Технологии построения мультисервисных сетей. Часть 1

Технологии построения мультисервисных сетей. Часть 1
Автор | Вячеслав Чулков


Сегодня никому не нужно доказывать, что операторы связи должны предоставлять своим абонентам мультисервисные услуги. То есть предоставлять услуги теле и радио вещания, доступ в Интернет, телефонию. Без этого оператор не имеет никаких шансов на успех.

Главный инструмент любого оператора это его распределительная сеть, которая должна обеспечить максимально дешевый, высокоскоростной, стабильный доступ до максимального количества потребителей его услуг – абонентов. Ведь именно им он продает свои услуги и они обеспечивают ему доход. И сеть строится именно под эту задачу. Именно на строительство и обслуживание сети уходит наибольшее количество времени и средств. В этом все операторы связи сходны. Различия проявляются лишь в том, какие среды и технологии используются для ее создания.

При проектировании своей сети оператору приходится сталкиваться с множеством технических решений. Существует огромное количество технологий и их версий, используемых для построения сетей – параллельные сети (RF overlay), гибридные сети (HFC), DOCSIS, RFoG, PON, GSM, MoCA, VSAT, PLC, WiFi, WiMax, xDSL. И все они обещают оператору решить все его задачи. Действует золотое правило рекламы: «говорить правду, чистую правду, но не всю правду!». И, в результате, оператору весьма сложно не запутаться в нюансах технологий и выбрать правильное решение чтобы не потратить свои деньги впустую.

В этой статье я постараюсь не вникая в тонкости разных технологий сравнить их, показать преимущества и недостатки, технические ограничения и оптимальные области применения. Надеюсь, что это поможет операторам ориентироваться в этом разнообразии и принимать правильные решения. Также я постараюсь описать методические подходы, которые позволят, используя небольшое количество базовых законов, оценить возможности и перспективы различных решений.

Начнем анализировать

Прежде чем начинать создавать мультисервисную сеть, как и в любом другом деле, следует понять, что же оператор будет доставлять абоненту? Ведь заявляемый перечень услуг весьма разнообразен, это:

·        

  • Аналоговое телевидение,

  • ·         Цифровое телевидение,

  • ·         Радиовещание,

  • ·         Платное телевидение,

  • ·         Доступ в Интернет,

  • ·         Телефония,

  • ·         OTT вещание,

  • ·         Skype,

  • ·         IPTV вещание,

  • ·         Доступ к IP видеокамерам,

  • ·         Телемедицина,

  • ·         И множество других, еще не придуманных, услуг…

Но при всем разнообразии предлагаемых мультисервисных услуг их можно разделить всего на два типа – вещательные услуги и услуги сети доступа.


Вещательные услуги 

В чем их особенности? Вещательные услуги – это массовые услуги, предоставляемые одновременно всем абонентам. К ним относятся услуги вещательного телевидения и радиовещания, а также мультикастовое вещание в IP сетях. Парадоксально, но даже платное телевидение, предназначенное «не для всех», по технологии доставки также относится к вещательным услугам. Это обуславливается тем, что закрытые пакеты платного телевидения доставляются безадресно, до всех абонентов сети, но ключи для дешифрации доставленного контента, получают только абоненты, подписавшиеся на услугу.

Другой тип услуг – услуги доступа. Это индивидуальные услуги конкретному абоненту. К ним относится доступ в Интернет, телефония, чаты, OTT вещание. К особенностям этого типа услуг относится необходимость передачи информации между (и только между) конкретными абонентами сети. Такими соединениями могут быть как соединения между индивидуальными абонентами, так и клиент-серверные соединения и соединения провайдер-абонент.

Оптимальные структуры сетей, при всей их похожести, необходимые для предоставления этих двух типов услуг, различны. Непонимание или недооценка этих различий явились главной причиной провала множества попыток применения различных технологий при попытке построения мультисервисных сетей.

На рисунке 1. изображена оптимальная структура сети для предоставления вещательных услуг. Это централизованная структура. В ее голове стоит вещатель, который на своей головной станции формирует пакет вещательных услуг. Это может быть вещательный радиопередатчик, спутниковый телепорт, головная станция кабельного телевидения, IPTV стример и т.д. Сегодня форматы различных видов вещательных сервисов фактически унифицировались в цифровой формат, что упрощает построение вещательных сетей и унифицирует их формат с сетями передачи данных. Поэтому, далее, я буду говорить только о цифровых потоках. Вещатель подает сформированный цифровой поток в вещательную сеть, через которую эта информация в неизменном виде доходит до входов абонентских терминалов.

рис 1.png

Рисунок 1.

В качестве типовых примеров вещательных сетей может выступать эфирная и спутниковая ТВ и радио сеть, сеть кабельного ТВ вещания, радиотрансляционная сеть, сети проводного вещания.

К особенностям такого вида сетей можно отнести следующее:

1.      Это однонаправленная сеть

2.      Пропускная способность сети и битрейт вещательных потоков одинаков на всех сечениях сети – от выхода головной станции сети до абонентского терминала.

3.      Нет логических ограничений на количество абонентов сети. Могут быть ограничения, связанные с физическими параметрами сигналов – затуханием, искажениями, шумами и т.д. Но это ограничения используемых технологий, которые за счет их правильного выбора могут быть практически сняты.

4.      В узлах сети не требуется установка интеллектуальных устройств. В ряде случаев они могут вообще не потребоваться или это будут простые пассивные устройства.

5.      Как следствие вышесказанного такие сети надежны и недороги в создании и обслуживании.


Услуги сетей доступа 

На рисунке 2. изображена оптимальная структура сети для предоставления услуг доступа. Это клиент-серверная структура, в которой в голове сети стоит оборудование провайдера, которое управляет всем обменом в сети. Даже общение между соседними абонентами производится через провайдера. Такое построение позволяет обеспечить эффективное управление работой сети и защиту данных.

рис2.png


Рисунок 2.

 

Внешне эта структура очень похожа на структуру вещательной сети. Это оказалось одной из причин того, почему разработчики мультисервисных сетей пытались создавать их модернизируя существующие вещательные сети. Ярчайшим представителям этой концепции является технология DOCSIS. Но, при более внимательном рассмотрении становится видно, что характеристики сетей существенно отличаются.

Сравним по пунктам:

1.      Это двунаправленная сеть

2.      Пропускная способность и битрейт вещательных потоков на разных уровнях сети значительно различаются – от абонентского терминала до сервера провайдера потоки в сети суммируются, и на уровне провайдера требуемая пропускная способность сети должна быть на несколько порядков больше, чем на уровне абонента.

3.      Количество абонентов в сети ограничено гарантированным битрейтом на абонента и доступной пропускной способностью сети на различных уровнях.

4.      В узлах сети должны устанавливаться интеллектуальные устройства – коммутаторы/маршрутизаторы.

5.      Как следствие вышесказанного такие сети должны отвечать иным требованиям чем вещательные сети, они существенно дороже в проектировании, строительстве и обслуживании.

В качестве примеров таких сетей можно привести телефонные сети или Ethernet сети передачи данных.

Нельзя не упомянуть еще одну структуру сети, используемую для построения сетей передачи - сети на основе общей среды передачи (Shared media), рисунок 3. Это далеко не оптимальные сети для передачи данных. Но, благодаря их простоте и дешевизне, они широко используются как самостоятельно, так и как составные части крупных мультисервисных сетей. Общая среда логически объединяет абонентские терминалы между собой. Вся информация, передаваемая и принимаемая абонентскими терминалами через эту среду присутствует на входах всех устройств. Из объединенного потока информации каждое конкретное абонентское устройство выбирает информацию, предназначенную именно для него. Информация в таких сетях практически не защищена от несанкционированного доступа или хакерских атак. Кроме того, из-за отсутствия фильтрации трафика такие сети легко перегружаются и перестают нормально функционировать, либо из-за ограничений пропускной способности среды или по ограничениям пропускной способности абонентских портов. Это ограничивает максимальное количество абонентов, объединяемых такой сетью. Это число составляет от десятков до сотен абонентов. Обычно они используются как домашние сети, сети малых офисов или как часть низовой инфраструктуры крупных мультисервисных сетей, например xPON или DOCSIS. К таким сетям можно отнести одноранговые сети на базе 10/100BASE-T или устаревшего 10BASE2, WiFi сети, PLC и др.

рис 3.png

Рисунок 3.

Итак, строим сеть …

При построении мультисервисной сети оператор должен объединить в одном проекте очень разнородные требования к структуре и пропускной способности сети. Как это сделать оптимальным образом? Обзору технологий используемых для реализации этой задачи посвящено дальнейшее рассмотрение. Но сначала ответим на вопрос, а зачем нам создавать мультисервисную сеть на базе двух видов сетей?

Стоит ли использовать два вида сетей или «все в одной»? Решение на базе MetroEthernet сети.

При решении вопроса о создании мультисервисной сети встает вопрос – а может быть достаточно создать только сеть доступа (MetroEthernet) и предоставлять вещательные услуги через нее? Такие идеи были популярны на раннем этапе создания мультисервисных сетей. Тем более что это действительно возможно. Ведь, если сеть доступа предоставляет индивидуальные услуги абоненту, то почему одной из разновидностей этих услуг не могут быть вещательные услуги? Ответ на этот вопрос лежит в плоскости экономики.

Давайте сравним объемы информации доставляемые до помещения абонента по этим сетям.

Вещательная сеть. Большинство абонентов сегодня получают вещательные услуги через системы кабельного телевизионного вещания (СКТВ). Такая типовая сеть, спроектированная для трансляции 60-ти телевизионных каналов (не путать с ТВ программами), имеет пропускную способность на всех уровнях от выхода головной станции до абонентской розетки более 5 Гбит/с! При этом она имеет малые затраты на эксплуатацию и очень высокую надежность и долговечность на всех уровнях.

Что касается сети доступа, то максимальная пропускная способность, которую способна потреблять онлайн семья абонента из трех человек, составляет около 20 Мбит/с. Более высокие скорости, предлагаемые некоторыми операторами являются, скорее, рекламным инструментом, чем имеют практический смысл. Для обеспечения такой гарантированной пропускной способности на сети в 10 000 абонентов (не очень крупной, по сегодняшним меркам), оператору сети передачи данных придется обеспечить пропускную способность на верхнем уровне (backbone) в 200 Гбит/с! А это, на сегодняшний день, практически нереальная цифра.

Традиционный режим передачи данных в сети доступа – юникастовый, с организацией индивидуальных каналов передачи информации между абонентами типа точка-точка. Но попытка организовать в таком режиме массовое предоставление вещательных услуг приводит к быстрой перегрузке сети большим количеством дублирующегося трафика. Чтобы как то решить эту задачу был разработан специальный режим передачи потоков – мультикастовый режим передачи. В этом режиме вещательные сервисы от провайдера подаются в сеть только по запросу абонента и присутствуют в сети до тех пор, пока есть хотя бы один абонент, использующий этот сервис. К транслируемому в сети вещательному сервису может подключиться любое число абонентов не создавая дублирующих потоков. Маршрутизаторы сети создают соединения абонентов не до источника сервиса, а до ближайшего узла сети, где есть запрошенный поток. То есть мультикастовое вещание – это своеобразная виртуальная вещательная сеть, созданная внутри сети доступа. Взаимодействие оборудования абонентов сети с оборудованием провайдеров и сетевым оборудованием в мультикастовом режиме определено в протоколе IGMP (Internet Group Management Protocol). На текущий момент наиболее широко используется 2 версия протокола, хотя разработана уже и 3 версия.

Задача построения сети передачи данных с поддержкой мультикастового режима сложная и затратная задача, но использование этого режима позволяет значительно уменьшить трафик при предоставлении вещательных услуг через сеть передачи данных.

В результате, использования режима мультикастовой передачи и с учетом неодновременного использования сети различными пользователями пропускную способность в приведенном примере удается уменьшить до 10 Гбит/с. То есть задача становится реализуемой, но это будет сложная и дорогостоящая сеть.

В последнее время наблюдается значительный всплеск интереса к организации вещания с использованием технологии OTT. Операторы мечтают о ее широком внедрении. Но «остерегайтесь своих желаний, ведь они могут исполниться». Технология OTT полностью построена на основе юникастовой передачи, поэтому при ее широком внедрении вопросы обеспечения огромной пропускной способности сети на верхнем уровне сети доступа встанет перед оператором в полный рост!

И, в дополнение, переход на предоставление всех услуг через сети передачи данных потребует замены абонентской разводки во всех помещениях абонентов. При этом, в отличие от практически вечных и недорогих пассивных кабельных разветвителей, придется использовать более дорогие активные коммутаторы, к которым нужно подводить электропитание и которые имеют ограниченный срок службы. Практический опыт показывает, что срок службы бытовых коммутаторов, при их круглосуточной работе, составляет 3…5 лет. После чего их приходится заменять.

Поэтому экономически выгоднее использовать комбинированное решение - используя вещательные сети можно с малыми капитальными и эксплуатационными затратами доставлять до абонентов огромный объем трафика с массовыми услугами, и только трафик с индивидуальными сервисами доставлять с использованием более затратных сетей доступа.

Так что вопрос о том, чтобы предоставлять все услуги по одной сети доступа звучит примерно как вопрос: «зачем организовывать в городе общественный транспорт, если можно всех возить на такси? Быстрее, комфортнее и прямо до дома…» 

Ну а конкретных технологиях, используемых для создания мультисервисных сетей, в следующей части статьи

 

 


К списку материалов