Управление сетями связи

Часть I. Стандарты и технологии

Концепция сети управления телекоммуникациями (Telecommunications Management Network, TMN) разрабатывалась с целью описать инфраструктуру, которая обеспечила бы развертывание услуг связи и их администрирование. Ее появление стало ответом на распространение гетерогенных сетей и разнородных телекоммуникационных сервисов. Однако специфика сетей связи наложила отпечаток и на сферу управления: несмотря на то, что стандарты TMN гораздо более «продвинуты» (как в количественном, так и в качественном отношении), чем стандарты администрирования корпоративных сетей передачи данных, список реализующих их продуктов сегодня гораздо короче перечня платформ и приложений на базе SNMP.

Задачи управления

Проблема стандартизации технологий управления сетями связи приобрела особую актуальность в последние годы, которые характеризуются невиданными ранее темпами эволюционирования телекоммуникационной отрасли. Появление современных технологий, резкое ослабление государственного регулирования в ряде стран и возросшие потребности пользователей не только открыли перед операторами небывалые возможности, но и породили немало проблем.

Если говорить о сфере администрирования, то развертывание новых услуг связи требует эффективного контроля за их качеством, а также модернизации биллинговых систем. Глобализация телекоммуникационной индустрии, слияния и поглощения компаний-операторов заставляют внедрять системы управления, основанные на стандартах. То же самое справедливо по отношению к возникающим альянсам операторов сетей разных типов (телефонных и беспроводных, магистральных передачи данных и сетей доступа), которые нередко предполагают аренду коммуникационной инфраструктуры. Наконец, проблема унифицированности средств администрирования становится все более острой по мере того, как провайдеры начинают активно внедрять продукты разных производителей, стремясь улучшить характеристики сетей и сервисов.

Немного истории

Первые попытки создания архитектуры, впоследствии получившей название TMN, были предприняты задолго до того, как революционные изменения в телекоммуникационной отрасли проявились в полную силу. Скажем, вопросы, связанные с обеспечением единообразия процессов эксплуатации интеллектуальных передающих терминалов (transmission terminals) и управления ими, обсуждались еще в 1982 г. Концепция TMN впервые была предложена четырьмя годами позже на совещании инженерной группы TMN EG в Торонто. В 1988 г. Международный консультативный комитет по телеграфии и телефонии (CCITT) опубликовал рекомендации M.3010 «Принципы TMN». Первоначально появившиеся в составе «Голубой книги» под номером M.30, указанные рекомендации положили начало многочисленному семейству спецификаций, регламентирующих различные аспекты управления сетями связи.

Следующие четыре года стали периодом интенсивных исследований, периодом поиска и обсуждения различных подходов к организации управления сетями связи. Результаты этой деятельности были представлены телекоммуникационной общественности в 1992 г., когда увидела свет большая часть основополагающих документов Международного союза электросвязи (ITU-T), имеющих отношение к TMN. Их содержание совершенствуется и в наши дни за счет выхода новых редакций и дополнений. Кроме того, в середине 90-х гг. ITU-T выпустил ряд дополнительных стандартов, затрагивающих частные вопросы реализации и функционирования сетей TMN.

Базовые понятия и основные стандарты

Согласно определению ITU-T, TMN представляет собой отдельную сеть, которая имеет интерфейсы с одной или большим числом сетей связи в нескольких точках, обменивается с этими сетями информацией и управляет их функционированием. Отделение TMN от сетей связи реализуется на физическом или логическом уровне. В последнем случае TMN может частично использовать инфраструктуру управляемой сети.

В спецификациях TMN управляемые ресурсы имеют общее название «сетевые элементы» (Network Element, NE). Функции управления возложены на системы поддержки операций (Operations Support System, OSS), иногда не совсем удачно именуемые просто операционными системами (Operations System, OS).

Место TMN в сети связи

Схема взаимодействия TMN с управляемой сетью связи показана на рис. 1. Эта упрощенная картина приобретает разнообразные технические оттенки в многочисленных спецификациях, детализирующих отдельные аспекты архитектуры TMN. Десятилетие, прошедшее с момента появления на свет рекомендаций M.3010, оказалось чрезвычайно плодотворным. Число стандартов и спецификаций в области TMN, вышедших за это время из стен одного только ITU-T, исчисляется многими десятками, а ведь надо учесть, что помимо Международного союза электросвязи разработками в данной области сегодня занимается немало организаций (см. врезку «TMN: калейдоскоп спецификаций»). Рассмотреть все существующие стандарты TMN в рамках журнального обзора не представляется возможным, поэтому ниже будут весьма конспективно охарактеризованы базовые документы, регламентирующие построение и функционирование сетей TMN, и рассмотрены главные элементы их архитектуры.

Международный союз электросвязи сегодня является основным стандартообразующим органом в области TMN. Важнейшие документы ITU-T, имеющие отношение к TMN, сгруппированы в так называемое M-семейство (рис. 2). Их выпускает четвертая исследовательская группа (Study Group 4).

Рекомендрации по TMN и примыкающие стандарты

Документ M.3000 «Обзор рекомендаций в области TMN» содержит перечень всех существующих публикаций ITU-T и других стандартов, которые имеют отношение к управлению сетями связи. Здесь же дана краткая характеристика концепции TMN и рассмотрена ее взаимосвязь с другими телекоммуникационными технологиями.

В упомянутом выше стандарте M.3010 изложены общие принципы построения и работы сети TMN, описаны функциональные блоки, компоненты и интерфейсы, иерархическая архитектура TMN, объекты управления и модель «менеджер—агент». Название рекомендаций M.3016 «Обзор информационной безопасности TMN», появившихся только в июне прошлого года, говорит само за себя. Рекомендации M.3020 «Методология определения TMN-интерфейсов» посвящены функциональным возможностям TMN-интерфейсов и используемых ими протоколов.

Общая информационная модель сетевых элементов определяется документом M.3100. В нем описаны классы администрируемых объектов, их свойства (атрибуты), которые могут служить для обмена информацией между интерфейсами, а также применение объектных технологий, например наследования. Описания классов строятся таким образом, что допускается их использование в сетях с различными технологиями, архитектурами и услугами. Каталог классов управляемых TMN-объектов содержится в документе M.3180 «Каталог управляющей информации TMN».

Стандарт M.3200 «Услуги управления TMN» включает в себя краткие описания прикладных сервисов TMN. Кроме того, он вводит концепции «Управление телекоммуникациями» и «Область управления». Конкретные услуги подробно определяются в следующих документах серии M.32xx: M.3201 (управление трафиком), M.3202 (управление системами сигнализации), M.3203 (управление пользовательскими сервисами), M.3207.1 (управление каналами B-ISDN; в более ранней редакции — M.3205) и др.

В документе M.3300 сформулированы требования к организации человеко-машинного интерфейса (по терминологии TMN — F-интерфейса), а в M.3320 — аналогичные требования для интерфейса между сетями TMN (X-интерфейса). Наконец, стандарт M.3400 определяет функции управления в сетях TMN.

Остается заметить, что названные публикации ITU-T представляют собой только часть рекомендаций M-семейства, регламентирующих функционирование сетей TMN (например, термины и определения сгруппированы в документ М.60, а принципы применения концепции TMN к управлению сетями ISDN изложены в серии M.36xx). Кроме того, отдельным аспектам управления сетями связи посвящены стандарты G-, Q- и X-семейств, которые разрабатывают другие исследовательские группы в составе ITU-T.

Функциональная архитектура

Первая из трех архитектур, предусмотренных стандартом M.3010, описывает распределение функциональных возможностей в сети TMN в терминах так называемых функциональных блоков. Каждый блок представляет собой группу управляющих функций, определенных для сетевых ресурсов конкретного типа. Места обмена информацией между неперекрывающимися блоками называются контрольными точками (reference points).

К функциям сетевых элементов (NEF) относятся: базовые телекоммуникационные функции, которые обеспечивают обмен данными между пользователем и сетью связи (в спецификациях TMN не конкретизируются), и функции управления, позволяющие сетевому элементу выступать в роли агента.

Функции систем поддержки операций (OSF) обеспечивают инициацию процедур администрирования, прием уведомлений о событиях, обработку служебной информации в целях мониторинга и координации различных функций сети связи, в том числе задач управления (выполняемых самой TMN). В управляющей модели «менеджер—агент» они соответствуют роли менеджера.

Функции рабочей станции (WSF) отвечают за представление управляющей информации в виде, удобном для потребителей, в частности для пользователей сети.

Функции Q-адаптера (QAF) позволяют связывать с TMN сетевые ресурсы, которые с функциональной точки зрения эквивалентны NE или OS, но не поддерживают стандартные контрольные точки TMN. Например, благодаря им можно транслировать информацию между точками q и m.

С помощью посреднических функций (Mediation Functions, MF) осуществляется обмен информацией между блоками NEF (или QAF) и OSF. Один блок MF способен соединить систему поддержки операций с несколькими сетевыми элементами или Q-адаптерами. Кроме того, сами блоки MF могут объединяться в каскады. Среди блоков данного класса стоит специально отметить те, которые расширяют функциональность OSF (например, обеспечивая хранение и фильтрацию управляющей информации) и NEF (в частности, преобразуя такую информацию из локального представления в стандартное).

Строго говоря, в рекомендациях ITU-T полностью определены только блоки OSF и MF, а характеристики трех остальных (WSF, NEF и QAF) регламентированы частично. Возможные взаимодействия между разными функциональными блоками показаны в табл. 1.

Таблица 1. Возможные взаимодействия между функциональными блоками

Каждый функциональный блок TMN, в свою очередь, состоит из нескольких компонентов: прикладной управляющей функции, базы данных MIB, средств человеко-машинного интерфейса, функций преобразования информации, представления данных и обмена сообщениями (Message Communication Function, MCF). Как можно заключить из самих названий компонентов, пять из них непосредственно связаны с выполнением административных действий, тогда как шестой, последний, реализует сервис обмена управляющей информацией. MCF представляет собой стек протоколов, обеспечивающих связь функциональных блоков с сетью передачи данных (Data Communication Network, DCN), и во многих случаях соответствует уровням 4—7 модели OSI.

Наличие в сети TMN функциональных блоков всех пяти типов не является обязательным. С другой стороны, в ней могут присутствовать несколько блоков одного типа.

Как отмечено выше, для связи между функциональными блоками служат контрольные точки, которые в архитектуре TMN принадлежат к одному из трех классов:

• точки класса q располагаются между блоками сети TMN, выполняющими прикладные функции управления; сюда относятся контрольные точки q3 и qx*;
• точки класса f находятся в месте «подключения» блока WSF к сети TMN;
• точки класса x «связывают» два блока OSF, принадлежащих к разным сетям TMN, либо один такой блок с оборудованием, которое расположено вне сети TMN, но обладает аналогичной функциональностью.

Простейший вариант физической архитектуры TMN

Кроме того, в документации по TMN упоминаются контрольные точки двух дополнительных типов — g и m. Они обеспечивают взаимодействие сетевых ресурсов, не соответствующих стандарту TMN, с функциональными блоками WSF и QAF соответственно, поэтому в стандартах TMN охарактеризованы лишь частично.

Физическая архитектура

Физическая архитектура соответствует уровню абстракции, который расположен непосредственно под функциональным уровнем. Она проецирует функциональные блоки TMN на сетевые устройства, именуемые строительными блоками (building blocks), или физическими компонентами, а контрольные точки — на физические интерфейсы (рис. 3). В спецификациях TMN контрольные точки обозначаются строчными буквами, а интерфейсы — прописными (возможно, с индексами).

Физической архитектурой TMN предусмотрены шесть типов строительных блоков:

• сетевой элемент (NE) выполняет функции NEF, а также (опционально) OSF, QAF, MF и WSF;
• посредническое устройство (Mediation Device, MD) является промежуточным звеном между интерфейсами, соответствующими информационной модели OSF, и локальными интерфейсами TMN. Опционально оно может выполнять функции QAF, OSF и WSF;
• Q-адаптер (QA) осуществляет функции посредника на границе сети TMN (а не внутри нее, как MD);
• система поддержки операций (OS) отвечает за функции групп OSF и, в необязательном порядке, MF, WSF и QAF;
• рабочая станция (WS);
• сеть передачи данных (DCN).

Принятые в TMN названия строительных блоков показывают, какие группы функций они выполняют. Вместе с тем, как видно из приведенного выше описания, компоненты одного функционального блока могут быть реализованы в различных устройствах, и напротив, один строительный блок может соответствовать нескольким функциональным (причем разных типов). Допустимые соответствия между строительными блоками и реализуемыми ими функциями TMN иллюстрирует табл. 2.

Таблица 2. Соответствие между функциональными и строительными блоками

Существенно также, что каждый из строительных блоков способен выполнять дополнительные задачи, находящиеся за пределами базового функционального «наполнения» TMN. Кроме того, стандарт предоставляет разработчикам большую свободу в выборе конкретных конфигураций. Именно это позволяет создавать структуры TMN, предназначенные для управления различными сетями связи. Первоначально концепция TMN была применена к сетям SDH, однако впоследствии появились спецификации, ориентированные на другие телекоммуникационные технологии — B-ISDN, ATM, SS7 и т.д.

Заметим, что компоненту физической архитектуры DCN не поставлен в соответствие ни один функциональный блок. DCN играет роль транспортной сети, по которой другие блоки обмениваются управляющей информацией, и охватывает три нижних уровня эталонной модели OSI.

Интерфейсы можно рассматривать в качестве реализаций контрольных точек. На практике они представляют собой не что иное, как стеки протоколов, отвечающих за те или иные услуги.

Основную роль в работе сети TMN играют интерфейсы группы Q, поскольку обычно они объединяют функциональные блоки, принадлежащие к одному домену TMN. Интерфейс Q3 служит для связи OS с другими функциональными компонентами (NE, QA, MD или OS). Интерфейс Qx связывает посредническое устройство с сетевым элементом, Q-адаптером или иным посредническим устройством. Интерфейс F располагается между рабочей станцией и системой поддержки операций либо между рабочей станцией и посредническим устройством, а интерфейс X связывает элементы двух сетей TMN через сеть передачи данных DCN.

Между интерфейсами и контрольными точками существует взаимно однозначное соответствие. Исключение составляют точки, которые связывают функциональные блоки в пределах одного устройства, а также контрольные точки g и m, чья реализация не регламентируется стандартами TMN.

Для передачи административной информации между интерфейсами в рекомендациях ITU-T и стандартах ISO предусматриваются протоколы двух типов — коммуникационные и управляющие. В качестве первых в TMN используются стандартные протоколы OSI, протоколы ISDN и системы сигнализации № 7 (SS7). Из числа управляющих протоколов выбраны Common Management Information Protocol (CMIP, ITU-T Recommendation X.711) и File Transfer and Management Protocol (FTAM, стандарт ISO 8571). Указанные протоколы организованы в стеки для поддержки конкретных интерфейсов TMN. Синтаксис передаваемых сообщений соответствует правилам двоичного кодирования, описанным в документе Recommendation X.209.

Информационная архитектура

Алгоритмы передачи управляющей информации между функциональными блоками TMN унаследовали у модели OSI два важнейших элемента — объектную ориентацию и архитектуру «менеджер—агент».

Предусмотренное в TMN разделение функциональности распределенных управляющих приложений на менеджера и агента практически без изменений повторяет принцип, который широко используется в системах администрирования, поддерживающих стандарт OSI. Функциональный блок TMN одновременно может выступать в роли менеджера по отношению к одному управляющему компоненту (management entity) и в качестве агента — по отношению к другому. Не останавливаясь на деталях этой хорошо известной модели, заметим только, что информационная архитектура TMN не допускает выполнения функций менеджера сетевым элементом, а функциональный блок WSF вообще исключен из перечня возможных управляющих компонентов.

Объектная ориентация информационной архитектуры TMN выражается в том, что телекоммуникационные ресурсы представляются в виде классов управляемых объектов, которые могут создаваться и изменяться с использованием интерфейсов TMN. В один класс входят объекты с похожими характеристиками — атрибутами, выполняемыми над объектом операциями, поведением (реакцией на операции) и генерируемыми уведомлениями. При таком подходе детали реализации объекта скрыты от «внешнего мира». Граничный интерфейс объекта обязан поддерживать набор услуг, разрешенных операций, ответных сообщений и уведомлений, связанных с характеристиками данного объекта. Набор объектов, который может использоваться для управления произвольной сетью связи, получил название универсальной сетевой информационной модели (Generic Network Information Model, GNIM).

Информационная модель TMN допускает отсутствие между телекоммуникационными ресурсами и управляемыми объектами взаимно однозначного соответствия, представление одного ресурса несколькими объектами, введение дополнительных объектов (так называемых объектов поддержки) для отображения логических ресурсов, а также вложение управляемых объектов друг в друга.

TMN-пирамида

TMN-пирамида

Помимо рассмотренной классификации (функциональная и «обрамляющие» ее физическая и информационная архитектуры) концепция TMN предлагает и другой принцип распределения функциональных компонентов и процедур, относящихся к управлению сетями связи. Тот факт, что одни и те же административные функции могут быть реализованы на разных уровнях абстракции, позволяет определить логическую иерархическую архитектуру (Logical Layered Architecture, LLA), которая в каком-то смысле ортогональна структурированному «административному зданию», построенному в предыдущих разделах. Фактически, архитектура LLA (называемая иногда TMN-пирамидой, рис. 4) отражает иерархию ответственности за выполнение административных задач.

Следует отметить, что иерархическая архитектура относится к достаточно поздним приобретениям TMN. Положенная в ее основу идея восходит к принципам открытой сетевой архитектуры (Open Network Architecture), опубликованным в 1989 г. компанией British Telecom. В спецификациях TMN концепция уровней управления впервые встречается в 1992 г., в дополнении к соответствующей редакции M.3010, в основной же текст этого документа она вошла только в 1996 г.

В настоящее время архитектурой LLA предусмотрены пять уровней управления.

Уровень сетевых элементов (Network Element Layer, NEL) играет роль интерфейса между, как правило, патентованной базой данных со служебной информацией (MIB), находящейся на отдельном устройстве, и инфраструктурой TMN. К нему относятся Q-адаптеры и собственно сетевые элементы.

Уровень управления элементами (Element Management Layer, EML) соответствует системам поддержки операций, контролирующим работу групп сетевых элементов. На этом уровне реализуются управляющие функции, которые специфичны для оборудования конкретного производителя, и эта специфика маскируется от вышележащих уровней. Примерами таких функций могут служить выявление аппаратных ошибок, контроль за энергопотреблением и рабочей температурой, сбор статистических данных, измерение степени использования вычислительных ресурсов, обновление микропрограммных средств. Данный уровень включает в себя посреднические устройства (хотя физически они могут принадлежать и к более высоким уровням), взаимодействующие с OS через интерфейс Q3.

Уровень управления сетью (Network Management Layer, NML) формирует представление сети в целом, базируясь на данных об отдельных сетевых элементах, которые передаются системами поддержки операций предыдущего уровня через интерфейс Q3 и не привязаны к особенностям продукции той или иной фирмы. Другими словами, на этом уровне осуществляется контроль за взаимодействием сетевых элементов, в частности формируются маршруты передачи данных между оконечным оборудованием для достижения требуемого качества сервиса (QoS), вносятся изменения в таблицы маршрутизации, отслеживается степень утилизации пропускной способности отдельных каналов, оптимизируется производительность сети и выявляются сбои в ее работе.

Уровень управления услугами (Service Management Layer, SML) охватывает те аспекты функционирования сети, с которыми непосредственно сталкиваются пользователи (абоненты или другие сервис-провайдеры). В соответствии с общими принципами LLA на этом уровне используются сведения, поступившие с уровня NML, но непосредственное управление маршрутизаторами, коммутаторами, соединениями и т.п. здесь уже невозможно. Вот некоторые функции, относящиеся к управлению услугами: контроль за QoS и выполнением условий контрактов на обслуживание (SLA), управление регистрационными записями и подписчиками услуг, добавление или удаление пользователей, присвоение адресов, биллинг, взаимодействие с управляющими системами других провайдеров и организаций (через X-интерфейс).

Уровень бизнес-управления (Business Management Layer, BML) рассматривает сеть связи с позиций общих бизнес-целей компании-оператора. Он относится к стратегическому и тактическому управлению, а не к оперативному, как остальные уровни LLA. Здесь речь идет о проектировании сети и планировании ее развития с учетом бизнес-задач, о составлении бюджетов, организации внешних контактов и пр.

Таким образом, уровни LLA задают функциональную иерархию процедур управления сетью без физической сегментации административного программного обеспечения. Причина появления этой иерархии — в необходимости логического отделения функций управления отдельными сетевыми элементами от функций, относящихся к их группам и сетевым соединениям. Понятно, что приближение административных процедур к тем ресурсам, на которые направлено их воздействие, повышает эффективность управления. Кроме того, иерархия LLA позволяет использовать открытые стандартные интерфейсы для организации взаимодействия между разными уровнями.

Взгляд в будущее

Несмотря на десятилетнюю историю процесса стандартизации сетей TMN и многочисленность вовлеченных в него организаций он еще далек от своего завершения. По мнению ряда экспертов, дальнейшие шаги в этой области будут направлены на еще более полное внедрение в TMN модели управления OSI, подготовку спецификаций, конкретизирующих реализацию TMN в сетях связи разных типов, обеспечение максимально возможной совместимости.

Разработка стандартов TMN уже привела к расширению функциональности модели OSI (Recommendation X.700). Это относится к созданию отчетов об аварийных ситуациях, управлению производительностью, разработке управляющей модели для сетей SDH с применением объектных технологий, созданию рекомендаций по управлению сетями и услугами абонентского доступа. Ведутся работы по стандартизации средств управления трафиком и предупреждающими сообщениями в сетях связи.

Вопрос обеспечения совместимости, который в сетевой индустрии традиционно сопряжен с немалыми трудностями, применительно к TMN стоит особенно остро. Наличие рекомендаций ITU-T и утвержденных стандартов не является гарантией совместимости по двум причинам. Во-первых, к настоящему моменту ряд необходимых стандартов попросту не готов. Во-вторых, некоторые требования, играющие важнейшую роль в практической реализации рассмотренных архитектур, лежат за пределами концепции TMN.

Самостоятельную проблему представляет собой согласование спецификаций, принимаемых различными организациями, в том числе национальными. Способствовать ее решению призваны Международные стандартизованные профили (International Standardized Profiles, ISP), регулярно публикуемые ITU-T.