причиной
этому является недостаточное, в отличие, например, от случая
ATM, осознание коммуникационной индустрией сути H.323. По
мнению производителей оборудования, протокол H.323 является
слишком «избыточным», что значительно осложняет совместимость соответствующего оборудования. Поэтому в настоящее
время большинство усилий разработчиков и производителей направлено в первую очередь на «упрощение» технологии “голос
через Интернет”. Иллюстрацией этого является, например, факт
выпуска более чем 18 производителями [2] оборудования, основанного на протоколе SIP (Session Initiation Protocol – RFC 2543),
115
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
спустя всего лишь 4 недели после опубликования данного протокола IETF.
Причина «непопулярности» H.323 кроется в следующем.
H.323 развивался как продолжение стека протоколов: H.225.0 –
для инициализации, ISDN Q.931 – для сигнализации, H.245 – для
управления сессией и H.450 – для дополнительных сервисов [3].
Поскольку данный стек протоколов базируется на ISDN стандартах, то рассчитан он на применение только в соединениях “точка – точка”. Это означает, что обычные телефонные услуги, такие
как конференция, перенаправление вызова, транспорт вызова, не
могут быть реализованы без помощи внешнего устройства, такого как, например MCU (multipoint control unit), которое должно
управлять сессией. Необходимость поддерживать в таком режиме
многоточечные соединения делает затруднительным проведение
конференций с большим количеством участников. Каскадирование MCU не дает в данном случае ощутимого облегчения задачи.
Кроме того, учитывая, что MCU необходимы только для соединения “точка – много точек” или для перенаправления сервисов,
их применение в каскадном режиме значительно удорожает инфраструктуру. Применение H.323 усложняется вследствие насыщенности его различными протоколами, а процесс передачи информации превращается в 6 – 7-шаговую процедуру. В результате можно сделать заключение о том, что применение H.323
эффективно лишь в небольших организациях, где необходимы в
основном “точка – точка” сессии.
Иначе обстоит дело с уже упоминавшимся протоколом SIP,
который намного проще в установке и использовании. Установление SIP соединения сходно с установлением HTTP сессии, поскольку также основано на текстовых командах и заголовках пакетов. Конечно, начальная фаза инициализации соединения происходит медленнее, чем H.323 соединения, но в целом установка
соединения происходит за 1.5 цикла, т.е. в 4 раза быстрее, чем в
H.323. Это объясняется использованием всего одного протокола в
отличие от H.323, где применяется целый стек протоколов. Как и
в случае http, неизвестная информация в заголовках пакетов игнорируется. Все запрашиваемые сервисы устанавливаются при
помощи заголовка REQUIRE. Если запрашиваемый вид сервиса
недоступен, то идет возврат с кодом ошибки и указанием, какие
116
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
виды сервиса недоступны. В соответствии с этим пользователь
может перезаказать сервис на упрощенном уровне. В SIP реализовано только четыре заголовка (TO, FROM, CALL-ID и CSEQ) и
три типа запроса (INVITE, ACK и BYE). Поскольку принципы
SIP сходны с принципами HTTP, он может быть легко расширен
любым разработчиком. Особенностью протокола SIP является то,
что добавляемые особенности “вытесняют” предыдущие, что позволяет оставаться протоколу небольшим и простым в использовании, в отличие от H.323, где новые опции добавляются на
верхний уровень стека протоколов и делают данную спецификацию весьма значительной по объему. Еще одной важной особенностью SIP является масштабируемость. SIP серверы и шлюзы
могут находиться в стабильном и нестабильном состояниях. В
нестабильной конфигурации вызовы проходят через сервер или
шлюз и затем освобождают его, что позволяет серверу заниматься другими вызовами. Конференционные вызовы масштабируемы, потому что SIP может использовать UDP и TCP, делая конференционные вызовы такими же простыми, как мультикастная
сессия. Исходя из этой архитектуры большая конференция может
быть образована без использования каскада MCU устройств или
множества шлюзов. Еще одним важным отличием SIP от H.323
является следующее. Архитектура SIP – клиент/сервер, и она
требует уровня управления вызовами на базе сервера, который
отсутствует в модели с использованием шлюза и привратника,
применяемые в большинстве H.323 конечных терминалов. Первое, что делает SIP клиент [4], – находит сервер, обычно через
DNS. SIP прокси-сервер может быть элементарно интегрирован в
брандмауэр и транслятор сетевых адресов. Предлагаемые сейчас
расширения в SIP протокол включают спецификации для управления секретностью вызовов и требования QoS, основанные на
профайлах пользователей в соответствии с сигнализацией об изменениях условий в сети. Анализируя возможности SIP, можно
сделать вывод о наибольшей эффективности использования данного протокола в сетях большого размера и в конференциях с
большим количеством участников.
Недавно появилась модификация протокола – SIP+, позволяющая осуществить конвергенцию с ТфОП. SIP+ упаковывает
сигналы SS7, Q.931 или CAS в SIP сообщение. Поскольку SIP ос117
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
нован на сообщениях электронной почты, SIP+ транспортирует
бинарные сигналы как MIME добавления к SIP сообщению. Кодирование MIME позволяет “туннелировать” сигналы между узлами MGC (Media gateway Controller), при этом используется
SUBTYPE для информирования MGC о типе сообщения (SS7,
Q.931 или CAS), которое было закодировано. Вызовы, приходящие из ТфОП, могут использовать процедуру многошагового поиска SIP для маршрутизации вызова к абоненту. Вызовы также
могут быть инициированы одним оператором и приняты другим
оператором с использованием NNI (Network-to-Network Interface),
где сигнализация передается через шлюз к MGC. SIP+, давая возможность MGC-MGC взаимодействия, позволяет передавать вызовы из одной ТфОП в другую ТфОП с использованием IP сети.
4.1.3. Передача видеоизображения через Интернет
Одной из предпосылок превращения Интернет в универсальную и доминирующую коммуникационную среду являются успехи в развитии технологии передачи видеосигналов поверх IP. Эти
успехи, в свою очередь, обусловлены достижениями в методах
компрессии/декомпрессии данных. Указанные достижения иллюстрирует таблица 15, в которой приведены краткие характеристики наиболее часто применяемых сегодня кодеков видеосигнала
[5]. Не меньшую роль играет и появление на потребительском
рынке соответствующего видеооборудования.
Последние поколения сравнительно недорогих цифровых камер [6] позволяют передавать высококачественные видеосигналы
в режиме реального времени. При этом они подключаются непосредственно к компьютеру. Имеется также широкий спектр программных средств для распространения указанных видеосигналов через Интернет. Как видно из таблицы 15, единственным ограничением для массового использования данной технологии
остаются высокие требования к скорости передачи данных (не
менее 15 Мбит/с). К сожалению, указанное ограничение не снимает и более эффективная схема компрессии видеоданных, например JPEG. Однако в случае прогнозируемого (см. разделы 1.2,
2.7) успешного развития гигабитных сетей, позволяющих резко
повысить скорость передачи мультимедийных данных, появляет118
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
ся принципиальная возможность отказа от компрессии как для
видео, так и для аудиосигналов, что значительно упростит и удешевит устройства ввода-вывода. Предполагается, что в течение
ближайших нескольких лет цифровые камеры (например DVD),
как одно из самых последних технологических решений, вытеснят устаревшие аналоговые домашние камеры.
Таблица 15
Характеристики кодeков видеосигнала
Характеристика
Необходимая
пропускная
способность
Разрешение
окна
Скорость передачи кадров
<=
128 Кбит/с
Кодeк
SDTV MPEG- HDTV: MPEG-2
2 Main ProMainProMPEG- 1
file@ Main
file@High Level
Level
~1.5 Мбит/ 3Мбит/сБолее 15 Мбит/с
с
15Мбит/с
QCIF:
120x176
<
15 кадров/с
CIF:
240x352
30 кадров/
с
H. 263
Выделенные телеВозможная
фонные
среда перелинии,
дачи данных
10 Мбит/с
Ethernet
Видеоконференции с
низким качеством видеосигнаВозможные
ла – телесоприменения
вещание
704x480
1920x1080
30 кадров/с
30 кадров/с
10 Мбит/с 100 Мбит/с
Ethernet
Ethernet,
ATM
(155 Мбит/с),
POS, IP optical
ВидеоконфеВидеоконферен- ренции с выции
со соким качеством видеосредним
качеством сигнала –
видеосиг- дистанционнала – в ное образование, телеконфемедицина
ренц(теледиагнокомнатах
стика)
119
ATM
(155 Мбит/с,
622 Мбит/с),
POS, IP optical
Видеоконференции с очень
высоким качеством видеосигнала – тонкая телехирургия
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
4.2. Интернет как единая
телекоммуникационная среда
Как уже отмечалось, исходя из перечисленных выше предпосылок, можно предположить, что, скорее всего, Интернет будет
постепенно превращаться в универсальное средство передачи
всех видов информации. В этом случае в качестве транспортной
среды должна использоваться коммуникационная инфраструктура, обеспечивающая максимально эффективное распространение
именно IP пакетов. На сегодняшний день большинство операторов поддерживают ATM, как основное сетевое решение, обеспечивающее различные классы сервиса. На сегодняшний день ATM
действительно универсальное и оптимальное решение, позволяющее отказаться от необходимости арендовать выделенные
линии для построения частных сетей, использовать SONET/SDH
TDM для голосовой телефонии и цифровые каналы для видеовещания. В то же время АТМ имеет, с точки зрения сетевых операторов, целый ряд недостатков.
В частности, процесс установления SVC в АТМ сетях, как
известно, может происходить со значительным и временными задержками, что резко снижает производительность сети. Кроме
того, стоимость оборудования ATM-сетей существенно превосходит стоимость маршрутизирующих комплексов IP-сетей сравнимой производительности.
Таким образом, если сравнивать работу IP/ATM/Fiber с работой маршрутизаторов нового класса с пропускной способностью
в несколько Терабит/с, ATM можно охарактеризовать как дополнительный уровень, влияющий на сложность и стоимость коммуникационной системы, а с введением IPv6 – дублирующий функции обеспечения качества и надежности.
Если же рассматривать работу IP поверх существующих
SONET/SDH сетей, то можно сказать следующее. SONET/SDH
инфраструктуры отличаются высокой устойчивостью и временем
реакции на сбой. Как известно, благодаря своей кольцевой топологии, время, необходимое на поиск альтернативного пути и переключения на него в случае сбоя, равно в данных сетях примерно 50 мсек. Однако точно такой же механизм имеется в Интернет
сетях. Поэтому при условии работы Интернет по оптоволокон120
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
ным сетям уровень SDH/SONET представляется также избыточным, помимо того, что он так же, как и ATM сложен в управлении. Кроме того, маршрутизатор может работать с асимметричным трафиком, характеризующимся разной плотностью трафика
на приеме и на передаче. Сети SDH/SONET могут работать только со сбалансированным трафиком.
Поскольку оба упомянутых выше решения IP/ATM и IP/SDH
не смогли удовлетворить требования сетевых операторов, в последние годы были предприняты значительные усилия по поиску
альтернативных решений.
В частности, протокол MPLS обещает стать равноценной заменой АТМ. Этот протокол так же, как ATM, является многофункциональным, но обладает рядом дополнительных преимуществ.
4.2.1. Мультиплексирование по длине волны
(Wavelength division multiplexing)
Как уже отмечалось в предыдущих главах (разделы 1 и 2),
новое поколение телекоммуникационных сетей будет строиться
на базе волоконно-оптического кабеля, а применение WDMтехнологии позволит увеличивать общую пропускную способность сетей практически неограниченно, причем с использованием тех же электронных интерфейсов, что использовались в сетях
предыдущего поколения.
Отличием WDM от предшествующих технологий передачи
сигнала по ВОЛС является использование не одной несущей
длины волны, а дискретного набора длин волн. На рисунке 18
представлен спектр и оптимальный диапазон длин волн для
WDM.
Развитие WDM-технологии происходило в несколько этапов
[7]:
 Первое поколение WDM-систем характеризовалось использованием только двух дискретных длин волн – 1310 и 1550 нм.
Основные усилия были направлены на развитие систем для всего
спектра телекоммуникационных сетей, как междугородных, так и
городских. Основным результатом, достигнутым на этом этапе,
была существенная экономия кабеля.
121
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рис. 18. Оптимальный диапазон длин волн для WDM
 Второе поколение характеризовалось появлением технологии DWDM. На этом этапе использовался набор длин волн в диапазоне 1550 нм. В одной оптоволоконной жиле одновременно передавалось от 8 до 16 потоков с разной длиной волны. Кроме того, стали применяться оптические усилители. Приоритетным
направлением разработок являлось создание систем, ориентированных на применение в магистральных сетях. DWDM-системы
использовались, главным образом, для SONET/SDH двухточечных соединений.
 Третье поколение положило начало созданию полностью
оптических телекоммуникационных инфраструктур. При этом,
вследствие роста числа корпоративных сетей, а также общего
числа корпоративных и частных пользователей Интернет, приоритет был отдан системам для сетей городского масштаба. Было
вдвое увеличено количество длин волн (16 – 32), и стала применяться кольцевая топология. В результате была создана протокольно-независимая архитектура, достигнута повышенная надежность коммуникационной среды и гибкость в предоставлении
сервиса.
Современный этап характеризуется дальнейшим развитием
на качественно новом уровне систем для всех типов сетей и ори122
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
ентацией на «полностью оптические» сетевые инфраструктуры.
Уже существуют устройства, обеспечивающие передачу информации с использованием более 100 длин волн. Ожидается, что в
ближайшем будущем коммутации в транспортной среде будут
производиться на оптическом уровне. Благодаря этому будет
обеспечена повышенная гибкость сетевой топологии, недостижимая на предыдущих этапах.
На всех этапах дополнительным стимулом внедрения WDM
являлась предоставляемая возможность постепенного перехода
от унаследованных цифровых технологий канального уровня к IP
поверх оптического волокна.
Внешняя простота WDM-технологии обеспечивается использованием целого ряда высокотехнологичных компонент.
Одним из ключевых и самых дорогостоящих элементов
WDM-системы является наличие набора высокопроизводительных лазеров – по одному для каждой из длин волн, использующихся в WDM системе (рис. 19). Эти лазеры должны быть устойчивы и способны работать в очень узком интервале длин волн.
Рис. 19. Система WDM
Для преодоления затухания сигнала необходимы усилители.
До недавних пор усиление сигнала осуществлялось только при
помощи электрических усилителей. Настоящим прорывом в области передачи светового сигнала явилось создание сверхширокополосных оптических усилителей (EDFA). Устройства состоят
из двух параллельно включенных усилителей, один из которых
содержит активное волокно, легированное эрбием и ионами тулия. Для выравнивания коэффициентов усиления в схему включен эквалайзер. Усиление оптического сигнала происходит в
123
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
диапазоне длин волн 153-1610 нм с коэффициентом усиления
G=20 при коэффициенте шума менее 7.5 дБ. Существующие в настоящее время лазеры могут передавать без усиления сигнал на
расстояние около 80 км со скоростью 2.5 Гбит/с и на расстояние
50 км со скоростью 10 Гбит/с. Поэтому большинство муниципальных WDM-сетей в мире в основном не требуют усиления какого-либо типа. Следует отметить, что в силу технологических
особенностей EDFA-усилители требуют после 5 – 6-элементного
каскада применения электрического усилителя.
Повторители в WDM-сетях большой протяженности делятся
на 3 класса.
• “Полностью прозрачный” повторитель просто повторяет
сигнал, сохраняя его параметры. Примером является упомянутый
выше повторитель типа EDFA.
• Повторитель, прозрачный для цифрового сигнала, конвертирует сигнал из оптической формы в электронную, повторяет
электрический импульс, конвертирует импульс в оптическую
форму и передает его.
• Третий тип повторителей осуществляет дополнительно
синхронизацию в процессе усиления сигнала.
Следующим важным элементом оптической сети являются
транспондеры, которые обеспечивают преобразование поступающего от маршрутизатора электрического сигнала в оптическую форму и, кроме того, адаптируют его к стандартизированной длине волны.
В MAN (Metropolitan Area Network) системах могут также
применяться оптоволоконные мультиплексоры – add-drop multiplexors (ADM). ADM выборочно прерывает или добавляет специфичную длину волны в WDM-системе.
Сеть, ориентированная на обеспечение доступа в Интернет,
построенная на базе оптического волокна, имеет ряд особенностей и заслуживает специального рассмотрения. К числу упомянутых особенностей относятся:
• Базовая архитектура. Ее принципиальной особенностью
является использование WDM высокой плотности. Число длин
волн, используемых на различных участках сети, меняется с помощью WDM-сплиттеров, называемых также оптическими ADM.
WDM-сплиттер является пассивным устройством, которое ис124
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
пользует принцип разделения света в призме на световые пучки
разных длин волн. Выходы и входы WDM-сплиттера являются
оптоволоконными интерфейсами, передающими данные на нужной длине волны либо в SONET/SDH оборудование, либо в IPмаршрутизатор. Преимуществом данной архитектуры является
возможность распределять трафик таким образом, чтобы учитывались особенности Интернет трафика с точки зрения его асимметрии, то есть возможность варьировать на различных участках
сети число длин волн для передачи данных в том или другом направлении. (Существующие телекоммуникационные системы не
могут обеспечивать подобную асимметрию, поскольку изначально созданы в рамках симметричной “телефонной” идеологии.)
Недостатком данной архитектуры является невозможность осуществлять упомянутые выше вариации оперативно, а следовательно, необходимость заблаговременно знать плотность потоков, что далеко не всегда возможно. Стремление преодолеть этот
недостаток побудило многие компании начать разработку и производство оптических коммутаторов.
• Отличие архитектуры WAN и MAN IP-сетей. Для городских сетей (MAN), в том числе и муниципальных, характерно как
их использование для решения ряда специфических задач (мониторинг, управление и проч.), так и наличие широкого спектра
различных специфических групп пользователей. Поэтому для них
особое значение приобретает возможность выделения отдельного
светового канала для решения определенного круга задач или обслуживания специфической группы пользователей. В WAN системах, в силу большой протяженности, необходимо использование усилителей. Поэтому коммутация и маршрутизация происходят здесь сначала на уровне электронных устройств, и лишь
затем агрегированный сигнал передается в WDM систему. Преимуществом архитектуры, в которой маршрутизатор подсоединен
непосредственно к WDM-сплиттеру, является то, что маршрутизатор осуществляет непосредственное управлением трафиком на
всех волокнах в кольце. Это, в частности, означает, что между
двумя маршрутизаторами имеется два параллельных пути, благодаря чему может быть обеспечена требуемая асимметрия потоков
данных.
125
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
• Гибридная сеть имеет смысл в период, когда физически
доступная емкость ВОЛС на участке «последней мили» не востребована полностью, а, следовательно, создание полностью оптоволоконной сети экономически не оправдано в силу высокой
стоимости элементов WDM. В этом случае, например, можно использовать один оптический канал для высокоскоростной передачи, а прием низкоскоростного трафика может вестись с использованием ATM PVC или SONET/SDH канала.
Как уже отмечалось ранее, все преимущества новой коммуникационной инфраструктуры могут быть эффективно использованы только в случае модернизации технологий всех уровней. В
частности, с целью оптимизации управления потоками данных в
современных волоконно-оптических сетях создаются новые протоколы, одним из примеров которых может служить технология
динамической передачи пакетов, DTP (Dynamic Packet Transport
Protocol) компании Cisco Systems.
4.2.2. Dynamic Packet Transport Protocol
Предпосылками для создания нового протокола канального
уровня являются следующие недостатки в работе протокола поверх SONET/SDH:
• Неэффективность использования полосы пропускания.
SONET/SDH кольца имеют специальные тайм-слоты, которые
постоянно резервируют половину пропускной способности. Кроме того, поскольку SDH (SONET) относятся к классу TDMтехнологий, то выделяется фиксированная полоса пропускания
для “точка-точка” соединений независимо от ее реальной загруженности.
• Высокая стоимость и сложность. Попытка преодолеть перечисленные выше недостатки была сделана при разработке протокола DPT (Dynamic Packet Transport Protocol). DPT кольцо
(рис. 20) состоит из двух противоположно направленных волокон, каждое из которых используется на конкурентной основе
для передачи данных и управляющих пакетов.
126
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рис. 20. Кольцо DPT
Поскольку DPT использует структуру кадра SDH/SONET, то
она может быть использована поверх любой инфраструктуры,
включая:
• Сырое волокно,
• WDM,
• SONET/SDH “точка – точка” и кольцо.
Данная способность к инфраструктурной прозрачности позволяет DPT функционировать и в гибридной среде. Естественно,
DPT может работать поверх оптического волокна любого типа:
• многомодового для внутриузловых соединений;
• одномодового для больших расстояний при реализации в
MAN и WAN сетях, а также сетях национального значения.
Одним из преимуществ DPT является:
• Эффективность использования кольцевой топологии. В отличие от других кольцевых технологий, таких как FDDI и Token
Ring, где данные удаляются из кольца только после подтверждения о получении их адресатом, передаются, здесь они удаляются
127
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
получателем и, следовательно, не используют дополнительную
пропускную способность.
• Алгоритм “справедливого” использования. На каждом узле
кольца запущена процедура данного алгоритма, позволяющая избежать штормовых нагрузок на кольцо и оптимизировать передачу пакетов до адресатов.
• Двойное кольцо. Оба кольца DPT используются конкурирующим образом для передачи трафика.
• Статистическое мультиплексирование. В отличие от TDM
не используются тайм-слоты и нет зарезервированной полосы
пропускания. DPT анализирует использование кольца различными узлами и выделяет полосу пропускания с очень гибкой процедурой буферизации.
DPT имеет еще несколько особенностей, известных как
Intelligent Protection Swintching(IPS) для проведения мониторинга
производительности, быстрого восстановления обычной топологии и IP сервиса после неблагоприятных событий. Подобно механизму APS, существующему в SONET/SDH, IPS производит:
• мониторинг производительности кольца и выявление мест
неполадок, и их изоляцию посредством SONET/SDH дополнительных байтов;
• 50-мс восстановление соединений и заворот кольца после
определения неполадки на физическом уровне;
• выстраивание иерархии коммутации в случае множественных столкновений или неполадок.
Однако в отличие от APS, IPS производит дополнительные
действия, оптимизирующие общую работу:
• не использует SONET/SDH подзаголовки в пакетах, если
работа не производится поверх инфраструктуры SDH/SONET;
• производит 50-мс восстановление IP соединений без изменения таблиц маршрутизации;
• требует не четко определенной зарезервированной полосы
пропускания и оптимально изменяет путь следования пакетов,
когда кольцо заворачивается;
• многоуровневая осведомленность – IPS мониторит и управляет событиями на физическом, канальном и сетевом уровнях;
• производит plug-and-play действия – не требуется заранее
конфигурировать вновь подключаемые устройства.
128
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Экономическая эффективность использование DTP-кольца
по сравнению с SONET/SDH может быть продемонстрирована на
примере оператора IP-сети, имеющего быстро растущую сеть с 42
региональными узлами и 4 высокопроизводительными маршрутизаторами, стоящими на опорной сети. Предполагается, что каждый региональный узел имеет 2 маршрутизатора с 155 Мбит/с
соединениями.
Стоимость системы SONET/SDH:
• POS интерфейсы для маршрутизатора – 504,000$;
• SONET/SDH ADM интерфейсы для низкоскоростных маршрутизаторов – 189,000$;
• Общее оборудование для 6 SONET/SDH OC-48 колец –
822,000 $;
• SONET/SDH ADM интерфейсы для высокоскоростных
маршрутизаторов – 189,000$;
• Платы для высокоскоростных маршрутизаторов, включающие 4 порта OC-3 POS, – 777,000$;
• OC-12 полносвязная топология между высокоскоростными
маршрутизаторами – 400,000$.
Общая стоимость – 2,881,000 $
Стоимость кольцевой DPT-системы:
• Карты доступа для низкоскоростных маршрутизаторов –
504,000$;
• Карты доступа для высокоскоростных маршрутизаторов –
217,000$;
• Высокоскоростные карты для высокоскоростных маршрутизаторов – 360,000$.
Общая стоимость – 1,081,000$.
Таким образом, за счет использования DPT-технологии достигается троекратное снижение капитальных затрат.
По мнению аналитиков Комиссии по Информационным технологиям Швеции [8], оптимальной с точки зрения гарантированной пропускной способности могла бы стать “гиперкубическая топология”. Представляется, что именно DPT технология
могла бы стать ее основой. На рисунке 21 приведен пример гиперкубической сети.
129
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рис. 21. Гиперкубическая сетевая топология
Реализации прототипов новой
транспортной среды
Примером наиболее масштабной и успешной реализации
концепции «оптического Интернет» является канадская национальная сеть CA*netIII. Данный проект осуществлялся в рамках
национальной программы телекоммуникаций в 1998 году. Его
отличие от всех предшествующих проектов высокоскоростных
сетей заключалось в том, что во всех предыдущих случаях создаваемые сети были ориентированны на обеспечение традиционного стандартного набора телекоммуникационных услуг, тогда как
проект CA*netIII предполагал передачу преимущественно Интернет-трафика.
В результате проекта была построена волоконно-оптическая
сеть на основе WDM-технологии с использованием 8 длин оптических волн с суммарной пропускной способностью, соответствующей стандарту OC-192. Сеть объединила трафиком 13 высокопроизводительных точек обмена, оснащенных высокопроизводительными маршрутизаторами фирмы-производителя Cisco Systems 12008-GSR. Схема сети CA*netIII приведена на рисунке 22.
130
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рис. 22. Канадская национальная сеть CA*net3
Успешное создание CA*netIII определило технические предпосылки и инициировало реализацию целого ряда крупномасштабных канадских проектов и национальных программ, посвященных развитию высокоскоростных сетей: “Гигабитный Интернет – в каждый дом Канады к 2005 году” (GITH), “Гигабитный
Интернет – в каждую канадскую школу” (GITS) и “Гигабитный
Интернет – в каждую канадскую библиотеку” (GITL).
Обоснованием проекта GITH стало концептуальное положение, согласно которому формирование и развитие информационного общества невозможно без решения технологической задачи
“последней мили”. Стратегия проекта предполагает развитие сети
нового поколения, в которой одновременно решались бы задачи
передачи всех видов трафика. Преимуществом такой сети является возможность потенциального потребителя использовать именно ту полосу пропускания, которая ему реально нужна – от нескольких Мбит/с до нескольких Гбит/с. Это обеспечивается различными вариантами: индивидуальные оптические волокна,
131
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
индивидуальные длины волн или непосредственное статистическое мультиплексирование.
Экономическое обоснование для построения чисто волоконно-оптической сети следующее. Технология FTTH требует капиталовложений порядка 1500 – 3000$ на одного пользователя (домовладельца). Это в 2 – 3 раза больше, чем подключение по выделенной телефонной линии (900 – 1200$) или подключение при
помощи телевизионного кабеля (600 – 900$). Подключение с использованием гибридной (HFC) технологии требует около 1200 –
1500$. По мнению специалистов Bellcore, от 20 до 60 % от общей
стоимости составляют затраты на сеть доступа. Остальная часть
затрат в любом случае идет на опорную сеть. Таким образом,
GITH архитектура предполагает затраты порядка 750$ для сети
доступа, порядка 100$ для ввода волоконно-оптического кабеля
непосредственно в дом и стоимость аренды порядка 36$. Итого –
900 – 1000$ для одного потребителя.
Если провести сравнение с кабельными модемами или xDSL
решениями, то для них капитальные вложения составляют порядка 500$ для каждого потребителя. Однако они менее востребованы из-за амортизации. Таким образом, хотя стоимость системы
GITH оказывается в 2 раза выше в расчете на одного потребителя, но ее цикл амортизации больше на 20 – 30 лет, чем у xDSL и
кабельных модемов.
Еще одним интересным примером является опыт развития
сети типа FTTH в Пало-Альто [9]. Сеть строится на средства городского бюджета и находится во владении муниципалитета.
Отличительные черты данного города:
• средний и выше среднего годовой доход жителей города;
• соседствует со Стэнфордским университетом;
• город владеет разнообразными жизнеобеспечивающими
инфраструктурами – газом, электричеством, водой;
• высокий процент инженеров – системотехников, программистов и других специалистов в области компьютерных технологий среди населения;
• наличие точки межсетевого обмена IP-трафиком;
• созданное в 1997 году оптоволоконное кольцо.
В ходе реализации данного проекта сначала была построена
опытная сеть, основная задача которой была передача данных
132
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Интернет. Были использованы технологии на канальном уровне –
10/100 Мбит/с Ethernet на основе оптоволоконного кабеля. Выбор
оптоволокна был сделан на основе сравнительного анализа возможностей и цен (табл. 16) на различные виды технологий, распространенные в Пало-Альто.
Таблица 16
Сравнение цен и характеристик различных видов
телекоммуникационных услуг в Пало-Альто (США)
Вид услуги
Телефонный модем
ISDN
ADSL
Модем CATV
T1(HDSL)
FTTH @10Мбит/с
FTTH @ 100 Мбит/с
Физическая среда
Витая пара
Витая пара
Витая пара
Коаксиальный кабель
Витая пара
Оптоволокно
Оптоволокно
Скорость
передачи
данных
(Кбит/с)
56
128
384
500
1500
10000
100000
Тариф
($/месяц)
20
55
49
50
900
70
180
Создания полномасштабной сети было завершено к 2002 году. Общий бюджет проекта составил 25 млн. долл. США (с учетом того, что строительство 1 метра волоконно-оптической сети
обошлось в 7-15$).
Преимущества внедрения новейших оптоволоконных технологий:
• С возникновением новых оптоволоконных технологий (сырое волокно, находящееся во владении пользователя, выделенные
длины волн, приобретенные пользователями, 10 Гбит/с Ethernet и
т.д.) пользователь получает возможность строить сети на физическом уровне так же легко, как он строил виртуальные сети.
• Используя данную возможность, мир телекоммуникаций
будущего может вовлечь тысячи потребителей в процесс построения собственных сетей на физическом уровне так же, как
это было на виртуальном уровне.
133
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Литература
1. Voice service interworking for PSTN and IP Networks, Maher Hamdi,Oliver Versheure, Jean-Pierre Hubaux, IEEE Communications Magazine May
1999
2. “When Good Standards Go Bad”, David Willis, 23August 1999, Network Computing, www.network-computing.com
3. Translating Menus at the VoIP Cafe, Darrin Woods, Network Computing, Issue:1026, December 1999, (http://www.network-computing.com)
4. “The Future is SIP”, David Willis, Network Computing, 20 september
1999 (http://www.network-computing.com)
5. Redefining Telemedicine: HDTV Videoconference Links. Doctors from
around the World, Gilles Gagnon Communications Research Centre, CANARIE’s Advanced Network workshop, 1998
6. Gigabit Internet to every Canadian Home by 2005, Bill St. Aranaud ,
(http://www.canarie.ca)
7. All Optical Networking Consortium WDM Description, (http://www.
aon. com)
8. The Information Technology Commission overall assignment is to analyze the impact of information technology on the Swedish society, Peter Lothberg, 5th CANARIE’s Annual Advanced Networking workshop, 1999,
(http://www.canarie.com)
9. The Palo Alto Fiber to the Home Trial A Work in Progress, Ken Poulton,
Palo Alto Fiber Network, 5th CANARIE’s Annual Advanced Networking workshop,1999, (http://www.canarie.com)
134
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Учебное издание
Русаков Александр Ильич
Зеленков Юрий Александрович
Принципы организации
современных широкополосных
сетей интегрированных услуг
Учебное пособие
Редактор, корректор Л.Н. Селиванова
Компьютерная верстка И.Н. Ивановой
Подписано в печать 15.02.2006 г. Формат 60×84/16.
Бумага тип. Усл. печ. ед. 7,9. Уч.-изд. л. 6,5.
Тираж 100 экз. Заказ
.
Оригинал-макет подготовлен
редакционно-издательским отделом ЯрГУ.
Ярославский государственный университет
150000 Ярославль, ул. Советская, 14
Отпечатано
ООО «Ремдер» ЛР ИД № 06151 от 26.10.2001
г. Ярославль, пр. Октября, 94, оф. 37
тел. (4852) 73-35-03, 58-03-48, факс 58-03-49
135
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
136
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
58
Размер файла
1 636 Кб
Теги
современные, широкополосных, услуг, сетей, принципы, интегрированный, организации, русаков, 1373
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа