Практика построения ведомственных сетей frame relay в России

Развитие информационных сетей в России сильно сдерживается несовершенством первичных каналов связи. Несмотря на появление в некоторых крупных городах и ряде регионов современных цифровых сетей, в целом по стране каналы связи являются дефицитными и, несмотря на высокую стоимость, их качество оставляет желать лучшего. В этих условиях перед разработчиками ведомственных сетей встает задача обеспечения наиболее эффективного использования первичных каналов связи.

По мере развития процессов информатизации в крупных организациях формируется ряд различных по назначению систем связи - это сети передачи данных, телефонные, локальные компьютерные, сети охранной, противопожарной и других видов сигнализации, диспетчерской связи и т.д. Такие системы в большинстве случаев развиваются параллельно и независимо друг от друга, они строятся на совершенно различном оборудовании и эксплуатируются несколькими подразделениями с естественным в подобных случаях дублированием, соперничеством и общей избыточностью. Однако в какой-то момент возникает желание создать из этих систем "единый организм".

Одним из наиболее перспективных способов решения указанных задач является построение сети с интеграцией услуг, т.е. такой системы связи, в которой все виды информации (данные, речь, изображения) передаются в унифицированном цифровом виде по одним и тем же каналам связи. Что касается территориально-распределенных сетей связи с интеграцией услуг, то в настоящее время речь идет об интеграции телефонного и факсимильного трафика в низко- и среднескоростные каналы передачи данных (асинхронных потоков, трафика взаимодействующих удаленных ЛС, а также протоколов X.25, SNA и т.п.), хотя появление оборудования видеоконференций на скорости 64 Кбит/с дает реальную возможность включить в этот список и изображения.

Преимущества сетей с интеграцией услуг на базе Frame Relay

Понятно, что для построения сети с интеграцией услуг необходимы средства, обеспечивающие преобразование аналогового трафика в цифровой и обратно. Однако для построения качественно функционирующей сети этого абсолютно недостаточно. Самым главным является правильный выбор коммуникационной технологии, заложенной в основу сети, т.е. системы сетевых протоколов транспортной сети. Дело в том, что информационные потоки, объединяемые такой сетью, могут иметь абсолютно различные характеристики распределения во времени, чувствительность к задержкам и потерям части данных. Например, для речевого потока характерны некоторая стойкость к потерям и исключительная чувствительность к задержкам, особенно неравномерным. Поток данных обычно нечувствителен к потерям, так как существуют механизмы восстановления потерянных данных, однако он имеет "пульсирующий" характер (особенно трафик ЛС) и бывает (например, трафик SNA) чувствительным к задержкам. Таким образом, при объединении разнородных информационных потоков необходимо для каждого из них выдержать специфические требования по задержкам, приоритетности, надежности доставки и т.п.

С точки зрения эффективности использования канала связи при мультиплексировании пульсирующих потоков одной из лучших технологий является коммутация пакетов. Она естественным образом обеспечивает статистическое мультиплексирование и имеет сравнительно небольшую избыточность.

Наиболее широко используемые в настоящее время сети с коммутацией пакетов X.25 не могут обеспечить качественную передачу критичного к задержкам трафика. Дело в том, что технология Х.25 предназначена для организации надежной передачи данных в условиях разветвленных территориально-распределенных сетей на базе низко- и среднескоростных каналов невысокого качества. При этом обеспечивается достоверная и упорядоченная (за счет повторной передачи искаженных кадров) передача данных между каждой парой соседних узлов сети по всему маршруту следования пакета (рисунок 1.). Таким образом, в сети с каналами низкого качества возникают нерегламентированные непостоянные по величине задержки передаваемых данных. Кроме того, в X.25 отсутствуют механизмы обеспечения приоритетов каких-либо видов данных. Поэтому невозможно передавать по сетям Х.25 чувствительный к задержкам трафик (например, оцифрованную речь) с удовлетворительным качеством.

Для построения современных пакетных сетей разработана технология frame relay (ретрансляции кадров).

Концепция frame relay имеет два основных отличия от Х.25:

По сути, технология frame relay позволяет использовать для передачи чувствительного к задержкам трафика (речь и т.п.) механизм резервирования полосы канала, близкий к тому, который применяется при временном разделении каналов, а для обычных данных - статистическое приоритетное мультиплексирование. Все это в совокупности с некоторыми другими механизмами позволяет обеспечить постоянный темп передачи речевых пакетов.

Современное оборудование frame relay помимо компрессии речи (в 10 - 15 раз) обычно реализует ряд специальных алгоритмов ее обработки, которые позволяют в еще большей степени использовать особенности пакетной коммутации.

Одним из механизмов является подавление пауз. Как правило, телефонные собеседники говорят по очереди. При разговоре по обычному телефону с "молчащей" стороны передается специальный шумовой сигнал. Кроме того, существуют паузы между словами и предложениями. По статистике во время телефонных переговоров более 60% полосы пропускания канала используется на передачу тишины. При автоматическом определении отсутствия полезного сигнала можно всю полосу канала использоваться для передачи данных. На приемной стороне в это время генерируется "розовый" шум, для того чтобы у пользователя не создавалось впечатления "мертвой" линии.

Еще одним интересным механизмом является "переменная скорость оцифровки". Определяется наименьшая (базовая) скорость оцифровки, которая обеспечивает минимально приемлемое качество передачи речи, и формируется поток "базовых" кадров, а при наличии свободной полосы канала - "дополнительные" пакеты, улучшающие качество речи. Такой алгоритм обработки телефонного трафика легко реализуется средствами frame relay (путем установки бита DE в кадрах, передающих "дополнительную" информацию, что дает возможность сети сбросить эти кадры в случае перегрузки).

Архитектура и оборудование сети с интеграцией услуг

Пример архитектуры сети frame relay с интеграцией речи и данных приведен на рисунке 2. Телефонный трафик передается непосредственно через уровни frame relay, обеспечивающие ему приоритетную передачу без задержек, но не гарантирующие стопроцентной доставки до места назначения (искаженные кадры сбрасываются). Для передачи данных, помимо механизмов frame relay магистральной сети, на абонентской стороне задействованы дополнительные протоколы, в данном случае X.25. Они обеспечивают за счет повторной передачи пакетов, в которых обнаружена ошибка, гарантированное доведение данных на уровне абонент-абонент, т.е. осуществляют функции протокола транспортного уровня семиуровневой модели взаимодействия открытых систем.

Сотрудники АО "Информсвязь" провели многочисленные испытания оборудования frame relay, производимого различными фирмами, и в настоящее время наиболее часто используют в проектах периферийные маршрутизаторы CX-1000/CX-900 (Memotec), MPRouter 6520/6560 (Motorola ISG), Kilomux-3000/300/30 (RAD), а в крупных магистральных сетях - оборудование фирм Netrix и Stratacom.

Периферийные маршрутизаторы (ПМ) фирм Memotec, Motorola и RAD предназначены для абонентских и магистральных узлов сетей frame relay. Устройства имеют модульную конструкцию, что позволяет создать узел сети с необходимым набором функций и требуемым числом портов в одном шасси. Имеются модули для магистральных (композитных) каналов frame relay; для доступа по последовательнуму интерфейсу; модули мостов-маршрутизаторов, обеспечивающие связь между удаленными ЛС Ethernet, Token Ring; модули оцифровки и компрессии речи (а также распознавания и передачи факсов) с аналоговыми и цифровыми интерфейсами, позволяющими подключать к сети как телефонные/факсимильные аппараты, так и учрежденческие и городские АТС. Все оборудование имеет развитые средства дистанционного управления и мониторинга. Типичная структура корпоративной сети приведена на рисунке 3.

На базе каких каналовможно строить сеть frame relay?

Как показал опыт, в том числе российский, для этой цели могут служить следующие каналы.

Цифровые выделенные каналы связи. Их использование является наиболее очевидным и естественным вариантом, конечно, если таковые имеются или есть средства на их развертывание. Цифровые выделенные каналы доступны в основном в крупных городах, где на их базе созданы современные сети связи, предоставляющие пользователям полосы пропускания от 64 до 2048 Кбит/с. Например, в Москве это сети операторов "Голден Лайн", "МТУ-Информ", "Макомнет", в Петербурге - "Метроком" и др.

Физические линии. Если организация имеет в своем распоряжении физические (неуплотненные) линии, то при помощи соответствующих модемов (ближнего действия или HDSL, например производства RAD, Schmid Telecommunication, PairGain или Nokia) можно получить наложенные цифровые каналы со скоростью передачи до 2 Мбит/с. Если не применять специальных усилителей (репитеров), то такие каналы обеспечивают связь на растоянии до 16 км. Причем дальность связи обратно пропорциональна диаметру провода и скорости передачи. На оптоволокне при помощи модемов RAD можно достичь быстродействия до 38 Мбит/с (E3).

Выделенные каналы тональной частоты (ТЧ). Многочисленные эксперименты и практическая эксплуатация сетей frame relay подтвердили возможность использования каналов ТЧ в сетях frame relay. Основными условиями успеха являются применение качественных профессиональных модемов, постояное слежение за состоянием каналов, а также оптимизация топологии сетей. При построении сети frame relay на базе каналов ТЧ следует избегать топологий с большим количеством промежуточных узлов, поскольку в противном случае frame relay будет работать неэффективно.

В своих проектах АО "Информсвязь" использует модемы Motorola 3266/3268, которые полностью реализуют стандарт V.34 и обеспечивают в большинстве случаев и при правильной настройке дискретный канал связи достаточно высокого качества. Кроме того, эти модемы имеют развитые средства мониторинга состояния каналов, что позволяет обеспечить их контроль и своевременную подстройку.

В качестве примеров сетей frame relay, построенных на каналах ТЧ, можно привести корпоративные сети, созданные специалистами АО "Информсвязь" по заказам ГУ ЦБ РФ по Ставропольскому краю, Ярославской, Тульской и Липецкой областям.

ИКМ-каналы. Во многих случаях предоставляемые в аренду каналы ТЧ построены на базе систем ИКМ. В них каждый абонентский аналоговый сигнал преобразуется в цифровой поток 64 Кбит/с, передаваемый по цифровым трактам. При рассмотрении общей схемы использования такого канала в корпоративной сети (рисунок 4) можно заметить наличие избыточных преобразований цифрового сигнала в аналоговый и обратно. Возникает естественное желание избавиться от лишних звеньев цепи - модемов и устройств ИКМ-преобразования. В результате снизится стоимость, повысятся качество и скорость (гарантированные 64 Кбит/с вместо потенциальных 28,8 (33,4) Кбит/с).

Исследование возможности такого использования ИКМ-каналов было проведено в сети ГУ ЦБ РФ по Тульской области специалистами АО "Информсвязь", ЦБ и ОАО "ТУЛАТЕЛЕКОМ". Исследуемый канал был построен на базе оборудования ИКМ30/4, которое обеспечивает подключение четырех абонентских каналов по цифровому интерфейсу G.703 contradir. Преобразование этого интерфейса в V.35, который используется для подключения к оборудованию frame relay, а также покрытие расстояния от ИКМ-стойки, расположенной на районном узле связи, до оборудования frame relay были обеспечены преобразователем интерфейса SPD-703 фирмы RAD (рисунок 5).

Результаты эксперимента превзошли самые смелые предположения - канал связи (на котором до этого на скорости 14,4 Кбит/с наблюдались ошибки с вероятностью до 10-2 и потери нескольких кадров подряд, что приводило к заметным на слух перерывам в речи) после исключения аналоговых каскадов обеспечил практически без ошибочную передачу данных со скоростью 64 Кбит/с.

Использование модемов для аналоговых трактов

Необходимо отметить еще одну интересную возможность организации цифровых каналов - на базе модемов для групповых аналоговых каналов. В эксплуатации находится большое количество аналоговых первичных сетей, в том числе ведомственных. Их преобразование в цифровые требует очень больших капиталовложений. Для организации высокоскоростных дискретных каналов связи на базе таких сетей можно использовать указанные модемы. Примером могут служить модемы фирмы ATI, которые позволяют на базе вторичной или третичной аналоговой группы получить каналы со скоростями от 1,5 до 8 Мбит/с.

При отсутствии проводных и оптоволоконных каналов можно использовать радиорелейную и радиосвязь, а в отдельных случаях - спутниковые каналы. Необходимо также отметить, что все основные операторы сетей общего назначения предоставляют услуги frame relay, чем можно воспользоваться при построении своей корпоративной сети. Так что в целом определенная база для развития сетей Frame Relay в России существует.