Региональная сеть Metro Ethernet

💸 Как сделать бизнес проще, а карман толще?

Тот, кто работает в сфере услуг, знает — без ведения записи клиентов никуда. Мало того, что нужно видеть свое раписание, но и напоминать клиентам о визитах тоже. Проблема в том, что средняя цена по рынку за такой сервис — 800 руб/мес или почти 15 000 руб за год. И это минимальный функционал. Нашли самый бюджетный и оптимальный вариант: сервис VisitTime.
⚡️ Для новых пользователей первый месяц бесплатно. А далее 290 руб/мес, это в 3 раза дешевле аналогов. За эту цену доступен весь функционал: напоминание о визитах, чаевые, предоплаты, общение с клиентами, переносы записей и так далее.
✅ Уйма гибких настроек, которые помогут вам зарабатывать больше и забыть про чувство «что-то мне нужно было сделать».
Сомневаетесь? нажмите на текст, запустите чат-бота и убедитесь во всем сами!

Не существует универсальной технологии, способной полностью удовлетворить все требования оператора, связанные с построением сети передачи данных. Именно это обстоятельство поражает такое разнообразие методов и средств подключения, в частности рассмотрим две концепции, а именно оптические сети (PON) и активном Ethernet (Active Optional Network, AON). Которые будут представлены в контексте Ethernet, будет рассмотрена организация сетей на базе как оптических так и медных компонентов, а в качестве пассивной технологии возьмем GPON, как наиболее востребованную.

Технологии группы PON лучше будут представлены в виде таблицы:

Таблица 3.1 – краткое описание различных технологий PON

Технология Ethernet предоставляет скорости передачи данных 1 Гбит/с и 10 Гбит/с удовлетворяя большую часть запросов пользователей, а так же технологические особенности Merto Ethernet определили и область применения стандарта: крупные города и населенные пункты с высокой плотностью населения и небольшими расстояниями от узла связи до абонента. Использования стандарта Ethernet требует прокладки отдельного кабеля к каждому абоненту, но зато позволяет решить вопрос с пропускной способностью инфраструктуры доступа. В качестве физического носителя здесь по–прежнему используется «медь», а точнее, – одна или несколько витых пар проводов. За счет протокола FastEthernet, достаточно доступного и работающего со скоростью 100 Мбит/с, однако уже сегодня ресурсов созданных сетей не хватает, а это означает, что для предоставления требуемых параметров необходимо последовательно переходить к оборудованию, поддерживающему протоколы GbE (1 Гбит/с) и 10GbE (10 Гбит/с).

К недостаткам технологии Metro Ethernet (FTTB) следует отнести малую дистанцию подключения (расстояние между операторским и абонентским оборудованием). В большинстве крупных городов при плотной застройке данная проблема вряд ли актуальна, однако, в сельских районах, дачных, коттеджных поселках следует применение технологии Metro Ethernet существенно увеличивает расходы на оптоволокно. Потребности в более высоких скоростях ведут к непропорциональному росту затрат оператора при увеличении абонентской базы, так как оборудование стандартов GbE, 10GbE, а также грядущих 40GbE и 100GbE оказывается весьма дорогостоящим.

Технология GPON наиболее перспективна для развертывания сетей. Исходя из данных таблицы 1, технология позволяет обеспечить высокую скорость. К положительным качествам применения пассивных сетей обеспечивает помехоустойчивый канал связи, а также использование всех популярных протоколов и технологий коммуникаций IGMP, DHCP, STP, TCP/IP и так далее. В отсутствие промежуточных активных элементов, управление абонентскими устройствами и обновление их программного обеспечения происходит централизовано и автоматически, благодаря чему сохраняются инвестиции в новое оборудование.

Современные устройства GPON – коммутаторы OLT и клиентские устройства ONT – стали функциональными. Различные размеры и плотность портов позволяют выбирать те решения, которые позволяют соблюсти баланс между количеством подключаемых абонентов и затратами. При подключении новых абонентов не требуется никаких дополнительных надстроек или согласования протоколов – пассивные оптические сети позволяют сразу же предоставить доступ к интернет – ресурсам в привычном режиме, но с более высокой скоростью и меньшими затратами со стороны оператора.

В настоящее время используются разнообразные неклассические технологии создания мультисервисных сетей доступа на базе технологии Ethernet. Применение такой технологии, как правило, позволяет создать МСС путем добавления дополнительных услуг к уже имеющимся в сети.

Сети MetroEthernet предназначены для предоставления нового спектра коммерческих услуг передачи данных как для корпоративных, так и для домашних пользователей с максимальной зоной охвата в пределах города.

Технология, лежащая в основе архитектуры MetroEthernet, позволяет операторам связи предлагать наиболее широкий на сегодняшний день спектр услуг и быстро внедрять новые сервисы по мере их появления. Так, на рынке домашних абонентов это единственная технология, которая позволяет не только реализовать концепцию, объединяющую в одном пакете доступ в Интернет, IP–телефонию и интерактивное телевидение (IP TV), но и обладает достаточным запасом роста для внедрения перспективных услуг (например, услуги с самостоятельным управлением).

Типовая cеть Metro Ethernet строится по трехуровневой иерархической схеме и включает уровень ядра, уровень агрегации и уровень доступа (см. рисунок 3.1).

Рисунок 3.1 – Архитектура мультисервисных сетей Metro Ethernet

На уровне ядра и на уровне агрегации обеспечивается резервирование компонентов устройств, а также топологическое резервирование, что позволяет повысить доступность сети и сделать предоставление услуг непрерывным при сбоях каналов и узлов.

Поддерживаемые современные механизмы резервирования и защитной коммутации обеспечивают время восстановления, сравнимое с сетями SDH и позволяют минимизировать потери трафика при сбоях на сети.

На уровне доступа реализуется полный комплекс мер безопасности, обеспечивающих идентификацию и изоляцию клиентов, а также защиту инфраструктуры оператора. В сети реализуются сквозные механизмы качества обслуживания (QoS) и поддерживаются различные типы прозрачного туннелирования клиентской QoS–маркировки трафика. На всех уровнях сети поддерживается эффективная многоадресная передача (multicast), что важно при реализации таких услуг, как телевидение поверх IP.

Для обеспечения повышенной надежности и резервирования широко применяется топологическая модель кольца. Кольца обычно создают на уровнях ядра и доступа.

Рисунок 3.2 – Топологическая модель кольца в Metro Ethernet

В основе базовой модели лежит Metro Ethernet Network (MEN) – городская Ethernet сеть, принадлежащая провайдеру. Клиентское оборудование Customer Equipment (CE) подключается к сети с помощью интерфейса User Network Interface (UNI), который представляет собой стандартный Ethernet. Для потребителя существует только Ethernet интерфейс (UNI), которым он подключается к провайдеру услуг. Транспортные технологии, обеспечивающие работу Metro Network, для него скрыты.

Ключевым элементом модели является виртуальное соединение Ethernet – Ethernet virtual connection (EVC). EVC определяется как соединение двух и более UNI, по которым проходят данные в виде Ethernet фреймов. В соответствии со своими характеристиками EVC может использоваться для конструирования приватных сетей Layer 2 Private Line или VPN.

MEF определяет основных два типа EVC: «точка–точка» (point–to–point) и многие–ко–многим (multipoint–to–multipoint).

– топология «точка–точка» (Point–to–point – P2P). На рисунке 3.3 представлены несколько базовых моделей применения топологии P2P.

Рисунок 3.3 – Архитектура Ethernet P2P по оптоволокну

Преимущества этого подхода во многом связаны с преимуществом использования оптоволокна и возможностями масштабирования сети доступа.

– топология «многоточка–многоточка» (multipoint-to-multipoint – MP2MP). На рисунке 3.4 представлена базовая модель применения топологии MP2MP.

Рисунок 3.4– Архитектура Ethernet MP2MP по оптоволокну

Уже существуют и активно внедряются мультисервисные решения, позволяющие обеспечить сосуществование разнородных коммутационных подсистем в одной транспортной системе. Среди данных решений наиболее успешными и популярными являются сети Triple Play и Metro Ethernet.

Суть технологии «Triple Play» проста: подключившись единожды по каналу широкополосного доступа, абонент получает сразу три сервиса: высокоскоростной Интернет, цифровое телевидение и телефонию, или TCP/IP + IP-TV + VoIP.

Три услуги – один провайдер, единый счет и единый сервисный центр в случае неполадок. При этом абонент может одновременно смотреть телевизор, по которому будет показываться или заказанный фильм, или любая из сотен существующих ТВ–программ, «бродить» по Сети и разговаривать по телефону. И все это – по одному проводу или радиоканалу.

Triple Play позволяет не останавливаться на каких-то одних сетях (например, на базе DSL или PON) и определяется только доступом. Пользователи смогут получать данные, как через проводные сети, так и через сети сотовой и спутниковой связи, Wi-Fi и т. д.

Решение содержит следующие основные компоненты:

– магистраль – ядро сети, работающее на основе технологии IP/MPLS. Это обеспечивает поддержку услуг VPN, максимальную производительность сети, а также механизмы обеспечения ее отказоустойчивости;

– сервисный узел – точка (точки) предоставления услуг;

– сеть доступа – коммутируемая сеть доступа второго уровня.

В настоящий момент существуют решения на основе Ethernet-технологии (Ethernet-to-the-home, DSL-мультиплексоры с транковыми каналами Ethernet, LRE и т. д.).

Клиентские устройства – включают в себя Ethernet-коммутаторы с поддержкой 802.1q и терминальные устройства (ПК, IP-телефоны, шлюзы, Set-top-box).

Магистраль состоит из совокупности высокопроизводительных маршрутизаторов, работающих по технологии IP/MPLS. Для обеспечения отказоустойчивости магистраль должна быть построена по топологически избыточной схеме (кольцо, частичная или полная связность). Применение технологии MPLS на магистрали дает возможность организовывать и предоставлять услуги виртуальных частных сетей (VPN). Кроме клиентских VPN, на сети организованы служебные VPN, в частности для предоставления услуг IP-телефонии и Интернет.

Модель QоS на магистрали предполагает четырехуровневую структуру трафика:

– VоICE-трафик реального времени. Включает клиентский голосовой (включая сигнальный) трафик, а также сетевой управляющий трафик оператора (BGP, OSPF, LDP). Выделяется полоса strict priotity в 20 % полосы магистрального канала;

– VIDEO-трафик с гарантированной полосой и низким уровнем потерь (видео, мультикаст). Выделяется полоса bandwidth в 40-50 % полосы магистрального канала;

– DATA–STD – клиентский приоритетный трафик с негарантированной полосой. Делит оставшуюся полосу с best-effort трафиком. Включен WRED на основе DSCP, что позволяет клиенту использовать биты loss priority;

– BE – интернетовский и клиентский неприоритетный трафик, а также трафик, превышающий разрешенные полосы вышеуказанных классов при входном полисинге.

Включен WRED на основе DSCP, что делает вероятность сброса этого класса большим, чем STD.Но если говорить о конечном пользователе, очевидно, в условиях нашего рынкауслуги видео, голоса и данных, объединенные в одном пакете от единого поставщика, еще трудно отнести к наиболее востребованным. В настоящее время самыми перспективными и продаваемыми широкополосными услугами в рамках Triple Play специалисты называют IP-телевидение и различные сервисы доставки по требованию – по сути, компонент IPTV.

Предполагаемая архитектура Metro Ethernet приведена на рисунке 3.5.

Рисунок 3.5 – предполагаемая архитектура Metro Ethernet

Предлагаемая архитектура MEN состоит из 4 уровней: уровень доступа, уровень агрегации Ethernet, граничный уровень и уровень ядра.

Уровень доступа отвечает за доступ конечных пользователей (абонентов) к сети MEN. Устройства, используемые на этом уровне, включают в себя DSLAM (Digital Subscriber Loop Access Multiplexer –Мультиплексор доступа к цифровой абонентской линии), оборудование провайдера, спроектированное для заказчика CPE (Customer–facing Provider Equipment), шлюз доступа AG (Access Gateway) и т.д. DSLAM – один из наиболее часто использующихся устройств. Независимо от используемого протокола основной функцией устройства DSLAM является объединение потоков данных, которые поступают из нескольких абонентских линий, и передача их в виде одного потока Всемирной сети, к которой устройство DSLAM последовательно подключено через высокоскоростной канал.

Уровень агрегации Ethernet соприкасается со смежными устройствами на границе MEN. На рисунке 3.6 приводится топология сети для уровня агрегации Ethernet.

Рисунок 3.6 – топология сети для уровня агрегации Ethernet

Рисунок 3.7 – топологии сети для уровня агрегации Ethernet в городе

Уровень агрегации MEN подразделяется на два дополнительных уровня. Первый уровень обозначается как UPE (User facing – Provider Edge), а второй уровень как PE-AGG (Provider Equipment Aggregation).

Конфигурация уровняUPE представлена на рисунке 3.8:

– трансляция различных услуг с различными ID VLAN (с разными адресами сети VLAN) в разных туннелях:

а) туннели MPLS L2 VPN (VLL/VPLS) для поддержки услуг PPPoE;

б) туннели MPLS L3 VPN для реализации услуг DHCP (HSI, VoD, VoIP);

а) использование VPLS или VLL Pseudo Wire (PW) резервирования для услуг PPPoE;

б) использование маршрутизаторов DHCP Relay для туннелей MPLS L3 VPN для поддержки реализации протокола DHCP;

КонфигурацияPE–AGG представлена на рисунке 3.9:

– окончание туннеля для оборудования уровня Edge (граничного уровня):

а) уровень PE–AGG терминирует оконечную часть туннелей. Например, туннели VPLS для услуг PPPoE на сервере BRAS ((Broadband RemoteAccess Server), туннели L3 VPN для услуги VoIP на контроллере SBC (Service Border Controller).

а) трансляция VLAN осуществляет PE–AGG в псевдоканале PW, если существующая сеть доступа с UPE и сеть характеризуется слабыми возможностями по развёртыванию VLAN.

В данном случае предлагается использовать структуру кольца RPR для сети агрегации, чтобы гарантировать экономию ресурсов оптоволоконных линий в сети MEN. Технология RPR является оптимальной для топологической структуры кольца, с конвергенцией при 50 мс отказе для узла и при обрыве канала.

Многоуровневая структура уровня агрегации Ethernet и уровня доступа облегчает расширение сети в будущем. Можно добавлять новые сайты к кольцу, а новые кольца использовать для увеличения числа абонентов.

Уровень L3 Edge и возможности планирования услуг граничного уровня

Рисунок 3.10 – агрегация и планирование услуг граничного уровня

Рисунок 3.11 – Агрегация и планирование услуг граничного уровня

Интеллектуальные мультисервисные граничные узлы необходимы для пользовательского доступа и управления услугами. Уровни L2 и L3 MEN полностью различаются на граничном уровне Edge MEN.

В сети Metro существуют уровень L3 Edge и граничный уровень услуг.

Планирование размещения точки разграничения уровней L2/L3 (L3 Edge):

а) Интернет: сервер BRAS – это уровень L3 Edge, который развёртывается на узле Metro (распределённом) или опорном узле (централизованном). Поскольку все филиалы сети региона имеют единый центральный узел MEN, то установка BRAS осуществляется именно на них;

б) VoIP: услугу обеспечивает маршрутизатор на узле AGG или на узле Metro;

в) IPTV: услугу обеспечивает маршрутизатор на узле AGG или на узле Metro;

а) Интернет: сервер BRAS является граничным пунктом предоставления услуг;

б) VoIP: контроллер SBC также представляет собой граничный пункт услуг, развёртывается на узле Metro или центральном узле;

в) BTV: L3 Edge является маршрутизатором многоадресной передачи;

г) VoD: VoD–центр на граничном уровне услуг, развёртывается на узле Metro или на центральном узле;

д) L2 VPN P2P: выполняет роль маршрутизатора на узле AGG или на узле Metro;

е) L2 VPN MP: UPE – маршрутизатор AGG, NPE (Network Provider Edge) является маршрутизатором Edge;

ж) L3 VPN: является маршрутизатором на узле AGG или на узле Metro.

Взаимодействие с межрегиональной сетью IP/MPLS.

Межрегиональная сеть обеспечивает высокую эффективность передачи трафика. Данный уровень сети отвечает за все филиальные сети Metro Ethernet, которая осуществляет доступ к межрегиональной сети и гарантирует взаимодействие сетей разных регионов.

Для межрегиональной сети IP/MPLS используется топологическая структура кольца RPR, каждая PoP (Point of Presence) соединяется с двумя Р-маршрутизаторами межрегиональной сети. Узел региональной сети и узлы межрегиональной сети работают по отдельным протоколам маршрутизации IGP. SR – маршрутизаторы работают по 2 протоколам маршрутизации, как с узлами региональных сетей, так и с узлами межрегиональной сети. Узлы межрегиональной сети оснащаются терабитными маршрутизаторами и имеют коммутационную емкость 640G, которая может быть увеличена до 1, 28Т.

Рисунок 3.13 – взаимодействие между ME и межрегиональной сетью

3.4 Расчет пропускной способности для технологии Metro Ethernet

Расчет производим на примере гипотетической сети Молодечненского района исходя из количества абонентов на сети.

Таблица 3.2 – Распределение абонентов по узлам сети.

Далее рассчитаем пропускную способность узлов исходя из числа абонентов в каждом узле по формуле 1, которая приведена в таблице 1, при том, что мы берем максимальную среднюю полосу пропускания, необходимую для предоставления услуг IPTV (для MPEG-4):

где 0, 272 – суммарный усредненный коэффициент по всем услугам Triple Play;

200 Мбит/с – полоса пропускания, необходимая для ТВ-вещания в формате MPEG-4.

Таблица 3.3 – Распределение пропускной способности узлов.

Полученные данные позволяют проверить схему организации связи сети (Приложение А), (Приложение B).

На основании необходимой полосы пропускания можно сделать вывод, сколько используется портов 10GE, и выполняется ли требование по обеспечению полосы пропускания.

В зависимости от количества портов 10GE выбираются модели коммутаторов сети.

Рассчитаем сетевые параметры канала для пользователей услуги IPTV. В сети используется режим многоадресной рассылки.

Так как используем MPEG-4 со скоростью 6 Мбит/с, то пропускная способность канала связи от севера до маршрутизатора при трансляции одного IPTV-канала составляет 6 Мбит/с. Рассчитаем интенсивность обслуживания пакетов для 100 каналов:

Рассчитываем интенсивность поступающей нагрузки для различных значений ρ = (0.2, 0.4, 0, 6, 0.8):

Таблица 3.4 – Сетевые параметры при передаче IPTV трафика

Далее оценим сетевые параметры для самой большой интенсивности поступающей нагрузки (l₄= 101351, 4 пакетов/с) на сельской сети. Для этого построим диаграммы зависимости времени задержки и вероятности потерь от пропускной способности при различных значениях загруженности тракта.

Рисунок 3.14 - Зависимости вероятности потерь от пропускной способности.

Рисунок 3.15 - Зависимости времени задержки от пропускной способности.

Исходя из полученных графиков можно сделать вывод, что время задержки и вероятность потери прямо пропорциональна пропускной способности канала связи. И изменения происходит по экспоненте, чем выше пропускная способность канала связи тем меньше происходит задержка на передачу пакета данных и снижается вероятность потери данных при передачи в сети.

3.5 Расчет пропускной способности для группы абонентов Triple play по
технологии Metro Ethernet

В состав группы абонентов Triple play входят абоненты, которые одновременно используют все функции мультисервестной сети, а это IP телефония (VoIP), широкополосный доступ в интернет, и услуги интерактивного телевидения (IPTV).

Рассчитаем число пакетов генерируемых группой Triple play по следующей формуле:

где: n_j – число пакетов, генерируемых в секунду одним абонентом;

t_j – средняя длительность разговора в секундах;

f – число вызовов в час наибольшей нагрузки;

Т.к абоненты группы Triple play являются активными пользователями интернета, т.е используют не только http но и ftp, а также пользуются услугами пиринговых сетей. Объем переданных данных может составлять при таком использовании интернета 200 Мбайт/с.

Число пакетов будет составлять исходя из формулы:

Сейчас в мультисервистной сети используются 2 речевых кодека стандарта G.711 и G.729 и параметры представлены в таблице 3.5:

Для кодека G.711 количество пакетов считается по формуле (3.10):

Для кодека G.729 количество пакетов считается по формуле (3.11):

Для расчёта числа пакетов, генерируемых пользователями видео-услуг, воспользуемся соображениями относительно размера пакета, размер которого не должен превосходить 200 байт.

Рассчитаем число пакетов, возникающих при трансляции одного канала по формуле:

Расчет числа пакетов, генерируемых группой Triple play пользователей в час наибольшей нагрузки при использовании видео-сервисов по формуле (3.15):

где t_i – среднее время просмотра каналов в сек;

n_i – число пакетов, генерируемых в секунду одним абонентом при использовании просмотре видео, сжатого по стандарту MPEG-4.

Суммарное число пакетов, генерируемых группой Triple play пользователей в час наибольшей нагрузке будет равно:

Расчет будем производить для различных кодеков:

Мультисервисный узел должен обслуживать трафик от всех трех групп пользователей. Кроме того, именно узел доступа должен обеспечивать поддержку качества обслуживания путем пиритизации трафика, которая должна осуществятся не зависимо от используемой технологии транспортной сети доступа.

Суммарное число пикетов, которое должен обработать мультисервисный узел доступа, будет равно:

t₁= t₂= t₃= t – средняя длительность разговора, с.

f₁= f₂= f₃= f – число вызовов в час наибольшей нагрузки.

Среднее число пакетов в секунду рассчитывается для двух выбранных кодеков и равно:

Данные показатели позволяют оценить требования к производительности сети, агрегирующий трафик мультисервисной сети.

Требования к полосе пропускания определяется гарантиями качества обслуживания, предоставляемыми операторам пользователю. Параметры QoS описаны в рекомендации ITU Y.1541. В частности, задержка распространяемого из конца в конец при передачи речи не должна превышать 100 мс, а вероятность превышения задержки порога 50 мс не должна превосходить 0, 001, т.е. t_p ≤ 100 мс

Задержка из конца в конец складывается из следующих составляющих:

где, t_p – время передачи пакета из конца в конец;

t_пакет– время пакетизации (зависит от типа трафика из кодека);

t_core – время задержки при распространении в транзитной сети;

t_ад – время задержки при транспортировке в сети достпупа;

Допустим, что в сети доступа не должна превышать 5 мс. Время обработки заголовка IP - пакета близко к постоянному. Распределение интервалов между поступлениями пакетов соответствует экспоненциальному закону. Поэтому для описания процесса, происходящего на уровне агрегации, используется стандартный агрегирующий маршрутизатор используемый на сети.

Для данной модели известна формула, определяющая среднее время вызова в системе:

где τ _j – средняя длительность обслуживания одного пакета;

t_adj – среднее время задержки пакета в сети доступа;

Из формулы (3.24) следует зависимость максимальной величины для средней длительности обслуживания одного пакета от среднего времени задержки в сети доступа.

Интенсивность обслуживания связанна со средним временем задержки пакета в сети доступа обратно пропорционально:

Время t_j должно выбираться как минимальное из двух возможных значений. Первое значение – величина, полученная из последней формулы. Второе значение - та величина, которая определяется из условия ограничения нагрузки системы – r. Обычно эта величина не должна превышать 0, 5.

При среднем значении задержки в сети доступа 5 мс коэффициент использования равен:

При таком высоком использовании малейшие изменения параметров могут привести к нестабильной работе системы. Определим параметры системы при её использовании на 50%. Средняя длительность обслуживания будет равна: