Internet a sieci nowej generacji

Transkrypt

1 Józef LUBACZ*, Artur TOMASZEWSKI* Internet a sieci nowej generacji Jeszcze pod koniec lat osiemdziesi¹tych powszechnie s¹dzono, e rolê uniwersalnej infrastruktury technicznej, przeznaczonej do œwiadczenia us³ug telekomunikacyjnych, bêdzie pe³ni³a szerokopasmowa wersja sieci ISDN (B-ISDN) wykorzystuj¹ca technikê transferu ATM, stowarzyszona z zaawansowan¹ wersj¹ sieci inteligentnej IN. Sukces Internetu istotnie wp³yn¹³ na ewolucjê tych pogl¹dów: w drugiej po³owie lat dziewiêædziesi¹tych zaczê³o dominowaæ przekonanie, e przysz³oœæ uniwersalnej infrastruktury informacyjnej jest zwi¹zana z rozwojem technik komunikacyjnych opartych na protokole IP. Sieci IP, a w szczególnoœci Internet, zajê³y miejsce B-ISDN/ATM, przynajmniej w sferze spekulatywnej. Podstawowe czynniki decyduj¹ce o atrakcyjnoœci sieci Internet dla u ytkowników i operatorów to miêdzy innymi jej powszechnoœæ, wzglêdna ³atwoœæ realizacji nowych us³ug oraz prostota wêz³ów sieci i funkcji zarz¹dzania sieci¹. Prostota wêz³ów i funkcji zarz¹dzania wynika z tego, e wêz³y sieci Internet realizuj¹ prawie wy³¹cznie funkcje transportowe, natomiast us³ugi s¹ realizowane w do³¹czonych do sieci niezale nych wêz³ach us³ugowych. Jednoczeœnie jednak Internet charakteryzuje siê jak dotychczas stosunkowo nisk¹ jakoœci¹ transportu danych i niezawodnoœci¹ oraz wbrew pozorom ograniczonymi mo liwoœciami œwiadczenia zaawansowanych us³ug inteligentnych upowszechnionych w sieciach ISDN i GSM. Pokonanie tych trudnoœci okaza³o siê znacznie trudniejsze, ni pocz¹tkowo s¹dzono. W konsekwencji nast¹pi³a kolejna ewolucja pogl¹dów na temat przysz³ego kszta³tu infrastruktury informacyjnej. Wydaje siê, i obecnie stopniowo zaczyna przewa aæ przekonanie, e rozwój infrastruktury informacyjnej wymaga rozwi¹zania hybrydowego, zespalaj¹cego sieci PSTN/ISDN/IN/GSM z sieciami wykorzystuj¹cymi technikê IP, w szczególnoœci z sieci¹ Internet. Pojawi³ siê w zwi¹zku z tym nowy modny termin: sieci nowej generacji (Next Generation Networks NGN). W dalszej czêœci artyku³u bêdziemy u ywaæ rozpowszechnionego ju skrótu angielskiego NGN. Zasadniczym celem NGN jest udostêpnienie wszystkim potencjalnym uczestnikom komunikacji (dwu- i wielostronnej) zarówno us³ug dostêpnych w sieci Internet, jak i w sieci PSTN/ISDN/IN/GSM, z w³aœciwym dla tych ostatnich poziomem jakoœci i niezawodnoœci oraz zapewnienie wspó³pracy ró nych typów sieci transportowych. Zazwyczaj przyjmuje siê nastêpuj¹ce ogólne za³o enia ukierunkowuj¹ce koncepcjê NGN [1 4]: M funkcje transportowe i funkcje sterowania bêd¹ rozdzielone, a realizuj¹ce je wêz³y sieci bêd¹ udostêpniaæ standardowe styki komunikacyjne, M najwy sza warstwa transportowa sieci bêdzie oparta na wersji techniki komutacji pakietów umo liwiaj¹cej transportowanie g³osu, obrazu i danych z wymaganym poziomem jakoœci obs³ugi, M p³aszczyzna sterowania bêdzie wspieraæ œwiadczenie szerokopasmowych us³ug multimedialnych u ytkownikom stacjonarnym i ruchomym, zapewniaj¹c wymagany poziom niezawodnoœci i dostêpnoœci us³ug. Na rys. 1 przedstawiono typowe dla literatury przedmiotu zobrazowanie koncepcji NGN. Poni ej podano podstawowe elementy fizyczne urz¹dzenia NGN (w nawiasach podano proponowane przez autorów niniejszego tekstu polskie odpowiedniki terminów angielskich): M Media Gateway MG (brama medialna), M Access Gateway AG (brama dostêpowa), M Residential Gateway RG (brama abonencka), M Trunking Gateway TG (brama magistralna), M Signalling Gateway SG (brama sygnalizacyjna), M Media Gateway Controller MGC (sterownik bramy medialnej), M GateKeeper GK (kontroler dostêpu), M SoftSwitch, Call Server, Call Agent (sterownik po³¹czeñ), M SIP Server (serwer SIP), M Terminal TE. Z ide¹ NGN s¹ zwi¹zane propozycje realizacji us³ug hybrydowych, które wykorzystuj¹ funkcjonalnoœæ Internetu (ogólniej: sieci wykorzystuj¹cych technikê IP) i sieci PSTN/ISDN/IN/GSM. W szczególnoœci koncepcja PINT [5] polega na sterowaniu us³ugami sieci PSTN/ISDN/IN/GSM z Internetu; przyk³adowe us³ugi: inicjowanie po³¹czeñ telefonicznych/telefaksowych z aplikacji internetowych, nawigowanie w Internecie w trybie g³osowym za pomoc¹ telefonu. Rozwi¹zaniem komplementarnym do PINT jest koncepcja SPIRITS [5], polegaj¹ca na wykorzystaniu Internetu do wzbogacania funkcjonalnoœci us³ugowej sieci PSTN/ISDN/IN/GSM. Us³ugi SPIRITS s¹ oparte na przekazywanu informacji o zdarzeniach w tych sieciach do Internetu oraz ich * Instytut Telekomunikacji Politechniki Warszawskiej e mail: jl@tele.pw.edu.pl, artur@tele.pw.edu.pl 326 PRZEGLĄD TELEKOMUNIKACYJNY! ROCZNIK LXXIV! nr 5 6/2001

2 O Rys. 1. Typowa ilustracja koncepcji NGN. Oznaczenia: SIP, H.323, H.248, MEGACOP, Q. 931, SIGTRAN, Q. BICC protokoły komunikacyj ne NGN (por. [1 5]), TE ISDN ISDN Terminal, LE ISDN ISDN Local Exchange, SCP Service Control Point, ISUP ISDN Subscriber User Part, INAP Intelligent Network Application Part, MTP Message Transfer Part przetwarzaniu przez serwery aplikacji; przyk³adowa us³uga to ICW (Internet Call Waiting). W znanych autorom opisach koncepcji NGN zarówno funkcje, jak i powi¹zania elementów sieci, s¹ s³abo osadzone w ogólnych pojêciach odnosz¹cych siê do architektury funkcjonalnej i architektury fizycznej, tj. architektur stanowi¹cych kanon systematycznych opisów koncepcji systemowych i sieciowych. Zasadniczym celem niniejszego tekstu jest podjêcie próby przedstawienia koncepcji NGN w kategoriach tego kanonu. Ambicj¹ autorów by³o siêgniêcie wyobraÿni¹ architektoniczn¹ poza obecne, doœæ ograniczone, koncepcje NGN. Potrzeba uogólnieñ wydaje siê nagl¹ca, zwa ywszy szybk¹ ewolucjê pogl¹dów na to, jaki powinien byæ kszta³t przysz³ych sieci sieci jeszcze nowszej generacji. Dla uogólnienia, a zarazem uproszczenia dalszych opisów, bêdziemy stosowaæ nastêpuj¹c¹ konwencjê terminologiczn¹ i denotacyjn¹. Otó sieci wykorzystuj¹ce zestawy protoko³ów komunikacyjnych w³aœciwych sieciom ISDN, IN i GSM (a wiêc w szczególnoœci protoko³y zwi¹zane z systemem sygnalizacji SS7), bêd¹ nazywane sieciami ISDN*, natomiast sieci wykorzystuj¹ce protoko³y zwi¹zane z IP, a w szczególnoœci sieæ Internet, sieciami IP*. funkcja komutacji za kierowanie informacji, a funkcja konwersji za transformacjê postaci informacji. Wymiana informacji u ytkowej jest organizowana w sesje transportowe. Sesja transportowa jest zwi¹zana z przesy³aniem strumienia informacji u ytkowej pomiêdzy dwiema stronami us³ugi. Organizacja sesji wymaga wymiany informacji sterowania. Wymiana informacji sterowania zwi¹zana z organizowaniem sesji transportowej to sesja komunikacyjna. Grupa sesji transportowych i odpowiadaj¹cych im sesji komunikacyjnych zwi¹zanych z realizacj¹ ustalonej us³ugi to sesja usługowa. Grupa sesji us³ugowych zwi¹zanych z dostêpem u ytkownika do sieci to sesja dostępowa. Sesja komunikacyjna, sesja us³ugowa i sesja dostêpowa s¹ rodzajami sesji sterowania. Na rys. 2 przedstawiono hierarchiê zale noœci miêdzy sesjami poszczególnych typów. ARCHITEKTURA FUNKCJONALNA Opis architektury funkcjonalnej NGN wymaga wprowadzenia kilku pojêæ wstêpnych, porz¹dkuj¹cych przedmiot rozwa añ. Realizacja ka dej us³ugi telekomunikacyjnej wymaga wymiany dwóch typów informacji: informacji użytkowej i informacji ste rowania. Informacja u ytkowa jest wymieniana miêdzy koñcowymi uczestnikami komunikacji, zwanymi dalej stronami us³ugi, którymi mog¹ byæ ludzie lub maszyny. Informacja sterowania jest wymieniana pomiêdzy dwiema stronami us³ugi, miêdzy stron¹ us³ugi i elementem sieci lub miêdzy dwoma elementami sieci, w celu zorganizowania wymiany informacji u ytkowej lub informacji sterowania. Wymiana informacji jest realizowana za poœrednictwem dwóch podstawowych klas funkcji: funkcji transportowych i funkcji sterowania. Funkcje transportowe s¹ zwi¹zane z przesy³aniem strumieni informacji zarówno informacji u ytkowej, jak i informacji sterowania. Funkcje sterowania s¹ zwi¹zane z organizacj¹ wymiany informacji zarówno informacji u ytkowej, jak i informacji sterowania. Mo na wyró niæ nastêpuj¹ce funkcje transportowe: funkcję transmisji (FTR), funkcję komutacji (FKT), funkcję konwersji (FKW). Funkcja transmisji odpowiada za przesy³anie informacji, PRZEGLĄD TELEKOMUNIKACYJNY! ROCZNIK LXXIV! nr 5 6/2001 O Rys. 2. Hierarchia sesji Utworzenie i zakoñczenie sesji ka dego typu oraz sterowanie jej przebiegiem, w szczególnoœci uzgadnianie parametrów sesji, organizacjê wymiany informacji sterowania w ramach sesji i inicjowanie sesji innych poziomów hierarchii realizuj¹ funkcje ste rowania. Funkcje sterowania mo na zatem podzieliæ na nastêpuj¹ce typy, odpowiednio do wyró nionych typów sesji: funkcję sterowania dostępem (FSD), funkcję sterowania usługą (FSU), funkcję sterowania komunikacją (FSK), funk cję sterowania transportem (FST). Funkcje sterowania i wprowadzone wczeœniej funkcje transportowe zestawiono w tabeli 1. Wyró nia siê dwie podstawowe klasy bloków funkcjonal nych: bloki sterowania i bloki transportowe. Bloki sterowania przetwarzaj¹ (generuj¹ i interpretuj¹) informacjê sterowania zwi¹zan¹ z sesjami dostêpowymi, us³ugowymi i komunikacyjnymi. Bloki transportowe przetwarzaj¹ informacjê sterowania zwi¹zan¹ z sesjami transportowymi oraz przesy³aj¹ (kieruj¹ i przekszta³caj¹ postaæ) informacje u ytkowe i informacje sterowania. 327

3 O Tabela 1. Funkcje transportowe i funkcje sterowania Funkcje transportowe Funkcje sterowania Funkcja transmisji (FTR) Funkcja komutacji (FKT) Funkcja konwersji (FKW) Funkcja sterowania dostêpem (FSD) Funkcja sterowania us³ug¹ (FSU) Funkcja sterowania komunikacj¹ (FSK) Funkcja sterowania transportem (FST) O Tabela 2. Bloki funkcjonalne Blok funkcjonalny Blok transportowy (BT) Blok sterowania dostêpem (BSD) Blok sterowania us³ug¹ (BSU) Blok sterowania komunikacj¹ (BSK) Funkcje bloku Funkcja komutacji Funkcja konwersji Funkcja sterowania transportem Funkcja sterowania dostêpem Funkcja sterowania us³ug¹ Funkcja sterowania komunikacj¹ O Rys. 3. Dekompozycja strukturalno organizacyjna sieci O Tabela 3. Punkty odniesienia i protokoły komunikacyjne PunktBloki funkcjonalne Protokoły a d Blok sterowania dostêpem blok sterowania dostêpem H.225 a u Blok sterowania us³ug¹ blok sterowania Q.931, Q.2931, us³ug¹ SIP, Q.BICC a k Blok sterowania komunikacj¹ blok sterowania komunikacj¹ H.245 a t Blok transportowy blok transportowy TCP, RTP b ds Blok sterowania komunikacj¹ blok transportowy H.248 Mo na wyró niæ nastêpuj¹ce typy bloków sterowania: M blok sterowania dostępem (BSD), realizuj¹cy funkcjê sterowania dostêpem, M blok sterowania usługą (BSU), realizuj¹cy funkcjê sterowania us³ug¹, M blok sterowania komunikacją (BSK), realizuj¹cy funkcjê sterowania komunikacj¹, M blok transportowy (BT) realizuj¹cy nastêpuj¹ce funkcje transportowe i sterowania: funkcjê komutacji, funkcjê konwersji (opcjonalnie), funkcjê sterowania transportem. Bloki funkcjonalne i realizowane przez nie funkcje zestawiono w tabeli 2. Pomiêdzy blokami funkcjonalnymi mo na okreœliæ punkty od niesienia, a dla nich protoko³y komunikacyjne (ustanawiaj¹ce standaryzacjê styków interfejsów komunikacyjnych). Odpowiednie zestawienie podano w tabeli 3. DEKOMPOZYCJA STRUKTURALNO ORGANIZACYJNA SIECI W proponowanej tu dekompozycji sieæ jest podzielona w sensie strukturalno-organizacyjnym na segmenty i domeny. Typy segmentów sieci oraz zale noœæ miêdzy segmentami i domenami przedstawiono na rys. 3. Wyró nia siê dwa rodzaje segmentów sieci: M segment dostępowy (sieæ dostêpow¹), M segment szkieletowy (sieæ szkieletow¹). Sieæ dostêpowa sk³ada siê z dwóch segmentów: M segmentu dystrybucyjnego, M segmentu lokalnego. Sieæ szkieletowa sk³ada siê tak e z dwóch segmentów: M segmentu brzegowego, M segmentu dalekosiężnego. Ka dy segment mo e byæ podzielony na jedn¹ lub wiêcej domen. Domeny s¹ wyró niane z powodów technicznych lub z powodów zwi¹zanych z zasadami organizacji funkcji zarz¹dzania i administrowania (OAM). ARCHITEKTURA FIZYCZNA Wykorzystuj¹c wprowadzone powy ej elementy architektury funkcjonalnej i dekompozycji strukturalno-organizacyjnej, mo na uporz¹dkowaæ architekturê fizyczn¹ NGN (jej bardzo nie uporz¹dkowan¹ wersjê przedstawiono na rys. 1). NGN sk³ada siê z płaszczyzny sterowania i płaszczyzny transportowej. P³aszczyznê sterowania tworz¹ węzły sterowa nia. Ka dy wêze³ sterowania zawiera jeden lub wiêcej bloków funkcjonalnych sterowania. P³aszczyznê transportow¹ tworz¹ węzły transportowe. Ka dy wêze³ transportowy zawiera jeden lub wiêcej transportowych bloków funkcjonalnych. Wyró nia siê dwa podstawowe typy wêz³ów transportowych: bramy transportowe i wewnętrzne węzły transportowe. Oba te typy realizuj¹ zadania: zakoñczenia linii transmisyjnych, zarz¹dzania i konfiguracji portów transportowych (punktów koñcowych po³¹czeñ transportowych), organizacji po³¹czeñ transportowych (komutowania strumieni pomiêdzy portami transportowymi), zbierania statystyk dotycz¹cych po³¹czeñ transportowych itp. Podstawowa ró nica pomiêdzy dwoma powy szymi typami wêz³ów sprowadza siê do tego, e wewnêtrzny wêze³ transportowy nale y tylko do jednej domeny sieci, natomiast brama transportowa to wêze³ transportowy na granicy dwóch domen, realizuj¹cy konwersjê postaci przesy³anej informacji, jeœli jest to konieczne. Wyró nia siê dwa podstawowe typy wêz³ów sterowania: węzły sterowania dostępem i węzły sterowania usługami i połącze niami. Wêze³ sterowania dostêpem realizuje zadania: rejestracji terminali i u ytkowników, zarz¹dzania profilami u ytkowników, autentyfikacji terminali i u ytkowników oraz kontroli dostêpu do us³ug itp. Wêze³ sterowania us³ugami i po³¹czeniami realizuje natomiast takie zadania, jak: translacja adresów oraz lokalizacja terminali i bram transportowych, sterowanie przebiegiem us³ugi, negocjowanie parametrów transportowych i nawi¹zywanie po³¹czeñ komunikacyjnych, zarz¹dzanie przepustowoœci¹ warstwy transportowej. SYNTEZA Autorzy s¹dz¹, e wprowadzone powy ej pojêcia i ich zwi¹zki pozwalaj¹ na architektoniczne uporz¹dkowanie opisu sieci heterogenicznych o cechach zak³adanych obecnie dla NGN, ale tak- 328 PRZEGLĄD TELEKOMUNIKACYJNY! ROCZNIK LXXIV! nr 5 6/2001

4 O Rys. 4. Synteza architektur sieci NGN. Oznaczenia: TDM Time Division Multiplexing, MTP Message Transfer Part, STP Signalling Transfer Point, SCP Service Control Point e w ogólniejszym przypadku. Potrzeba ogólniejszego opisu zapewne niebawem siê pojawi, m. in. w zwi¹zku z planami wdro enia sieci komórkowych trzeciej generacji UMTS i nowej generacji sieci z komutacj¹ pakietów. W dalszych uwagach ograniczono siê jednak do obecnych, doœæ p³ynnych zreszt¹, koncepcji NGN, skoncentrowanych w zasadzie na ustaleniu zasad wspó³dzia³ania sieci ISDN* z sieciami IP* (por. oznaczenia wprowadzone na koñcu pierwszej czêœci niniejszego tekstu). Zwi¹zki wprowadzonych tu ogólnych pojêæ architektonicznych z elementami bie ¹cej koncepcji NGN s¹ nastêpuj¹ce. Trzy podstawowe standardy (dotychczas nie ustabilizowane) wykorzystywane w koncepcji NGN to H. 323/SIP i H. 248/MEGA COP [1 5] (notabene u ytkownicy komputerów PC wyposa onych w system operacyjny Windows maj¹ dostêp do oprogramowania Netmeeting stanowi¹cego implementacjê standardu H. 323 v. 1). W tabeli 4 zestawiono wyró nione powy ej bloki funkcjonalne i odpowiadaj¹ce im podstawowe elementy funkcjonalne poszczególnych standardów. Brama magistralna (MG Media Gateway), brama sygnalizacyjna (SG Signalling Gateway) oraz brama dostêpowa (AG Access Gateway) s¹ wêz³ami transportowymi typu brama transportowa, a zatem znajduj¹ siê na granicy dwóch domen sieci. Brama magistralna jest bram¹ informacji u ytkowej stosowan¹ na granicy domeny segmentu szkieletowego sieci u ytkowej ISDN* i domeny segmentu szkieletowego sieci transportowej IP*. Brama sygnalizacyjna (SG) jest bram¹ informacji steruj¹cej, stosowan¹ na granicy domeny sieci sygnalizacyjnej SS7 ISDN* i domeny segmentu szkieletowego sieci transportowej IP*. Brama dostêpowa (AG) jest jednoczeœnie bram¹ informacji u ytkowej i bram¹ informacji steruj¹cej, znajduj¹c¹ siê na granicy domeny segmentu dostêpowego ISDN* i domeny segmentu szkieletowego sieci transportowej IP*. Sterownik bramy medialnej (MGC Media Gateway Controller) i serwer SIP (SIP Server) to wêz³y sterowania us³ugami i po- ³¹czeniami, znajduj¹ce siê w domenie segmentu szkieletowego sieci IP*. Kontroler dostêpu (GK GateKeeper) to wêze³ stero- PRZEGLĄD TELEKOMUNIKACYJNY! ROCZNIK LXXIV! nr 5 6/2001 O Tabela 4. Bloki funkcjonalne a elementy funkcjonalne standardów NGN Blok funkcjonalny H.323 SIP H.248/MEGACO Blok transportowy Gateway Media Gateway Blok sterowania Terminal User Agent dostêpem Gateway ProxyServer Gatekeeper Redirect Server Registrar Blok sterowania TerminalUser Agent Media Gateway us³ug¹ Gateway ProxyServer Controller Blok sterowania Terminal Media Gateway komunikacj¹ Gateway Controller O Tabela 5. Bloki funkcjonalne i umiejscowienie elementów archi tektury fizycznej NGN Element Bloki funkcjonalne Domena architektury Terminal Blok transportowy Segment Blok sterowania dostêpem dostêpowy Blok sterowania us³ug¹ dystrybucyjny Blok sterownia komunikacj¹ Brama magistralna Blok transportowy IP Segment (funkcja konwersji TDM RTP/IP) szkieletowy Brama dostêpowa Blok transportowy IP Segment (funkcja konwersji TDM IP) dostêpowy Brama transportowa IP lokalny (funkcja konwersji LAPD H.248/IP) Brama Blok transportowy IP Segment sygnalizacyjna (funkcja konwersji SS7 MTP szkieletowy SIGTRAN/IP) Sterownik bramy Blok sterowania us³ug¹ Segment medialnej Blok sterowania komunikacj¹ szkieletowy Kontroler dostêpu Blok sterowania dostêpem Segment szkieletowy 329

5 wania dostêpem stosowany w domenie segmentu szkieletowego sieci IP*. Sterowniki po³¹czeñ (SoftSwitch, Call Server i Call Agent) to urz¹dzenia ³¹cz¹ce funkcje sterownika bramy medialnej (MGC), serwera SIP i kontrolera dostêpu (GK). W tabeli 5 przedstawiono bloki funkcjonalne i lokalizacjê poszczególnych elementów architektury fizycznej NGN. Na rys. 4 przedstawiono syntezê pojêæ odnosz¹cych siê do elementów architektury fizycznej, architektury funkcjonalnej i dekompozycji strukturalno-organizacyjnej sieci NGN. Autorzy maj¹ nadziejê, e proponowane uporz¹dkowanie pojêæ u³atwi Czytelnikowi zrozumienie istoty bie ¹cych koncepcji NGN, a byæ mo e oka e siê tak e u yteczne jako oparcie dla rozwa añ nad koncepcjami nastêpnych post-ngn generacji sieci telekomunikacyjnych. Autorzy sk³adaj¹ podziêkowania swojemu koledze z Instytutu Telekomunikacji PW doktorowi Markowi Œredniawie za cenne uwagi merytoryczne. LITERATURA [1] Modarressi A. R., Mohan S.: Control and Management in Next-Generation Networks: Challenges and Opportunities; IEEE Communications Magazine, Vol. 38, No. 10, October 2000 [2] Taylor T.: Megaco/H. 248: A New Standard for Media Gateway Control, ibid [3] Schulzrinne H., Rozenberg J.: The Session Initiation Protocol: Internet- -Centric Signaling, ibid [4] Liu H., Mouchtaris P.: Voice over IP Signaling: H. 323 and Beyond, ibid [5] Œredniawa M.: Przysz³oœæ sieci inteligentnych, PTiWT, nr 1, 2001 Artykuł recenzowany 330 PRZEGLĄD TELEKOMUNIKACYJNY! ROCZNIK LXXIV! nr 5 6/2001