, к примеру на мультиплексорах доступа DSL и точках доступа для беспроводных локальных сетей и WiMAX. Затем по восходящему каналу данные поступают в сеть агрегации доступа на базе Ethernet. При этом необходимо обеспечить качество услуг и высокую готовность.

Ethernet дешевле ATM, имеет бо-лее высокую пропускную способность каналов и не столь сложен в отношении эксплуатации, управления и обслуживания. Однако Ethernet и мосты МАС в стандартизированных на данный момент версиях обладают определенными недостатками, ограничивающими их применение в качестве провайдерской технологии. Наряду с проблемой обеспечения качества услуг (Quality of Service, Qos) важными факторами являются надежность сетевых узлов и соединений (каналов), а также распознавание и устранение ошибок. Возможный вариант быстрого устранения произошедших сбоев состоит в проектировании отказоустойчивой сети, т. е. использовании избыточных сетевых ресурсов, в том числе и в случае возникновения ошибок. Для обеспечения и качества услуг, и высокой готовности необходимо оба аспекта рассматривать в комплексе.

ДИЗАЙН СЕТИ ДЛЯ ETHERNET С ПОДДЕРЖКОЙ QOS

На Рисунке 1 изображен типичный пример сети агрегации доступа (Access Aggregation Network, AAN) на базе Ethernet. Обычно ее предоставляет сетевой оператор, и потому подобный ресурс называют «общественный Ethernet». Такая сеть должна отвечать строгим требованиям — каждая страна определяет собственные нормы — в отношении безопасности, готовности и качества услуг. Она начинается на узлах доступа, связывающих абонентов с сетью, и заканчивается на пограничных узлах, где осуществляется переход в Internet на базе IP.

Все сетевые элементы взаимодействуют между собой через интерфейс Ethernet. Узлы доступа могут обладать функциональностью маршрутизации IP или базироваться исключительно на коммутации Ethernet. Подключение узлов доступа к Ethernet и агрегацию трафика данных берут на себя коммутаторы Ethernet. Для использования в AAN им нужны специальные функции.

ПРОБЛЕМА РАСПРЕДЕЛЕНИЯ РЕСУРСОВ

Основная проблема Ethernet, равно как и IP, обусловлена отсутствием уровня управления. ISDN, к примеру, таким уровнем обладает — доступ к нему осуществляется через канал D. При наборе телефонного номера с его помощью осуществляется опрос всех участвующих в данном соединении узлов о наличии достаточного количества свободных ресурсов. В случае положительного ответа резервируется канал через всю сеть (явное выделение ресурсов). Лишь по завершении проверки предоставляется соединение на канале В с высоким качеством услуг.

В случае Ethernet/IP стандартного резервирования ресурсов (в явном виде) не происходит, пакеты с данными отправляются просто по запросу. Однако в такой ситуации невозможно предсказать, кому, когда и какие ресурсы будут предоставлены. Подобное недетерминированное распределение препятствует обеспечению качества услуг. Но даже, если Ethernet и IP не обладают специализированным уровнем управления, он может быть интегрирован посредством расширенных функций управления. Как кадры Ethernet, так и пакеты IP содержат в заголовке управляющую информацию. Наряду с данными об адресах отправителя и получателя в него включается информация о типе и приоритете данных, которая оценивается на узле доступа (см. Рисунок 2).

В первую очередь каждый из абонентов, желающих воспользоваться услугой, должен пройти аутентификацию на узле доступа. В случае сетей на базе Ethernet это происходит согласно стандарту IEEE 802.11х (аутентификация по портам). После успешной аутентификации участник при помощи протокола сигнализации, к примеру протокола открытия сеанса (Session Initiation Protocol, SIP) или Н.323, вправе затребовать у провайдера услугу. Вместе с вызовом услуги отправляется и запрос на ресурсы, связанный с протоколом сигнализации или инициированный провайдером (см. Рисунок 3). При положительном результате клиент получает услугу с надлежащим качеством: оно гарантируется в соответствии с заданными параметрами трафика.

В точке входа трафика данных — на узле доступа — сначала коммутатор классифицирует данные и маркирует их согласно с важностью (тегирование). Это создание правил (определение политики) необходимо для управления нагрузкой на входном порту и контроля за тем, чтобы участник не передавал данных больше, чем оговорено для его услуги. Если трафика отправляется слишком много или сеть не в состоянии обработать его, приоритет определенных услуг может быть снижен (повторное тегирование). В завершение происходит вычисление стоимости услуги (биллинг) в соответствии с ее приоритетом. Поскольку затем приоритет на этом отрезке сети не изменяется, услуги с более высоким приоритетом могут вытеснять услуги с более низким приоритетом. Поэтому первые и стоят дороже.

После выбора нужного исходящего порта (коммутации) узел сортирует весь трафик в соответствии с приоритетами по очередям, что обеспечивает управление нагрузкой на выходе. Планировщик отвечает за правильную последовательность отправления данных из различных очередей. Очереди с более высоким приоритетом обслуживаются раньше.

Такая обработка данных производится на узлах доступа однократно. Опционально она может происходить и на пограничных узлах Internet для повторной проверки и оценки входящего или исходящего трафика.

В случае агрегационных узлов отпадает необходимость в тегировании, формировании правил и биллинге, все остальные процедуры те же. Организация и планирование очередей очень важны для этих узлов, поскольку они собирают трафик с нескольких узлов доступа и изменяют порядок следования пакетов данных.

Каждый из них должен гарантировать соблюдение параметров трафика, причем любой сетевой узел влияет на все параметры. Например, он может вызвать ухудшение качества услуги, которое подвергается опасности при каждой агрегации. Основными причинами снижения качества услуг являются:

  • потеря пакетов вследствие длительной перегрузки или ошибочной передачи;
  • задержка из-за непродуманного дизайна или топологии сети;
  • вариация времени задержки вследствие кратковременных перегрузок или изменения маршрута при переключении и распределении нагрузки;
  • зависимость скорости передачи данных от правил и перегрузки.

КОНТРОЛЛЕРЫ РЕСУРСОВ

Для обеспечения качества услуг необходимо, чтобы в сети существовал контроллер ресурсов, компенсирующий ошибки уровня управления. Он управляет, во-первых, физическими ресурсами в сети, а во-вторых, использованием ресурсов при предоставлении услуг абонентам и комбинирует их между собой. Таким образом, посредством измерений и сигнализации он определяет уровень текущего потребления ресурсов, проверяет имеющиеся физические ресурсы в сети и устанавливает, какие из них разрешено запрашивать конкретным услугам.

Для обеспечения качества услуг всегда нужны свободные ресурсы.

В противном случае узлу доступа придется либо отклонить запрос, либо предоставить услугу без обеспечения должного качества.

ПРОЕКТИРОВАНИЕ ОТКАЗОУСТОЙЧИВОЙ СЕТИ

Доступные физические ресурсы — необходимое условие для обеспечения высокой готовности (устойчивости). Под устойчивостью понимают способность сетей поддерживать функционирование — в идеальном случае — все время и удовлетворять запросы на сетевые соединения и услуги в полной мере. К сожалению, абсолютная готовность недостижима по причине ограниченного срока жизни сетевых элементов и соединений, поэтому цель производителей — достичь готовности в 99,999%, реальные же значения лежат между 99 и 99,99%.

Обеспечение высокой готовности сетей доступа происходит на трех различных уровнях проектирования сети, каждый из которых рассматривается и оптимизируется независимо от остальных. Речь идет об уровне устройств, уровне соединений и уровне сети.

Уровень устройств. Решение для обеспечения высокой готовности направлено на максимально возможное предотвращение ошибок и отказов на сетевых узлах или избыточную реализацию важных для работы аппаратных компонентов.

Уровень соединений. Готовность на уровне соединений должна быть максимально высокой. Она может быть повышена двумя способами: повышение надежности отдельного соединения или его избыточное исполнение.

Уровень сети. Значительный недостаток предыдущих уровней заключается в том, что они предоставляют лишь явную избыточность: каждый инсталлированный избыточный сетевой ресурс служит для защиты определенного сетевого ресурса и никаких других. В некоторых случаях это ведет к значительному повышению стоимости; однако, вместе с тем, оператор сети может планировать и управлять тем, какие избыточные средства он хочет интегрировать.

Гораздо более гибкой оказывается избыточность на уровне сети. Данная концепция предусматривает использование незащищенных сетевых компонентов и соединений, когда повышение отказоустойчивости достигается путем взаимной защиты (распределенная избыточность). Существенное значение имеет распознавание ошибок и управление сетью. Они производятся либо централизованно посредством системы управления, либо автономно через сетевые элементы при помощи специального протокола. Причиной экономической привлекательности Ethernet является возможность простого и эффективного обеспечения избыточности на уровне сети. Ethernet может использоваться с любой топологией, однако он очень уязвим к образованию петель, чего при избыточной реализации сетей избежать практически невозможно. В Таблице 1 сравниваются различные методы на базе Ethernet в отношении цели применения и времени переключения.

СТРАТЕГИИ ОТКАЗОУСТОЙЧИВОСТИ И QOS

Сети на базе Ethernet наряду с отказоустойчивостью должны предлагать высокое качество услуг. При обеспечении избыточности на уровнях устройств и соединений необходимо помнить, что такое решение может оказаться очень дорогим. Производители систем предусматривают избыточность для многих сетевых элементов; оператор может очень гибко ее варьировать. Высокой степени избыточности соединений добиться и тяжело, и накладно. Кроме того, ограничивающие условия часто мешают ее целевому предоставлению. Возможности Ethernet в отношении избыточности на сетевом уровне представляют собой идеальное дополнение для обеспечения надлежащей готовности.

Контроллер ресурсов должен участвовать в управлении избыточными сетевыми ресурсами, чтобы отдельные ошибки не вели к снижению качества услуг. Для этого он предоставляет службам с гарантированным QoS не все доступные физические ресурсы, оставшиеся же отводятся для предоставления услуг по мере возможности (best effort). В случае отказа одного из сетевых компонентов службы с высоким приоритетом, приносящие провайдеру наибольшую прибыль, не отключаются. Однако под услуги с обслуживанием по мере возможности выделяется в результате меньше ресурсов. Таким образом, оператор сети в состоянии минимизировать сокращение прибыли из-за ошибки в сети.

Дитмар Тёлле, Маркус Целлер и Руди Кнорр — научные сотрудники фраунхофской организации ESK, занимающейся системами коммуникационной техники. С ними можно связаться по адресу: toelle@esk.fraunhofer.de, zeller@esk.fraunhofer.de, knorr@esk.fraunhofer.de.

? AWi Verlag