1 Softswitch в составе сети связи следующего поколения
1.1 Концепция Softswitch
1.1.1 В соответствии с современным представлением сеть NGN (Next Generation Network) может быть разделена на четыре уровня (рисунок 1.1):
уровень доступа обеспечивает доступ пользователям к ресурсам сети;
уровень транспорта является основным ресурсом сети, обеспечивающим передачу информации от пользователя к пользователю;
уровень управления представляет собой новую концепцию коммутации, основанную на применении технологий компьютерной телефонии и Softswitch;
уровень услуг определяет состав информационного наполнения сети. Здесь находится полезная нагрузка сети в виде услуг по доступу пользователей к информации.
Рисунок 1.1 –Уровни современной сети NGN
Для организации взаимодействия в сети передачи NGN используется стек протоколов TCP/IP, который является, по аналогии с эталонной модели взаимодействия открытых систем OSI/ISO (Open Systems Interconnections), основой сетевой иерархической модели передачи с одноименным названием TCP/IP (Transmission Control Protocol/Internet Protocol). На рисунке 1.2 показано соотношение моделей OSI/ISO и TCP/IP.
Прикладной уровень
Приложения, работающие со стеком TCP/IP, могут также выполнять функции уровней представления и частично сеансового модели OSI; например, преобразование данных к внешнему представлению, группировка данных для передачи и т.п.
Транспортный уровень
Протоколы транспортного уровня обеспечивают прозрачную (сквозную) доставку данных между двумя прикладными процессами. Процесс, получающий или отправляющий данные с помощью транспортного уровня, идентифицируется на этом уровне номером, который называется номером порта. Таким образом, роль адреса отправителя и получателя на транспортном уровне выполняет номер порта (или проще – порт).
Анализируя заголовок своего пакета, полученного от межсетевого уровня, транспортный модуль определяет по номеру порта получателя, какому из прикладных процессов направлены данные, и передает эти данные соответствующему прикладному процессу (возможно, после проверки их на наличие ошибок и т.п.). Номера портов получателя и отправителя записываются в заголовок транспортным модулем, отправляющим данные; заголовок транспортного уровня содержит также и другую служебную информацию; формат заголовка зависит от используемого транспортного протокола.
На транспортном уровне работают два основных протокола: UDP(User Datagram Protocol) и TCP.
Рисунок 1.2 – Соотношение моделей OSI/ISO и TCP/IP
Межсетевой уровень и протокол IP
Основным протоколом этого уровня является протокол IP.
Протокол IP доставляет блоки данных, называемых дейтаграммами, от одного IP-адреса к другому. IP-адрес является уникальным 32-битным идентификатором оконечного устройства (точнее, его сетевого интерфейса). Данные для дейтаграммы передаются IP-модулю транспортным уровнем. IP-модуль предваряет эти данные заголовком, содержащим IP-адреса отправителя и получателя и другую служебную информацию, и сформированная таким образом дейтаграмма передается на уровень доступа к среде передачи (например, одному из физических интерфейсов) для отправки по каналу передачи данных.
Уровень доступа к среде передачи
Стек TCP/IP не подразумевает использования каких-либо определенных протоколов уровня доступа к среде передачи и физических сред передачи данных
Функции уровня доступа:
отображение IP-адресов в физические адреса сети;
инкапсуляция IP-дейтаграмм в кадры для передачи по физическому каналу и извлечение дейтаграмм из кадров;
определение метода доступа к среде передачи;
определение представления данных в физической среде;
пересылка и прием кадра.
В сети NGN на прикладном уровне работают протоколы, обеспечивающие взаимодействие разнородных сетей и управление собственными элементами сети.
В таблице 1.1 указаны протоколы, поддерживаемые в сети NGN.
Таблица 1.1 – Проколы сети NGN
Протокол |
Стек |
Стандарт |
H.323 (интеграция телефонных сетей и сети IP-телефонии) |
RAS (протокол взаимодействия оконечного оборудования с привратником) |
ITU-T H.225.0 |
H.225 (протокол управления соединением) |
ITU-T H.225.0 |
|
H.245 (протокол управления логическими каналами) |
ITU-T H.245 |
|
H.248/MEGACO (управление транспортными шлюзами) |
|
ITU-T H.248 |
MGCP (управление транспортными шлюзами) |
|
IETF RFC 3435 |
SIP (инициирование сеансов связи) |
|
RFC 2543 |
SIP-T (SIP для телефонии) |
|
RFC 3372 |
SIGTRAN (транспортировка сигнальной информации ОКС№7 в сетях IP) |
SCTP* (протокол передачи с управлением потоками) |
IETF RFC 2960 |
M2UA (уровень адаптации пользователя уровня 2 и подсистемы МТР) |
IETF 3331 |
|
M2PA (уровень равноправной адаптации пользователя уровня 2 и подсистемы МТР) |
IETF RFC 4165 |
|
M3UA (уровень адаптации пользователя уровня 3 и подсистемы МТР) |
IETF RFC 3332 |
|
SUA (уровень адаптации пользователя подсистемы SCCP) |
IETF RFC 3868 |
|
IUA (уровень адаптации пользователя ISDN) |
IETF RFC 3057 |
|
V5UA (уровень адаптации пользователя V5) |
IETF RFC 3807 |
Продолжение таблицы 1.1
Протокол |
Стек |
Стандарт |
RTP (транспортировка информации в реальном времени) |
|
IETF RFC 3550 |
RTCP (контроль транспортировки информации в реальном времени) |
|
IETF RFC 3550 |
BICC (управление обслуживанием вызова, независимо от носителя) |
|
ITU-T Q.1902 |
SCTP* (Simple Conference Invitation Protocol) предоставляет также возможность надежной доставки сигнального трафика, не входящего в стек ОКС№7.
На рисунке 1.3 показана сетевая структура NGN, основой которой является мультипротокольная транспортная IP-сеть.
1.1.2 Уровень управления является ядром управления всеми процессами в современных системах NGN. По мере усложнения сетей системы управления эволюционируют от централизованного к распределенному типу. Такой переход получил название принципа декомпозиции.
Принцип декомпозиции заключается в последовательном разделении задач между различными устройствами и подсистемами. Рассматривая процесс эволюции от ТфОП к NGN, можно выделить пять этапов декомпозиции в современных системах управления (рисунок 1.4):
1) переход к концепции ОКС№7, которая привела к разделению задач обмена сигнализацией и задач обмена данными (речевыми сигналами). На этом этапе система связи разделилась на сеть сигнализации и сеть коммутации;
2) разработка концепции интеллектуальных сетей IN (Intelligent Network), которая предусматривала разделение функций внутри системы сигнализации на функции обмена сигнальными сообщениями и функции обеспечения доступа к новым услугам (разделение функций переноса сообщений через базовую сеть связи и функций предоставления дополнительных услуг с использованием сервисно-ориентированной надстройки);
3) появление элементов NGN и переход к гибким сетям ОКС№7/NGN. На этом этапе появилось устройство Softswitch. Концепция Softswitch предусматривает разделение задач управления различными процессами в NGN между семействами различных устройств (медиа- и транспортными шлюзами, сигнальными шлюзами, контроллерами медиа-шлюзов и др.);
4) продвижение концепции Softswitch как доминирующей в существующих сетях связи одновременно с активным процессом декомпозиции задач Softswitch между различными устройствами. В результате появились многоуровневые архитектуры Softswitch;
5) появление концепции IP-подсистемы мультимедийной связи IMS (IP Multimedia Subsystem), которая представляет собой окончательную декомпозицию контроллера медиа-шлюзов – ядра Softswitch в связи с процессами конвергенции между мобильными и фиксированными системами связи. На современном этапе продолжается процесс декомпозиции различных устройств в составе IMS-платформ.
AМG (Access Gateway) – шлюз доступа
DSLAM (Digital Subscriber Loop Access Multiplexer) –мультиплексор доступа к цифровой абонентской линии
DSS1 (Digital Subscriber Signaling System №1) – цифровая абонентская сигнализация №1
IP (Internet Protocol) – протокол межсетевой связи (протокол сети Интернет)
MGC (Media Gateway Controller) – контроллер медиашлюза
MGCP (Media Gateway Control Protocol) – протокол управления шлюзами
MSC (Mobile Switching Center) – центр коммутации мобильной связи
RTP (Real-Time Transport Protocol) – протокол транспортировки информации в реальном времени
RTCP (Real-Time Transport Control Protocol) – протокол контроля транспортировки информации в реальном времени
SG (Signaling Gateway) – шлюз сигнализации
SIGTRAN (Signaling Transport) – транспортировка сигнальной информации, название рабочей группы
SIP, (Session Initiation Protocol) – протоколы инициирования сеансов связи
TDM (Time Division Multiplexing) – мультиплексирование с временным разделением каналов
TG (Trunk Gateway) или MG (Media Gateway) – шлюз между ТфОП и IP-сетью (транспортный шлюз или медиашлюз)
V5.2 – сигнальный интерфейс, составленный из протоколов, предназначенных для взаимодействия узла коммутации и узлов доступа через первичные тракты ИКМ 2,048 Мбит/с
Рисунок 1.3 – Сетевая структура NGN
Рисунок 1.4 – Процесс эволюции сетей связи от ТфОП к NGN
1.1.3 Появление сегментов сетей NGN, построенных на принципах пакетной передачи данных, потребовало изменения концепции системы управления, которая к этому моменту уже включала три подсистемы: управления, сигнализации и предоставления услуг. Построение гибридных сетей из сегментов NGN и сегментов традиционных сетей, качественный рост перечня услуг повысили уровень требований к функциональности системы управления.
Особенности современного этапа:
в отличие от традиционных сетей, набор базовых услуг которых был ограничен традиционной телефонией, в сегментах NGN набор базовых услуг включает в себя передачу речи, видео и данных;
возникла необходимость сквозной трансляции сигнальных сообщений между традиционной сетью и сегментами NGN;
объективное увеличение номенклатуры технических решений, протоколов, принципов организации связи, обусловленное концепцией NGN.
В результате возникло решение, которое позволяет объединить традиционные сети в сегменты NGN IP-сети на всех трех уровнях управления (рисунок 1.5).
INAP (Intelligent Network Application Protocol) – прикладной протокол интеллектуальной сети в стеке протоколов ОКС№7
LDAP (Lightweight Directory Access Protocol) – облегченный протокол доступа к сетевому каталогу
MEGACO или H.248 (MEdia GAteway COntrol) – протокол управления транспортным шлюзом
MGC (Media Gateway Controller) – контроллер медиашлюза
MGCP (Media Gateway Control Protocol) – протокол управления шлюзами
RTP (Real-Time Transport Protocol) – протокол транспортировки информации в реальном времени
SG (Signaling Gateway) – шлюз сигнализации
SIGTRAN (Signaling Transport) – транспортировка сигнальной информации, название рабочей группы
SIP, (Session Initiation Protocol) – протоколы инициирования сеансов связи
SIP-Т (SIP for Telephony) – SIP для телефонии
TDM (Time Division Multiplexing) – мультиплексирование с временным разделением каналов
TG (Trunk Gateway) или MG (Media Gateway) – шлюз между ТфОП и IP-сетью (транспортный шлюз или медиашлюз)
Рисунок 1.5 –Архитектура сопряжения традиционной сети и NGN
На уровне передачи трафика ТфОП объединяется с сегментами NGN через медиашлюз MG (Media Gateway). Для преобразования трафика сети с коммутацией каналов TDM (Time Division Multiplexing) в структуру Softswitch включен транспортный шлюз TG (Trunk Gateway), который выполняет преобразование сообщений каналов трактов ИКМ в пакеты протокола RTP (Real-Time Transport Protocol). Для координации работы шлюзов используется контроллер медиашлюзов MGC (Media Gateways Controller). MGC управляет шлюзами с помощью протоколов MGCP (Media Gateway Control Protocol), MEGACO или H.248 (MEdia GAteway COntrol).
Сигнальные системы NGN и ТфОП объединяются через сигнальный шлюз SG (Signaling Gateway). Платформа предоставления услуг, взаимодействующая с традиционной сетью по протоколу INAP (Intelligent Network Application Protocol), подключается к системе управления гибридной сетью по протоколу LDAP (Lightweight Directory Access Protocol).
1.1.4 Решение задачи организации взаимодействия традиционных сетей и сегментов NGN реализовано на базе концепции Softswitch, которая стала основной концепцией систем NGN на уровне управления.
Softswitch является носителем интеллектуальных возможностей сети, который координирует управление обслуживанием вызовов, сигнализацию и функции, обеспечивающие возможность установления соединения через одну или несколько сетей. Softswitch – это сетевая архитектура, которая включает в себя MG, MGC, SG и пр. Softswitch – это идеология построения системы управления в сетях NGN.
Основные функции Softswitch:
управление обслуживанием вызовов, т.е. установлением и разрушением соединений путем выполнения функций Call Agent (сервера обслуживания вызовов). Данные функции гарантируют, что соединение сохранится до тех пор, пока не даст отбой один из абонентов. В состав этих функций входят распознавание и обработка цифр номера, распознавание момента ответа вызываемой стороны, отбоя любой стороны и регистрация этих действий для начисления платы;
управление транспортными шлюзами и шлюзами доступа;
координация обмена сигнальными сообщениями, т.е. поддержка функций сигнального шлюза. Иначе говоря, Softswitch координирует действия, обеспечивающие соединение с сигнальными сетями и преобразует информацию в сообщениях, чтобы они были поняты на обеих сторонах несхожих сетей.
На рисунке 1.6 показана структура Softswitch.
Ядром Softswitch является один или несколько управляющих элементов – контроллеров медиашлюзов MGC, которые обеспечивают координацию всех остальных подсистем Softswitch. MGC может взаимодействовать с другими MGC, формируя тем самым распределенную систему управления. Для обмена данными между MGC могут использоваться разные системы сигнализации: H.323, SIP, BICC.
Для присоединения к Softswitch сегментов современных телефонных сетей на основе VoIP используются серверы. Т.к. в настоящее время существуют две технологии VoIP-SIP и Н.323, в состав Softswitch входят SIP-серверы и Н.323-серверы. Эти серверы взаимодействуют с MGC по протоколам сигнализации SIP и Н.323 соответственно.
Помимо сегментов VoIP к Softswitch должны подключаться сегменты традиционной сети с ОКС№7. Для этого используется шлюз сигнализации SG, взаимодействующий с MGC на основе протокола SIGTRAN.
AAA (Authentication, Authorization, Accounting) – Аутентификация, Авторизация, Тарификация (система биллинга)
API (Application Program Interface) – интерфейс прикладных программ
BICC (Bearer Independent Call Control) – протокол управления вызовами
H.323 – протокол ITU (Telecommunication Standardization Sector of International Telecommunication Union, международный союз электросвязи), ориентированный на интеграцию сети IP-телефонии в ТфОП
ISUP (Integration Services User Part) – подсистема пользователя ISDN в стеке протоколов ОКС№7
MEGACO или H.248 (MEdia GAteway COntrol) – протокол управления шлюзами
MGC (Media Gateway Controller) – контроллер медиашлюза
MGCP (Media Gateway Control Protocol) – протокол управления шлюзами
RADIUS (Remote Authentication Dial-In User Service) – служба дистанционной аутентификации пользователей по телефону
RTP (Real-Time Transport Protocol) – протокол транспортировки информации в реальном времени
SCP (Service Control Point) – узел управления услугами интеллектуальной сети
SG (Signaling Gateway) – шлюз сигнализации
SIGTRAN (Signaling Transport) – транспортировка сигнальной информации, название рабочей группы
SIP (Session Initiation Protocol) – протокол инициирования сеансов связи
TDM (Time Division Multiplexing) – мультиплексирование с временным разделением каналов
TG (Trunk Gateway)/MG (Media Gateway) – шлюз между ТфОП и IP-сетью (транспортный шлюз/медиашлюз)
WIN (Workstation Interface Node) – узел взаимодействия с рабочими станциями
Рисунок 1.6 – Структура Softswitch
1.1.5 Новая концепция Softswitch привела не только к усложнению архитектуры подсистемы управления, но и архитектуры протоколов сигнализации. На этапе перехода к технологии Softswitch концепция сигнализации ОКС№7 эволюционировала не только в многоуровневую, но и в многопротокольную систему сигнализации SIGTRAN (рисунок 1.7). Протокол SIGTRAN используется в узлах SG, т.е. в точках преобразования сигнализации между сегментами традиционной сети и NGN. Внутри NGN используется система сигнализации IP-сети. В традиционных сетях используется многоуровневый стек протоколов ОКС№7.
Протокол SIGTRAN включает в себя отдельные элементы протоколов IP и ОКС№7, т.к. он должен обеспечить
преобразование сигнальных сообщений ОКС№7 в IP и обратно;
взаимное преобразование сигнальных сообщений, информационных полей и полей, используемых для управления соединением и контроля качества;
при необходимости, транзит сообщений ОКС№7 через IP-сеть или сообщений VoIP через ТфОП.
ISUP (Integration Services User Part) – подсистема пользователя ISDN в стеке протоколов
MAP (Mobile Application Part) – подсистема пользователя мобильной связи
MTP (Message Transfer Part) – подсистема передачи сообщений
M3UA (MTP3 User Adaptation) – уровень адаптации SCTP к протоколам ОКС№7, которые являются пользователями МТР3
PPP (Point-to-Point Protocol) – протокол соединения точка-точка
RTP (Real-Time Transport Protocol) – протокол транспортировки информации в реальном времени
SCCP (Signaling Connection Control Part) – подсистема управления сигнальным соединением
SIGTRAN (Signaling Transport) – транспортировка сигнальной информации, название рабочей группы
SIP (Session Initiation Protocol) – протокол инициирования сеансов связи
SUA (SCCP User Adaptation) – адаптация SCTP к SCCP
TCAP (Transaction Capabilities Application Part) –подсистема управления возможностью транзакций прикладного уровня
TCP/SCTP (Transmission Control Protocol/Stream Control Transmission Protocol) –протокол управления передачей/протокол передачи с управлением потоками
UDP (User Datagram Protocol) –протокол дейтаграмм пользователя
Рисунок 1.7 – Многоуровневая архитектура протокола SIGTRAN