CC BY
201
УДК 004. 088 ГРНТИ 49.46.29
РАЗВИТИЕ СЕТЕЙ ШИРОКОПОЛОСНОГО ДОСТУПА НА БАЗЕ ОПТИЧЕСКИХ СЕТЕЙ
А.Н. Громов, К.С. Фадеев, В.Г. Шахов1 Омский государственный университет путей сообщения Россия, 644046, г. Омск, просп. Маркса, 35 10мский государственный технический университет Россия, 644050, г. Омск, просп. Мира, 11; [email protected]
В статье рассматриваются технологии и архитектура сетей широкополосного доступа (ШПД) на базе оптического волокна. Рассматриваются варианты построения с учётом оборудования, а также возможности взаимодействия с учетом специальных протоколов. Актуальность работы основана на перспективности технологии GPON.
Ключевые слова: широкополосная сеть, капитальные затраты на построение сети, оптические технологии, технология GPON.
NETWORK DEVELOPMENT OF BROADBAND ACCESS BASED ON OPTICAL NETWORKS
A.N. Gromov, K.S. Fadeev, V.G. Shakhov1 Omsk State Transport University Russia, 644046, Omsk, prosp. Marksa, 35 1Omsk State Technical University, Omsk Russia, 644050, Omsk, prosp. Mira, 11; [email protected]
The article deals with technologies and a structure of broadband access (BBA) based on the optical fiber. The authors considers options taking into account the equipment, as well as the possibility of interaction with the consideration of special reports. The relevance is based on the viability of GPON technology.
Keywords: a broadband network, capital costs for network construction, optical technologies, GPON technology.
В настоящее время возрастает влияние информационной поддержки на бытовую жизнь абонентов независимо от их территориальной расположенности, гражданской принадлежности и статуса, что изменяет существо глобальной политики и оказывает влияние на политику любого государства. Бурно развивающиеся информационные технологии создают большие возможности потребителям и стоят сравнительно недорого для рядовых клиентов. В то же время мало исследованы угрозы безопасности, включающие незаконное копирование, искажение, порчу и фальсификацию информации. Для корректного, безопасного взаимодействия необходимы количественные критерии оценки и описания информационных сетей на основе следующих объективных данных.
1. Топология информационных систем. Её можно представить в виде графа, в котором
© Громов А.Н., Фадеев К.С., Шахов В.Г., 2018
вершины соответствуют абонентам информационных взаимодействий. В качестве примера приведём абстрактную структуру информационной системы, в которой вершины соответствуют клиентам, причём независимо от уровня иерархии это могут быть индивидуальные пользователи или провайдеры, фирмы-поставщики информационных услуг. На рис. 1 приведён пример информационной сети, в котором цифрами показаны узлы некоторой информационной сети, дуги соответствуют соединениям клиентов. Знание топологии сети и числовые оценки взаимодействия позволяют корректно рассчитывать параметры сети.
2. Трафики по дугам сетей, в том числе перспективные. Они могут быть текущими (оперативный анализ) или статистическими (суточными, недельными, месячными, квартальными и т. д.). Существует целое семейство
анализаторов трафика, успешно используемое сетевыми операторами.
3. Стоимость обслуживания клиентов по каждой дуге графа в расчете на единицу информации (например, гигабайт). Это предмет отдельного исследования, относящегося к имитационному моделированию и нуждающегося в дальнейшей разработке.
4. Зарегистрированные задержки информации по каждой дуге. Эти оценки могут быть использованы в модели 1. Здесь есть достаточный простор для моделирования и использования ресурсов технического обеспечения телекоммуникаций.
Рис. 1. Обобщенная структура информационной системы: ОИ - объект исследования; Вх и Вых - соответственно вход и выход (в данном случае вход соответствует исходной информации, выход - её использованию); Возм - возмущения в системе (искажения, потери информации); СОК - система оценки качества (мониторинг сети); СК - средства коррекции
В последнее время появилась устойчивая тенденция к возрастанию мультисервис-ных услуг, включающих 1Р-телефонию, цифровое телевидение и Интернет. Технологии называются FTTH/FTTB/FTTP [5].
По состоянию на конец июня 2016 г. в Европе число клиентов, подключённых к сетям на базе технологий FTTH/FTTB/FTTP, увеличилось на 26 % и составило 25 млн точек. В то же время количество абонентов услуг FTTH/FTTB/FTTP за тот же период времени увеличилось на 14 % и составило 4,6 млн человек. В России этот рынок растёт на несколько процентов в год.
Для предоставления широкополосного доступа в Интернет может использоваться множество различных носителей и технологий
передачи данных. К ним относятся кабельная связь, усовершенствованный телефонный сервис под названием «цифровая абонентская линия» (Digital Subscriber Line, DSL), спутниковая связь, фиксированный беспроводной доступ и другие.
С точки зрения государственной политики задача заключается в том, чтобы обеспечить своевременное развёртывание систем широкополосного доступа, честную конкуренцию в отрасли. Ещё одно предложение призвано заставить кабельные компании предоставлять «открытый доступ» к сервисам конкурирующих поставщиков услуг Интернета. Его сторонники утверждают, что открытый доступ необходим для того, чтобы помешать кабельным компаниям создавать «закрытые сети» и душить конкуренцию. Противники открытого доступа в ответ заявляют, что здоровая конкуренция существует и будет существовать в форме альтернативных технологий широкополосного доступа. Наконец, законодательство призвано ускорить развёртывание сетей широкополосного доступа в сельских районах и районах с низкими доходами на душу населения путём предоставления займов, грантов или налоговых льгот структурам, внедряющим технологии широкополосного доступа.
Узкополосной локальной сетью называется такая сеть, в которой сетевой кабель (или другая сетевая среда) может передавать только один сигнал в любой момент времени. Широкополосная сеть, соответственно, способна передавать несколько сигналов одновременно, используя для каждого из них свою частоту передачи. Узкополосная сеть использует импульсы, передаваемые непосредственно в сетевую среду для создания простого сигнала, в котором в закодированной форме представлены двоичные (бинарные) данные. В сравнении с широкополосными сетями узкополосные могут быть протянуты на меньшие расстояния ввиду потерь мощности сигнала, связанных с электрическими помехами и другими факторами.
В современных сетях широкополосного доступа (ШПД) выбор технологии предоставления услуг во многом определяет величину капитальных и операционных затрат оператора на развитие и эксплуатацию сети. Сегодня для всех операторов наиболее приоритетна модель предоставления пользователям одновременно трёх услуг по одному кабелю (Triple
Play) высокоскоростного доступа в Интернет, IP-телевидения (IPTV) и телефонии.
Сегодня в России среди технологий ШПД наиболее распространены ADSL и FTTx (оптическое волокно до точки X). В России наиболее популярен вариант построения сетей FTTx, когда оптическое волокно от оператора доходит до некоей точки X, где установлен ЕШегпег — коммутатор, а далее до абонентов проложен медный кабель. В большинстве случаев используется общий канал 1 Гбит/с, который делится между 24 абонентами, т. е. скорость в абонентском канале оказывается выше, чем в случае технологии ADSL. Тем более что сегодня для операторов приоритетна модель Тпр1еР1ау-услуг, когда пользователям по одному кабелю предоставляется одновременно три сервиса: высокоскоростной доступ в Интернет, 1Р-телевидение и телефонная связь. Причём все новые и новые технологии телевидения требуют всё большей и большей ширины канала передачи данных.
Оборудование, реализующее функции сервисного уровня, принято называть терминами BRAS (Broadband Remote Access Server, термин стандарта Broad band Forum TR-59) или BNG (Broad band Network Gateway, тер-
мин стандарта Broad band Forum TR-101). Оба употребляются в индустрии взаимозаменяемо, в настоящей статье принято обозначение BRAS. Устройство BRAS — это, по сути, маршрутизатор, обладающий специальным дополнительным функционалом по работе с абонентскими сессиями и позволяющий выполнить следующее:
• аутентификацию абонента во внешней системе;
• авторизацию абонента, то есть получение списка сетевых сервисов и их параметров, на которые подписан абонент, во внешней системе;
• создание абонентской сессии — виртуального интерфейса в сторону абонента, применение к этому интерфейсу необходимых параметров для реализации выбранных сервисов (например, ограничение скорости доступа в Интернет), назначение IP-адреса абоненту;
• передачу во внешнюю систему бил-линга данных об использовании абонентами ресурсов (например, общий трафик в байтах, переданный абоненту, или проведённое в сети время).
Общая архитектура типичной сети ШПД приведена на рис. 2.
Рис. 2. Общая архитектура сети ШПД
Рассмотрим вопрос организации сервисов на всей цепочке от абонентского оборудования (CPE) через оборудование доступа и агрегации до оборудования сервисной границы (BRAS). Мы будем ориентироваться на предоставление трёх базовых сервисов — VoIP, IPTV и доступа в Интернет. Основным стандартом в этом вопросе, которому в той или иной мере соответствует большинство ШПД-сетей, является TR-101, принятый организацией Broad band Forum. Стандарт рассматривает технические аспекты реализации сервисов Triple Play в сетях ШПД, построенных на базе Ethernet-технологий, специфицирует определённые архитектурные модели и определяет функциональные требования к оборудованию CPE-доступа, агрегации и BRAS, необходимые для успешной реализации предлагаемых архитектурных моделей.
Сеть доступа и агрегации обеспечивает подключение абонента к сервисному уровню (уровню предоставления услуг). Услуги, реализованные с помощью выделенной сервисной границы, как правило, требуют обеспечить подключение абонента к оборудованию сервисного уровня на втором уровне модели OSI. В сети доступа и агрегации такие подключения выполняются посредством набора VLAN. Услуги приложений могут использовать оборудование агрегации в качестве упрощённой сервисной границы и соответствующий VLAN как средство подключения пользовательского терминала к узлу агрегации необходим только на уровне доступа.
Существуют две базовые модели использования VLAN в сетях доступа и агрегации: «VLAN на пользователя» и «VLAN на сервис/группу пользователей». В стандарте TR-101 используется иная терминология — модели 1:1 и N:1. Модель 1:1 предполагает, что каждому абоненту соответствует свой персональный VLAN на всей сети доступа и агрегации вплоть до уровня сервисной границы (рис. 3). Модель N:1, напротив, заключается в том, что один общий VLAN используется для некоторой группы абонентов (рис. 4). Каждая из этих схем имеет свои достоинства и недостатки.
Модель 1:1, или «VLAN на абонента». К числу её безусловных достоинств относится довольно высокая степень изоляции абонентов друг от друга на всей сети доступа и агрегации. Поскольку каждый абонент в этой модели имеет фактически свой выделенный VLAN типа «точка-точка», в котором находятся всего лишь два хоста — он сам (его CPE) и соответствующий ему интерфейс на BRAS, вопросы изоляции абонентов друг от друга и контроля их трафика решаются автоматически. Абонент может передавать трафик только на выделенный ему логический интерфейс BRAS, проверка легитимности использования IP/MAC адреса абонента осуществляется исключительно на BRAS. Модель 1:1 позволяет обеспечить чёткую идентификацию порта подключения абонента на устройстве BRAS — по номеру VLAN-абонента.
Рис. 3. Модель «VLAN на абонента», или 1:1
Рис. 4. Модель «VLAN на группу пользователей/сервис», или N:1
С другой стороны, эта модель предполагает наличие большого числа VLAN в сети доступа и агрегации. Поскольку пространство номеров VLAN ограничено (на номер VLAN в стандарте 802.1q выделено 12 бит, таким образом, мы имеем 4095 уникальных значений номеров VLAN), для внедрения этой модели приходится применять двойную 802.1q инкапсуляцию, то есть QinQ-инкапсуляцию (иерархическую нумерацию VLAN).
Таким образом, для абонентов частного сектора наиболее разумным представляется использование модели N:1, в то время как обслуживание бизнес-абонентов удобнее осуществлять в модели 1:1. В одной сети доступа могут применяться обе модели одновременно.
Одна из причин широкого распространения технологии FTTx — небольшие капитальные затраты на построение сети и, как следствие, быстрая окупаемость. Недостаток FTTx в описанном типичном для России варианте реализации — наличие активного оборудования между оператором и абонентом (в точке X). Оно требует обслуживания, обеспечения бесперебойного питания и вандало-защищённости. При этом для предоставления услуг телефонии необходимо обеспечивать непрерывность и энергонезависимость телефонной связи на участке от оператора до входа в зону ответственности абонента (квартира или офис). В результате при достаточно небольших затратах на построение сети требуются немалые операционные расходы, что принципиально противоречит политике
крупных россииских операторов, стремящихся минимизировать эксплуатационные затраты.
Следовательно, перспективные сети доступа должны базироваться на оптических технологиях, но при этом между защищённым узлом доступа оператора и абонентом не должно быть каких-либо активных узлов. Наиболее перспективны в данном отношении технологии пассивных оптических сетеИ хРОN ^ss^ Орйса1 Netwоrk). Распределительная сеть доступа PON имеет древовидную топологию с пассивными оптическими разветвителя-ми (сплитерами) в узлах. При этом архитектура PON позволяет по мере необходимости наращивать число узлов в сети и увеличивать её пропускную способность.
Можно выделить две основные технологии PON: EPON (Gigabit Ether^t PON) и GPON. Основное их отличие заключается в базовых протоколах. Для технологии EPON базовым протоколом является Ether^t, для GPON-SDH (в соответствии со стандартами ITU-T). Кроме того, технология GPON обладает асимметричнои полосои пропускания (нисходящий трафик до 2,488 Гбит/ с, восходящий — до 1,244 Гбит/с в соответствии с иерархией скоростей SDH). Напротив, полоса пропускания для EPON симметрична — 1,244 Гбит/с в обе стороны. К преимуществам технологии EPON можно отнести её прозрачность для ЕШете^трафика. Oднако GPOM в силу своей SDH-природы лучше использует пропускную способность оптического канала связи и гарантирует качество предоставляемых услуг (QoS),
что очень важно для передачи видеоинформации. Поскольку транспортный протокол GPON основан на ЕШете^ то из-за непредсказуемой длины пакетов может существенно снизиться качество услуг, критичных к задержкам (1РТУ, телефония).
Единственным недостатком PON можно считать достаточно высокую стоимость обо-
рудования, но с началом широкого её распространения в России и применения крупными операторами цена решения на абонента будет значительно снижаться.
Как уже было сказано, технология GPON является наиболее предпочтительной с точки зрения предоставления услуг, критичных к задержкам (ГРТУ, телефония).
Рис. 4. Общая схема связи, базирующаяся на технологии PON
Рис. 5. Структурная схема сети GPON
Ни для кого не секрет, что в данный момент крупнейший холдинг операторов «Связьинвест» приступает к построению РО^сетей на базе технологии GPON. В связи с этим протокол GPON будет основным в России.
Можно сделать вывод, что в ближайшее время мы увидим массовый прорыв технологии
GPON, и, вероятно, уже через несколько лет она станет основной с точки зрения предоставления услуг Triple Play.
Рассмотренные тенденции развития телекоммуникационных услуг вызывают большой интерес различных коммерческих организаций и специализированных корпораций.
Ожидается повышенный приток капитала в область связи и мультисервисных услуг. Количественное исследование телекоммуникационных услуг обеспечено финансированием и
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Куличенко В.А., Шахов В.Г. Моделирование на персональном компьютере при анализе криптографических алгоритмов // Материалы междунар. конф. Новосибирск, 1996.
2. Шеннон К. Работы по теории информации и кибернетике. М. : Иностранная литература, 1963. 829 с.
3.Леонидов И.М., Фомин В.В., Шахов В.Г. Анализ степени защиты закрытой радиотелефонной связи : деп. рук. 1996, № 12. С. 47, реф. № 6069-ж.д. 96. 20 с.
4.Шахов В.Г. Применение моделирования в криптоанализе // Информационные технологии и радиосети : сб. науч. трудов. Новосибирск : Изд-во Института математики, СО РАН, 1998. 12 с.
5.Шахов В.Г. Безопасность информационных систем : монография. М. : Транспорт, 2001. 212 с.
имеет большие перспективы. Описанные направления опираются на достаточно развитый инструментарий как в оценке исходных данных, так и моделировании и внедрении.
REFERENCES
1. Kulichenko V.A., SHakhov V.G. Modeliro-vanie na personal'nom komp'yutere pri analize kripto-graficheskikh algoritmov // Materialy mezhdunar. konf. Novosibirsk, 1996.
2. Shennon K. Raboty po teorii informatsii i ki-bernetike. M. : Inostrannaya literatura, 1963. 829 s.
3. Leonidov I.M., Fomin V.V., Shakhov V.G. Analiz stepeni zaschity zakrytoy radiotelefonnoy svyazi : dep. ruk. 1996, № 12. S. 47, ref. № 6069-zh.d. 96. 20 s.
4. Shakhov V.G. Primenenie modelirovaniya v kriptoanalize // Informatsionnye tekhnologii i radioseti: sb. nauch. trudov. Novosibirsk : Izd-vo Instituta ma-tematiki, SO RAN, 1998. 12 s.
5. Shakhov V.G. Bezopasnost' informatsionnykh system : monografiya. M. : Transport, 2001. 212 s.
Громов Андрей Николаевич - аспирант Gromov Andrey Nikolaevich - Graduate Stu-
ОмГУПС; Фадеев Константин Сергеевич - кандидат dent OSTU; Fadeyev Konstantin Sergeyevich - Candi-
технических наук, доцент, зав кафедрой, ОмГУПС; date of Technical Sciences, Associate Professor, OSTU;
Шахов Владимир Григорьевич - кандидат техниче- Shakhov Vladimir Grigoryevich - Candidate of Tech-
ских наук, профессор, ОмГТУ. nical Science, Professor, OMGTU.
Статья поступила в редакцию 06.02.2018 г.
^^ Цитаты
Кто двигается вперёд в науках, но отстаёт в нравственности, тот более идёт назад, чем вперёд.
Аристотель, древнегреческий философ
Задача учёных заключается не только в развитии научных исследований, но и в борьбе за их использование на благо общества, на благо всех людей мира.
И.И. Артоболевский, советский учёный-механик, академик АН СССР, Герой Социалистического Труда
Истинная и законная цель всех наук состоит в том, чтобы наделять жизнь человеческую новыми изобретениями и богатствами.
Ф. Бэкон, английский философ, историк, политик
Наука необходима народу. Страна, которая её не развивает, неизбежно превращается в колонию.
Ф. Жолио-Кюри, французский физик и общественный деятель
