Лекция 5 Стек протоколов TCP/IP. IP- сети как основа для перехода к NGN. Модель NGN. Понятие услуги

План 1. Стек протоколов TCP/IP 2. IP-сети как основа для перехода к NGN 3. Модель NGN 4. Понятие услуги NGN

Принципы технологии TCP/IP Под термином "TCP/IP" обычно понимают все, что связано с протоколами TCP и IP. Это не только собственно сами протоколы с указанными именами, но и протоколы, построенные на использовании TCP и IP, и прикладные программы. Главной задачей стека TCP/IP является объединение в сеть пакетных подсетей через шлюзы.которые могут принять пакет из другой сети и доставить его по указанному адресу. Реально, пакет из одной сети передается в другую подсеть через последовательность шлюзов, которые обеспечивают сквозную маршрутизацию пакетов по всей сети. При этом соединяться могут как локальные сети, так и глобальные сети. В качестве шлюза могут выступать как маршрутизаторы, так и компьютеры, которые имеют программное обеспечение, выполняющее функции маршрутизации пакетов.

Механизм доставки становится возможным благодаря реализации во всех узлах сети протокола межсетевого обмена IP. Любое сообщение, которое отправляется по сети, должно быть при отправке разбито на фрагменты. Каждый из фрагментов должен быть снабжен адресами отправителя и получателя, а также номером этого пакета в последовательности пакетов, составляющих все сообщение в целом. Такая система позволяет на каждом шлюзе выбирать маршрут, основываясь на текущей информации о состоянии сети, что повышает надежность системы в целом. При этом каждый пакет может пройти от отправителя к получателю по своему собственному маршруту. Порядок получения пакетов получателем не имеет большого значения, т.к. каждый пакет несет в себе информацию о своем месте в сообщении. При создании этой системы принципиальным было обеспечение ее живучести и надежной доставки сообщений.

Эволюция от модели ISO/OSI к модели Эволюция от модели ISO/OSI к модели TCP/IP Модель TCP/IP прикладной представления данных сеансовый транспортный физический канальный сетевой Модель ISO/OSI прикладной транспортный сетевой физический канальный Уровень подсетей

В отличие от семиуровневой модели OSI в модели стека TCP/IP отсутствуют канальный, сеансовый и представительный уровни, но имеется межсетевой уровень, который отражает основную идею данной модели – направленность на обеспечение передачи информации по сети, состоящей из множества разнородных сетей. Отсутствие в данной модели сеансового и представительного уровней связано со стремлением разработчиков максимально сократить число функций, возлагаемых на систему связи, путем переноса части из них на прикладные процессы пользователя. Отсутствие протокола канального уровня вызвано тем, что протоколы стека TCP/IP не накладывают никаких ограничений на методы передачи данных и одинаково подходят для различных сетей передачи.

Сетезависимые и сетенезависимые уровни стека TCP/IP

Стек протоколов TCP/IP Структура стека протоколов TCP/IP Уровень приложений (Application Layer) Транспортный уровень (Transport Layer) Уровень Internet (Internet Layer) Уровень доступа к сети (Network Access Layer) В этой схеме на уровне доступа к сети располагаются все протоколы доступа к физическим устройствам. Выше располагаются протоколы межсетевого обмена IP, ARP, ICMP. Ещё выше основные транспортные протоколы TCP и UDP, которые кроме сбора пакетов в сообщения еще и определяют какому приложению необходимо данные отправить или от какого приложения необходимо данные принять. Над транспортным уровнем располагаются протоколы прикладного уровня, которые используются приложениями для обмена данными.

Схема модулей, реализующих протоколы семейства TCP/IP в узле сети. FTP NFS UDP RIPDNC TFTP PPР IP TELNET TCP RPC Cтек IP SLIP Enet ARP Ethernet Modem Коммутационные протоколы Уровень Приложений Транспортный Уровень. Сетевой Уровень. Канальный Уровень. Физический Уровень.

Прямоугольниками на схеме обозначены модули, обрабатывающие пакеты, линиями - пути передачи данных. Прежде чем обсуждать эту схему, введем необходимую для этого терминологию. Драйвер - программа, непосредственно взаимодействующая с сетевым адаптером. Модуль - это программа, взаимодействующая с драйвером, с сетевыми прикладными программами или с другими модулями. Схема приведена для случая подключения узла сети через локальную сеть Ethernet, поэтому названия блоков данных будут отражать эту специфику. Сетевой интерфейс - физическое устройство, подключающее компьютер к сети. В нашем случае - карта Ethernet. Кадр - это блок данных, который принимает/отправляет сетевой интерфейс. IP-пакет - это блок данных, которым обменивается модуль IP с сетевым интерфейсом.

UDP-датаграмма - блок данных, которым обменивается модуль IP с модулем UDP. ТСР-сегмент - блок данных, которым обменивается модуль IP с модулем TCP. Прикладное сообщение - блок данных, которым обмениваются программы сетевых приложений с протоколами транспортного уровня. Инкапсуляция - способ упаковки данных в формате одного протокола в формат другого протокола. Например, упаковка IP- пакета в кадр Ethernet или ТСР-сегмента в IP-пакет. В рамках межсетевого обмена понятие инкапсуляции имеет несколько расширенный смысл. Если в случае инкапсуляции IP в Ethernet речь идет действительно о помещении пакета IP в качестве данных Ethernet-фрейма, или, в случае инкапсуляции TCP в IP, помещение ТСР-сегмента в качестве данных в IP-пакет, то при передаче данных по коммутируемым каналам происходит дальнейшая "нарезка" пакетов теперь уже на пакеты SLIP или фреймы РРР.

Инкапсуляция протоколов верхнего уровня в протоколы TCP/IP Уровень IP Блок Данных Блок данных ТСР, включающий все сообщение прикладного уровня. Заголовок IP Заголовок ТСР Уровень Приложений (НТТР, FТР и т.п.. ) Уровень ТСР Блок данных пакета протокола IP

Чтобы не возвращаться к названиям протоколов расшифруем аббревиатуры TCP, UDP, ARP, SLIP, РРР, FTP, TELNET, RPC, TFTP, DNS, RIP, NFS: TCP - Transmission Control Protocol - базовый транспортный протокол, давший название всему семейству протоколов TCP/IP. UDP - User Datagram Protocol - второй транспортный протокол семейства TCP/IP. Различия между TCP и UDP будут обсуждены позже. ARP - Address Resolution Protocol - протокол используется для определения соответствия IP-адресов и Ethernet-адресов. SLIP - Serial Line Internet Protocol (Протокол передачи данных по телефонным линиям). РРР - Point to Point Protocol (Протокол обмена данными "точка-точка"), FTP - File Transfer Protocol (Протокол обмена файлами). TELNET - протокол эмуляции виртуального терминала. RPC - Remote Process Control (Протокол управления удаленными процессами). TFTP - Trivial File Transfer Protocol (Тривиальный протокол передачи файлов). DNS - Domain Name System (Система доменных имен). RIP - Routing Information Protocol (Протокол маршрутизации). NFS - Network File System (Распределенная файловая система и система сетевой печати). При работе с такими программами прикладного уровня, как FTP или telnet, образуется стек протоколов с использованием модуля TCP, представленный на рисунке.

Стек протоколов при использовании модуля TCP FTP-приложение ТСР-модуль IP-модуль ENET-драйвер

При работе с прикладными программами, использующими транспортный протокол UDP используется другой стек, где вместо модуля TCP будет использоваться модуль UDP рисунок. NFS-приложение UDP-модуль IP-модуль ENET-драйвер Стек протоколов при работе через транспортный протокол UDP

При обслуживании блочных потоков данных модули TCP, UDP работают как мультиплексоры, т.е. перенаправляют данные с одного входа на несколько выходов и, наоборот, с многих входов на один выход. Модуль IP может направить IP-пакет либо модулю TCP, либо модулю UDP, что определяется полем "протокол" в заголовке пакета. Получатель UDP - датаграммы или TCP-сообщения определяется на основании значения поля "порт" в заголовке датаграммы или сообщения. Все указанные выше значения прописываются в заголовке сообщения модулями на отправляющем компьютере. Так как схема протоколов - это дерево, то к его корню ведет только один путь, при прохождении которого каждый модуль добавляет свои данные в заголовок блока.

IP-сети как основа для перехода к сети следующего поколения-NGN (Next Generation Network) В настоящее время стало очевидным, что традиционные сети связи (телефонные, сотовые связи, передачи данных и др.) уже не в состоянии удовлетворить современным требованиям пользователей услуг связи. Закономерным результатом процесса интеграции должны стать сети следующего поколения NGN (Next Generation Network), которые станут основой национальной инфокоммуникационной инфраструктуры. Работы по созданию международных стандартов NGN проводятся организациями ITU, ETSI и 3GPP. В связи с этим мировое телекоммуникационное сообщество выдвинуло новую концепцию сети следующего поколения NGN (Next Generation Networks), основой которой является использование пакетных технологий для передачи различных видов информации по единой сетевой инфраструктуре.

Эволюция рынка услуг связи Рынок услуг вчера Рынок услуг сегодня

Эволюция и конвергенция

В Рек. Y.2001 указано, что NGN-это сеть на базе пакетов, которая даёт возможность использовать несколько широкополосных транспортных технологий, обеспечивающих качество обслуживания, и в которых функции, относящиеся к службам, независимы от транспортных технологий. Предоставление неограниченного набора услуг с гибкими возможностями по их управлению. Создание новых услуг. Реализация универсальной транспортной сети с распределённой коммутацией. Интеграция с традиционными сетями связи. Сети NGN называют мульти сервисными, предоставляющими инфо коммуникационную услугу любого вида, в любой точке, в любое время, по приемлемым ценам. Поддерживается подвижность.

Общее определение NGN согласно рекомендации Y.2001 ITU «NGN - это сеть с коммутацией пакетов, способная предоставлять услуги телекоммуникаций посредством широкополосных транспортных технологий, поддерживающих качество обслуживания - QoS (Quality of Service), в которой обеспечиваемая функциональность не зависит от используемых транспортных технологий»

Эволюция от модели ISO/OSI к NGN Модель TCP/IP прикладной представления данных сеансовый транспортный физический канальный сетевой Модель ISO/OSI прикладной транспортный сетевой физический канальный Уровень подсетей Уровень услуг Транспортный уровень Модель NGN

Основная эталонная модель NGN

Разделение услуг и транспорта в NGN

Перспективная архитектура NGN Уровень управления сетью - управления коммутацией и передачей служит для обработки сигнальных команд, маршрути- зации вызовов и управления потоками Уровень опорной коммутации- коммутация соединений и прозрачная передача информации Уровень доступа предоставляет широкий набор интерфейсов для подключения к услугам сети NGN.

Сети NGN базируются на интернет технологиях включающих в себя IP протокол и технологию MPLS. Как показывает международная практика, в настоящее время главной тенденцией на сетях телекоммуникаций является значительный рост IP-трафика, поэтому наиболее востребованными являются услуги, которые клиент сети получает от сервис-провайдера. Максимальное же гибкое управление трафиком клиента на уровне приложений обеспечивает IP-протокол. Технология IP в отличие от других имеет более разработанную систему стандартов и более широкое распространение. Интеграция технологий АТМ и IP позволяет объединить такие достоинства сетей АТМ, как поддержка требуемых уровней информационной безопасности и гарантированного качества обслуживания (QoS) с универсальными возможностями сетей IP. Как показывает международная практика, в настоящее время происходит интеграция средств IP - маршрутизации и АТМ - коммутации под единой системой управления с использованием технологии MPLS для обеспечения оптимальной поддержки IP - трафика.

Модель NGN

Первый уровень - транспортный уровень Транспортный уровень - это основа NGN. От технологий, используемых на этом уровне, во многом зависит качество работы всей сети следующего поколения и количество предоставляемых сервисов. Наиболее дешевое решение - это сети IP, построенные на базе коммутаторов и маршрутизаторов Ethernet. Именно по этой причине оно достаточно часто встречается в небольших сетях. Такие сети просты в проектировании и эксплуатации, легко наращиваются и модернизируются, однако, они имеют ряд недостатков, ограничивающих их применение в NGN в качестве транспортной среды. Основной из них - недостаточная адаптированность к пропуску разнородного трафика, особенно потоков, используемых наиболее востребованными приложениями (VoIP, VideoIP). При использовании сетей IP очень сложно обеспечить требуемое качество работы таких приложений. Единственный выход - это увеличение пропускной способности магистралей, но и это не всегда приводит к положительному результату.

Дальнейшее совершенствование IP-сетей привело к созданию МPLS. Технология МPLS изначально задумывалась как средство снижения нагрузки на маршрутизаторы и адаптации IP-сетей к разнородному трафику данных. Она давала пути сопряжения сетей IP и АТМ, и закономерно стала одной из основных технологий транспортного уровня NGN. Это произошло, прежде всего, благодаря реализованным на ее основе приложениям управления трафиком, организации виртуальных частных сетей, быстрого восстановления соединений, обеспечения качества обслуживания. Сегодня большинство производителей оборудования NGN так или иначе декларируют поддержку технологии МPLS.

Второй уровень - уровень доступа Пожалуй, с ним чаще всего сталкиваются клиенты сети. Доступ в общем случае - это все то оборудование, которое связывает сеть NGN с традиционными цифровыми сетями SDH и даже с небольшими локальными сетями передачи данных: от цифровых абонентских линий до пограничных шлюзов и конверторов сигнализации. Естественно, нельзя забывать и об абонентах сети. Можно различить несколько способов их включения в сеть следующего поколения. Наиболее интересный из них - это непосредственное подключение пользователей к пакетной сети посредством IP-терминалов или IP- телефонов. Такое подключение наиболее «удобно» с точки зрения построения NGN, предоставления мультимедийного трафика, управления ресурсами сети. Однако в силу многих технологических трудностей, связанных с невозможностью непосредственно довести до абонента сеть Ethernet или МPLS, операторы часто не могут оказать такой услуги. IP-телефонами чаще всего пользуются корпоративные абоненты, постоянно работающие в локальной сети, интегрированной в состав NGN.

Остальные пользователи подключаются к предлагаемым услугам через широкополосную сеть доступа. Техника такого подключения может быть разной: DSL-системы, использующие медные кабельные пары, системы цифрового кабельного телевидения, активно развивающиеся сейчас системы радиодоступа, оптические технологии доступа, например PОN. Объединяет их всех одно - они предоставляют абоненту в качестве конечного интерфейса IP- подключение, т е дают возможность использовать интеллектуальный терминал с доступом к большому количеству дополнительных сервисов. Гораздо сложней ситуация с подключением абонентов существующих цифровых сетей PDH и SDH. Единственный возможный вариант для них - это опосредованное включение в NGN через шлюзы стандартной телефонии. Естественно, при этом абоненты «старой» сети не могут получить всего перечня услуг, доступного IP-абонентам, но всё же некоторые услуги цифровой сети нового поколения становятся доступны всем абонентам старых сетей.

Третий уровень – уровень управления Все многообразие устройств, транслирующих и коммутирующих трафик, преобразующих информацию, заложенную в пакеты, в стандартную телефонную сигнализацию и каналы ТЧ, сопрягающих цифровые сети различной природы, терминирующих на себе различные виды трафика, управляется одним мощным узлом. Это и есть третий уровень NGN - управляющий. Этот уровень часто связывают с таким понятием, как SoftSvitch. Тем не менее, еще не до конца ясно, что же такое SoftSvitch. Это понятие появилось благодаря компании Lucent Technologies, выпустившей продукт LSS (Lucent SoftSvitch). Однако, сейчас это даже не название класса продуктов, а целое технологическое направление. Казалось бы, именно появление SoftSvitch стало ключевым этапом в процессе конвергенции сетей телекоммуникации, заставляющим индустрию перейти на новые технологические рельсы. Но даже разработчики, несмотря на наличие готовых концепций NGN, по-прежнему не готовы четко определить функциональность устройств, объединяемых понятием SoftSvitch. Причина этого довольно прозрачна: оборудование разных производителей сильно отличается друг от друга, а силы, способной сформировать единое видение, пока нет. Ясно одно, основная функция третьего уровня NGN - это управление соединением абонента А с абонентом Б.

Занимается этим специализированный сервер, «сервер соединений» по терминологии SoftSvitch. Большая мощность и производительность подобных серверов - это необходимое условие бесперебойной работы сети. Кроме того, при проектировании SoftSvitch необходимо учитывать специфические факторы IP-сетей, это необходимость обеспечения параметров QoS VoIP сети, разделение маршрутов потоков голоса и данных, управление маршрутизацией при наличии довольно пестрого спектра устройств - маршрутизаторов, конверторов сигнализации, пограничных контроллеров, шлюзов, прокси-серверов, абонентских терминалов, мультиплексоров и контроллеров широкополосного абонентского доступа различной природы. Добавьте сюда необходимость обеспечения параметров надежности, соответствующих системам операторского класса. Достаточно сложная и нетривиальная задача.

Четвертый уровень – уровень приложений Последним уровнем NGN принято считать уровень приложений. Его задача - это обеспечение всего спектра услуг, доступного на сетях следующего поколения. В большинстве случаев для реализации уровня приложений выделяются отдельные серверы и базы данных. На рис приведена обобщённая структура NGN, представляющая составные части сети нового поколения, базирующейся на пакетной передаче.

Понятие услуги NGN Повторяя определение, данное в рекомендации МСЭ-Т Y.2001, можно сказать следующее: NGN - это гетерогенная мультисервисная сеть, основанная на пакетной коммутации и обеспечивающая предоставление неограниченного спектра телекоммуникационных услуг. Такая сеть должна поддерживать передачу разнородного трафика с различными требованиями к качеству обслуживания и обеспечивать соответствующие запросы оператора и абонентов. На первый взгляд, мы бесконечно далеко ушли в этом определении от традиционных сетей, настолько далеко, что здесь не осталось места привычной нам телефонии. Однако, это не так. Ключевое слово здесь - услуга или сервис. Это всеобъемлющее понятие включает в себя различные виды трафика, в том числе и телефонию, точнее - канал ТЧ в составе услуги «Triple play», то есть телефон, данные и видеоинформация, передаваемые по одной абонентской линии.

NGN - это не физический объект, это - набор возможностей (инфраструктура, протоколы, приложения, интерфейсы), собранный воедино во времени и распределенный в пространстве для целей создания, развертывания и управления всеми возможными видами услуг (известными или пока не известными). Сюда входят услуги, использующие информационные потоки разного вида (звуковые, визуальные, аудиовизуальные) со всеми типами схем кодирования; услуги передачи данных в самых разных режимах - диалоговые, одноадресные, многоадресные, вещательные; услуги в реальном масштабе времени и в режиме, от времени не зависящем; услуги передачи всевозможных сообщений (коротких, мгновенных, мультимедийных) и услуги онлайновой переписки, больше известные под коротеньким названием "чат". Услуги с различными требованиями к ширине полосе от нескольких кбит/с до сотен Мбит/с, с гарантированной полосой или без нее.