Technika IP w sieciach dostępowych

Transkrypt

1 Krzysztof Łysek Instytut Systemów Łączności Wojskowa Akademia Techniczna Technika IP w sieciach dostępowych STRESZCZENIE Artykuł przedstawia ewolucję sieci dostępowej w kierunku sieci następnej generacji NGN (Next Generation Network). Przedstawiono zmiany architektury sieci wynikające z rosnącego znaczenia transmisji danych w trybie komutacji pakietów oraz zestaw protokołów przeznaczony do transmisji mowy w sieciach IP. WSTĘP Klasyczne sieci telefoniczne, zbudowane jako sieci z komutacją kanałów analogowych, zyskały w trakcie swojego rozwoju setki milionów użytkowników i stały się najbardziej powszechnymi sieciami telekomunikacyjnymi. Znacznie mniej abonentów liczyły sieci teleksowe a jeszcze mniejszy zasięg miały publiczne sieci pakietowej transmisji danych. Taka sytuacja wydawała się oczywistą konsekwencją faktu, że mowa jest podstawowym sposobem porozumiewania się ludzi różne formy wykorzystania pisma stanowią jego uzupełnienie. Koncepcja ISDN uwzględniała to dominujące znaczenie usługi telefonii do tego stopnia, że jako jedną z najważniejszych zalet tych sieci przedstawiano wysoką jakość transmisji mowy. Wprawdzie standardy sieci ISDN definiowały dostęp do publicznych sieci komutacji pakietów, jednak w interfejsie dostępu podstawowego z całkowitej przepływności 144kbit/s tylko 16kbit/s przeznaczono dla pracy w trybie komutacji pakietów (w tym na sygnalizację). Gwałtowny rozwój komputerów osobistych, będący rezultatem rewolucji technologicznej w elektronice spowodował gruntowne zmiany poglądów na temat wymagań stawianych współczesnym i przyszłym sieciom telekomunikacyjnym. Użytkownicy komputerów uzyskali nowe możliwości gromadzenia i zobrazowania informacji, co stworzyło ogromne potrzeby w zakresie transmisji danych i realizacji całego wachlarza nowych usług telekomunikacyjnych. Najlepszym środkiem do zaspokojenia tych potrzeb stała się sieć Internet, klasyczny przykład sieci z komutacją pakietów. W 2001 roku ilość bajtów danych przesyłanych w sieciach telekomunikacyjnych w celu realizacji usług związanych z transmisją danych przekroczyła ilość danych przesyłanych w celu transmisji mowy. Obecnie dla coraz liczniejszej grupy abonentów przy ocenie oferty operatora największe znaczenie ma cena i jakość dostępu do Internetu. SIECI NASTĘPNEJ GENERACJI W odpowiedzi na oczekiwania abonentów operatorzy szybko zapewnili możliwość dostępu do sieci Internet. Najprostszą metodą okazała się możliwość zestawiania kanałów telefonicznych pomiędzy wyposażeniem abonenta a węzłem dostępowym sieci Internet. Takie rozwiązanie ogranicza jednak możliwość korzystania ze zwielokrotnienia statystycznego - cennej właściwości sieci z komutacją pakietów. Kolejnym rozwiązaniem było wykorzystanie pętli abonenckich istniejącej sieci telefonicznej do utworzenia osobnych kanałów łączących abonenta z siecią telefoniczną i z siecią Internet. Daje ono wprawdzie możliwość równoczesnego korzystania z usług sieci telefonicznej i Internetu, jednak nie umożliwia prostej realizacji usług multimedialnych.

2 Pętla abonencka PSTN Modem xdsl Węzeł dostęp. IP Rys. 1. Dostęp do sieci telefonicznej i do Internetu przez różne kanały jednej pętli abonenckiej Rozwój techniki transmisji mowy w sieciach IP sprawił, że zaistniała możliwość odmiennego wykorzystania istniejących pętli abonenckich: zamiast tworzenia osobnych kanałów do transmisji mowy i danych można utworzyć jeden kanał w którym dane będą przesyłane w postaci pakietów IP z których część będzie przenosiła ruch skierowany do sieci telefonicznej/isdn. Adapter Modem xdsl Pętla abonencka IP IP IP IP Węzeł dostęp. PSTN/ISDN Rys. 2. Dostęp do sieci telefonicznej i do Internetu przez strumień pakietów IP w pętli abonenckiej Rosnący udział ruchu związanego z transmisją danych spowodował, że przewiduje się, iż w następnej generacji sieci telekomunikacyjnych będzie dominować technika komutacji pakietów. Trwają zakrojone na szeroka skale prace nad standaryzacją i implementacją rozwiązań umożliwiających realizację następujących zadań: Zagwarantowanie jakości usług związanych z transmisją mowy w sieciach pakietowych na poziomie nie niższym niż w obecnych sieciach z komutacją pakietów; Zapewnienie pełnej współpracy wprowadzanych rozwiązań z istniejącą siecią telefoniczną i maksymalne wykorzystanie jej infrastruktury; IP

3 Wprowadzenie nowego pakietu usług telekomunikacyjnych wykorzystujących w pełni możliwości sieci z komutacją pakietów w których istnieje możliwość gwarantowania jakości obsługi. Dotychczasowe doświadczenia płynące z zastosowania techniki IP w łączach o różnych szybkościach, różnych mediach, transmisyjnych, różnych konfiguracjach (w tym magistrali, czy pierścienia) pozwala przewidywać, że uczynienie z niej podstawy dostępu abonenta do sieci przyczyni się do zmiany architektury i ułatwi wprowadzenie nowej gamy usług. KONCEPCJA SOFTSWITCH W klasycznych sieciach telefonicznych istniał szereg powiązań ograniczających możliwość wyboru zestawu usług zarówno operatorom jak i użytkownikom. Niemal wszystkie usługi były świadczone przez węzły komutacyjne w których sprzęt, sygnalizacja i aplikacje w zasadzie musiały pochodzić od jednego dostawcy. Duży wysiłek włożony w standaryzację sieci ISDN zaowocował wprawdzie rozszerzeniem możliwości współpracy pomiędzy węzłami komutacyjnymi, dostępowymi i urządzeniami końcowymi pochodzącymi od różnych producentów, jednak pozostały istotne ograniczenia. Właściciel centrali ISDN, pragnący udostępnić abonentom nową usługę, nawet z zakresu dokładnie zdefiniowanych usług dodatkowych, jest całkowicie uzależniony od tego, czy producent tą usługę zaimplementował w oprogramowaniu centrali lub czy oferuje jego aktualizację. Operator, który chce nową usługę zaoferować wszystkim abonentom musi nie tylko zaimplementować ją we wszystkich centralach ale również zweryfikować możliwość ich współpracy. Z kolei dla abonenta sieci ISDN, który chciałby skorzystać z usługi np. AO/DI, jest uzależniony od tego, czy centrala ISDN do której jest przyłączony oraz czy operator, będący właścicielem centrali, tą usługę oferuje. Taka sytuacja jest konsekwencją faktu, ze w sieci telefonicznej niemal cały ciężar realizacji usług spoczywał na węzłach sieci, podczas gdy udział terminali abonenckich w tym procesie był mocno ograniczony. Sieci ISDN odziedziczyły ten centralistyczny model. Jedną z istotnych przyczyn sukcesu Internetu jest jego zdecentralizowany charakter, stwarzający możliwość wprowadzania nowych rozwiązań niemal wszystkim jego użytkownikom. Taka sytuacja wynika z faktu, że węzły komutacyjne sieci IP routery operują tylko niewielką liczbą funkcji związanych z dostarczeniem datagramu od nadawcy do odbiorcy. Pozostałe funkcje potrzebne do realizacji usługi są skupione w serwerach i stacjach roboczych. Względna prostota routerów IP jest zarazem atutem i mankamentem utrudnia zagwarantowanie użytkownikowi dostępu do takiej części zasobów sieci, która zapewni pożądaną jakość realizacji usługi. Określenie softswitch, często pojawiające się w kontekście rozważań na temat sieci następnej generacji, opisuje cechy pewnej koncepcji, kierunku rozwoju sieci i obejmuje szereg zagadnień związanych z próbą połączenia korzystnych cech występujących w sieciach komutacji kanałów (PSTN, ISDN) i komutacji pakietów (IP). Realizacja tej koncepcji wiąże się ze zmianami architektury sieci i funkcjonalności usług telekomunikacyjnych dostosowanej do wymagań techniki IP i umożliwiającej współpracę z istniejącymi klasycznymi sieciami telekomunikacyjnymi. Ma polegać na wyraźnym oddzieleniu modułów realizujących funkcje transportowe od modułów obsługujących sygnalizację i sterujących realizacją usług oraz od modułów bezpośrednio realizujących usługi

4 PSTN/ISDN Centrala Usługi i aplikacje Sygnalizacja Komutacja i transport SOFTSWITCH Usługi i aplikacje Zestaw otwartych protokołów Sygnalizacja i sterowanie Zestaw otwartych protokołów Komutacja i transport Rys. 3. Klasyczne sieci telekomunikacyjne i koncepcja softswitch W maju 1999 roku powstało International Softswitch Consortium konsorcjum non-profit które skupia obecnie ok. 200 producentów sprzętu, oprogramowania i aplikacji dla telekomunikacji. Stawia sobie za cel promowanie otwartej, rozproszonej architektury sieci, która umożliwi dostarczanie abonentowi mowy, danych i multimediów przez wybranego dostawcę. ZALECENIE I ZALECENIA POKREWNE Lokalne sieci pakietowe, w przeciwieństwie do sieci telefonicznych, rzadko pracują w konfiguracji gwiaździstej, rzadko korzystają ze centralistycznego modelu dostępu do usług. Jest oczywiste, że pełnowartościowy system do komunikacji głosowej musi dawać możliwość połączenia z publicznymi sieciami telekomunikacyjnymi. Istnieje konieczność zarządzania uprawnieniami, uwierzytelniania użytkowników, jest pożądana możliwość realizacji połączeń konferencyjnych. Zalecenie zawiera definicję systemu multimedialnego składającego się z komponentów logicznych realizujących wymienione zadania w środowisku sieci LAN (Rys. 4 oraz opisuje sposób komunikacji pomiędzy komponentami Model nie jest zależny od technologii sieci, choć zostały wspomniane najpowszechniejsze standardy, takie jak: Ethernet, Fast Ethernet, FDDI, Token Ring, ATM. W obrębie sieci lokalnej Terminale mogą nawiązywać pomiędzy sobą połączenia w konfiguracji punkt-punkt bez pośrednictwa pozostałych komponentów. Połączenia konferencyjne wymagają zastosowania MCU - jednostki sterowania połączeniami wielopunktowymi. Kluczową rolę w systemie pełni Gatekeeper (strażnik), który stanowi centralny punkt zarządzania połączeniami. Do jego zadań należy: translacja adresów, przyznawanie prawa do realizacji połączenia, autoryzacji, zarządzania pasmem, zarządzania połączeniami (w celu np. wskazywania zajętości), wymiana informacji sygnalizacyjnej.

5 Gatekeeper Terminal MCU Terminal Sieć lokalna Gateway Terminal Sieć N-ISDN lub B-ISDN lub PSTN lub QOS LAN Telefon, Terminal V.70, H.321, H.322, H.324 Rys. 4. Komponenty logiczne systemu multimedialnego wg Sterowanie przebiegiem połączenia przebiega zgodnie z Zaleceniem H Sygnał mowy możne być zakodowany zgodnie z jednym z Zaleceń: G.711, G.722, G.723, G.728, G.729. Do połączenia z terminalem pracującym w innej sieci konieczne jest skorzystanie z pośrednictwa Gateway'a (bramy), który dokonuje transkodowania sygnałów audio i wideo oraz obsługuje sygnalizację i steruje połączeniami wychodzącymi poza sieć lokalną. W przypadku realizacji koncepcji zapewnienia dostępu do usług sieci telefonicznej (ISDN) oraz do Internetu przez komutację pakietów w sposób przedstawiony na Rys. 2, w obrębie węzła dostępowego muszą być realizowane funkcje gateway a i gatekeepera. PROJEKT TIPHON Projekt ETSI TIPHON (ang. Telecommunications and Internet Protocol Harmonisation Over Networks) ma precyzować współdziałanie usługi tradycyjnej transmisji mowy w sieci z nowymi, pojawiającymi się w sieciach nowej generacji opartych na protokole IP. Specyfikacje tworzone w ramach projektu TIPHON opisują migrację do sieci nowej generacji NGN (ang. Next Generation Networks). Zasadniczym celem NGN jest udostępnienie wszystkim potencjalnym uczestnikom komunikacji (dwu- i wielostronnej) zarówno usług dostępnych w sieci Internet, jak i w sieci PSTN/ISDN/GSM, z właściwym dla tych ostatnich poziomem jakości i niezawodności oraz zapewnienie współpracy różnych typów sieci transportowych. Jednym z jego rezultatów tego jest opracowanie rozproszonej architektury Bramy (Gateway) i zdefiniowanie zasad współpracy jej komponentów, co pozwala na zastosowanie wyspecjalizowanych rozwiązań, pochodzących od różnych dostawców, w celu współpracy klasycznych sieci telekomunikacyjnych z różnymi wariantami sieci IP, stosowanymi w obszarze dostępowym. W skład Bramy wchodzą: Media Gateway brama dla mediów jednostka odpowiedzialna za realizację połączenia zapewnia połączenie pomiędzy różnymi mediami fizycznymi, dokonuje konwersji pakietów na strumień bajtów I odwrotnie, kojarzy numer kanału z zawartością nagłówka pakietu, dokonuje transkodowania sygnału mowy, jeśli zachodzi taka potrzeba, generuje i wykrywa takie sygnały jak cyfry DTMF, czy sygnał zgłoszenia; Signalling Gateway brama dla sygnalizacji jednostka odpowiedzialna za wymianę informacji sygnalizacyjnej pomiędzy siecią komutacji kanałów a siecią komutacji pakietów. Zawiera punkty końcowe sygnalizacji SS7, Q.931, V.5.2,. SIP. Często jest implementowana razem z bramą dla mediów (Media Gateway); Media Gateway Controller sterownik bramy dla mediów jednostka odpowiedzialna za

6 sterowanie przydziałem zasobów brama dla mediów (Media Gateway) i sterowanie przebiegiem połączeń na podstawie informacji wymienianej z bramą dla sygnalizacji (Signalling Gateway). jest najważniejsza jednostką sterującą całego zespołu. Media Gateway Controller IP SIGTRAN MEGACO Signalling Gateway Media Gateway PSTN/ISDN SS7 SAP Rys. 5. Struktura Gateway a wg. TIPHON Komunikacja pomiędzy jednostkami Bramy odbywa się Sieci IP, przy użyciu protokołów SIGTRAN i MEGACO. Protokół SIGTRAN został zaprojektowany w IETF dla przenoszenia w sieci IP komunikatów sygnalizacyjnych sieci z komutacją kanałów. Protokół MEGACO (RFC 3015) wywodzi się z protokołów MGCP i H.248. Obydwa jako mogą wykorzystywać w warstwie transportowej zarówno TCP jak i UDP. Oznacza to, że jednostki Bramy mogą być zlokalizowane w różnych punktach sieci dostępowej IP i komunikować korzystając z jej elementarnych usług. Dzięki takiemu rozwiązaniu w jednej sieci dostępowej może występować kilka bram dla mediów (np. z powodu występowania różnych technik transmisyjnych) i kilka sterowników bram dla mediów. Elementy te mogą pochodzić od różnych producentów. Takie rozwiązanie ułatwia zapewnienie skalowalności sieci zarówno pod względem rozmiaru jak i zestawu obsługiwanych mediów czy świadczonych usług. Sterownik bramy dla mediów (Media Gateway Controller) pełni w tym zestawie na tyle kluczową rolę, ze bywa określany mianem softswitch a. Protokół MEGACO umożliwia tworzenie połączeń w których jednocześnie uczestniczą urządzenia końcowe sieci komutacji kanałów (PSTN, ISDN) oraz komutacji pakietów (IP). mogą to byś połączenia symetryczne i asymetryczne, jeno- i dwukierunkowe, w konfiguracji punkt-punkt i punktwielopunkt, przeznaczone do przesyłania mowy, danych i wideo. Korzystając z funkcji MEGACO sterownik bramy dla mediów (Media Gateway Controller) może przydzielać zasoby i odbierać dostęp do określonych mediów i zasobów, elastycznie dostosowując go do potrzeb związanych z realizacją usług. Umożliwia określenie parametrów transferu strumienia danych z uwzględnieniem metody adaptacji przepływności. Pozwala na monitorowanie określonych zdarzeń i powiadamianie w przypadku ich wystąpienia. Ma wbudowane mechanizmy zapewniające bezpieczną wymianę informacji, w tym mechanizmy uwierzytelniania.

7 W sieci dostępowej IP przedstawionej na Rys. 6. można wyróżnić dwa rodzaje bram dostępu do mediów: bramy dostępowe (Access Media Gateway) i bramy magistralowe (Trunking Media Gateway). Pierwsze z nich zapewniają współprace z analogowymi aparatami telefonicznymi, mogą być wbudowane w zintegrowane urządzenie dostępowe IAD (Integrated Access Device) np. modem xdsl czy modem kablowy. Drugie z nich mają zapewnić połączenie przez interfejs dostępowy sieci komutacji kanałów V5.2 Media Gateway Controller SIGTRAN Signalling Gateway Access M G Access M G Sieć dostępowa IP MEGACO Trunking M G V5.2 PSTN/ISDN Access M G IAD Sieć szkieletowa IP Rys. 6. Przykład sieci dostępowej IP PROOTOKÓŁ SIP Ewolucja sieci przebiega w kierunku rozproszenia i decentralizacji inteligencji odpowiedzialnej za realizację usług. Sieć nowej generacji stanowi połączenie koncepcji klasycznej sieci właściwej dla sieci z komutacją kanałów, opartej na scentralizowanym modelu realizacji usług i modelu specyficznego dla Internetu, w którym głupia nieinteligentna sieć pakietowa służy jedynie do transportu strumieni informacji między inteligentnymi serwerami aplikacji i terminalami. W odniesieniu do sieci nowej generacji główne znaczenie mają dwa rozwiązania: rodzina protokołów (Zalecenia wraz z H.245, H.225 i H.450) opracowana przez ITU-T i protokół SIP (Session Initiation Protocol) zdefiniowany przez IETF jako RFC Oba protokoły mają zbliżoną funkcjonalność i wykorzystuj ą te same protokoły RTP, RTCP, RSVP, UDP i TCP do transportu mediów. Różnią się one natomiast podejściem do projektowania i realizacji usług oraz wizją architektury sieci. Zalecenie wywodzi się z klasycznego nurtu telekomunikacyjnego (przeniesienie standardu wideokonferencji ISDN H.320 w środowisko sieci pakietowych LAN/WAN). Natomiast SIP

8 reprezentuje filozofię internetową. SIP jest protokołem tekstowym warstwy aplikacji, typu klient - serwer, przeznaczonym do inicjowania, ustanawiania, modyfikacji i kończenia interaktywnych multimedialnych sesji komunikacyjnych dla dwóch lub więcej uczestników. Sesją może być np. wideokonferencja, telefonia internetowa (komunikacja głosowa z wykorzystaniem techniki VoIP), wspólne nawigowanie po Internecie. W sesji mogą uczestniczyć zarówno użytkownicy, jak i aplikacje. W trakcie sesji można dołączać kolejnych uczestników oraz zmieniać wykorzystywane media. Protokół SIP może być wykorzystany do inicjowania sesji, a także do zapraszania uczestników do sesji już istniejących, które zostały wcześniej rozgłoszone i ustanowione innymi środkami. Do opisu mediów używanych podczas sesji jest stosowany protokół SDP (Session Description Protocol). Protokół SIP w przezroczysty sposób realizuje funkcje odwzorowywania adresów i przekierowywania, co umożliwia implementację w sieciach pakietowych IP usług znanych z ISDN a także nowych usług integrujących funkcjonalność PSTN, sieci inteligentnych i Internetu. Rodowód protokołu SIP sprawia, że dziedziczy on wiele mechanizmów i cech protokołów internetowych i można go uważać za rozwinięcie protokołu HTTP. Podobnie jak w HTTP, wiadomości SIP, nazywane metodami, przekazują dane wykorzystując mechanizm MIME. Identyfikatory SIP URL, służące do adresacji użytkowników, są w formie zbliżone do adresów w poczcie elektronicznej (user@host) i mogą pełnić rolę odsyłaczy umieszczanych na stronach WWW lub innych hiperłączach i informować, że użytkownik jest dostępny przez SIP. Koncepcja SIP URL uwzględnia także możliwość użycia numeru telefonicznego zgodnego z Zaleceniem E.164 jako prawidłowego adresu. Adres SIP składa się z nazwy użytkownika (lub jego numeru telefonicznego w PSTN) i nazwy węzła sieci (lub bramki) pełniącego rolę serwera SIP. Adresy SIP uwzględniają plan numeracji E.164. W związku z tym przykładowi użytkownicy mogą mieć następujące adresy: sip: Jan.Kowalski@domena.com sip: @gateway.com; user=phone Odsyłacze SIP mogą być umieszczane na stronach WWW i służyć jako mechanizm inicjowania połączeń telefonicznych (via adres w poczcie elektronicznej). Można sobie wyobrazić, przez analogię do usługi IN połączenia bezpłatnego, np. usługę bezpłatnego URL. Ważną cechą SIP jest niezależność od wykorzystywanego protokołu transportowego. Dzięki wspomnianym cechom protokół SIP może być użyty do realizacji zupełnie nowych kategorii usług integrujących funkcjonalność klasycznej sieci telefonicznej, Internetu i sieci IP. PODSUMOWANIE Postępująca integracja tradycyjnych sieci telefonicznych i Internetu sprawia, że pojawiają się standardy definiujące sposób wykorzystania sieci Internet do inicjowania połączeń w tradycyjnej sieci telefonicznej (RFC protokół PINT), czy też wysłania żądania przesłania głosowej zawartości strony WWW do abonenta sieci telefonicznej. Zostały opracowane standardy sterowania przebiegiem połączeń związanych z transmisją mowy zarówno w obrębie sieci IP jak i pomiędzy użytkownikami tych sieci a abonentami klasycznych sieci telefonicznych. W ITU-T powstało zalecenie, opisujące systemy przeznaczone do komunikacji multimedialnej wykorzystujące sieci z komutacją pakietów. W IETF zaproponowano protokół SIP (wraz z protokołami SDP i SAP) przeznaczony do sterowania przebiegiem multimedialnych sesji komunikacyjnych. Wprowadzenie nowej architektury w sieci dostępowej ułatwia integrację usług świadczonych przez różne media transmisyjne za pomocą różnych technik komunikacyjnych. Normą staje się oferowanie zarówno klasycznych usług telefonicznych jak i dostępu do Internetu za pośrednictwem sieci telewizji kablowej czy sieci dostępu radiowego. Nowa architektura jest podatna na wprowadzanie kolejnych generacji usług bez potrzeby

9 kosztownej modernizacji sprzętu sieciowego. Przykładem jest zarówno coraz większa oferta usług związanych z handlem elektronicznym (popularność serwisu allegro.pl), bankowością elektroniczną, (mbank, Intelligo), czy komunikatorów (np. Gadu-Gadu). Wszystkie wymienione przykłady nie wymagały dla szczególnej współpracy z operatorem sieci. Tak szerokie możliwości budzą nawet pewne obawy u operatorów sama transmisja danych jest coraz tańsza a możliwości uzyskiwania korzyści z wprowadzania nowych usług rosną. Z pewnością można oczekiwać całej gamy nowych propozycji wykorzystujących możliwości protokoły SIP. Został już zaimplementowany w aplikacji Messenger wchodzącej w skład najnowszych systemów operacyjnych firmy Microsoft jako następca MS Netmeeting aplikacji umożliwiającej realizację połączeń wideokonferencyjnych zgodnych z. BIBLIOGRAFIA ETSI TR : "Telecommunications and Internet Protocol Harmonization over Networks (TIPHON) " Handley, Schulzrinne, Schooler and Rosenberg, Session Initiation Protocol (SIP), RFC 2543, IETF, March M. Średniawa Przyszłość sieci inteligentnych, PTiWT, nr 1,2001 J. Lubacz, A. Tomaszewski Internet a sieci nowej generacji, PTiWT, nr 1,2001