CC BY
274
Качество передачи сообщений сигнализации ОКС 7 в сетях пакетной коммутации
Савин КА, ЦНИИС
1. Введение
В настоящее время идет непрерывный процесс построения и модернизации сетей связи на базе оборудования NGN, использующего принципы пакетной коммутации.
К основным преимуществам сетей NGN можно отнести более эффективное использование доступной полосы пропускания и повсеместное распространение современных услуг с добавленной стоимостью, не зависящих от оконечных устройств пользователей и их географического положения.
Существующая нормативная база не позволяет использовать все преимущества технологий сетей следующего поколения (NGN) в полной мере. В частности, такое наиболее важное преимущество технологий NGN по сравнению с TDM, как распределенная архитектура, которая позволяет разнести элементы управления от элементов подключения (концентрации) абонентских и соединительных линий на большие расстояние, до нескольких сотен километров. Благодаря данному свойству NGN возможно построение сети местного либо зонового уровня с использованием одного-двух элементов управления.
При использовании традиционного подхода к построению телефонной сети на базе оборудования программных коммутаторов (Softswitch, далее — SSW), в некоторых случаях возможно множественное преобразование как голоса, так и сообщений систем сигнализации.
Наличие большого количества точек преобразования ведет к резкому ухудшению качества функционирования телефонной сети.
Под традиционным подходом к построению телефонной сети понимается иерархичный принцип с разделением на местные, зоновые, междугородные и международные сети. В каждой из этих сетей есть определенный набор узлов связи, функции которых и должны выполнять SSW.
Использование традиционного подхода к построению сети связи, очевидно, было вызвано невысокой производительностью телефонных станций. Этот недостаток был устранен в оборудовании SSW за счет применения современных мощных процессоров. Оборудование SSW таких производителей, как Huawei, Nokia-Siemens, Alcatel-Lucent, способно обслужить нагрузку в размере 16 млн. вызовов в ЧНН при подключении до 2 млн. абонентов, что позволяет заменить узлы связи некоторых субъектов федерации. Важно отметить, что на данном этапе построения сетей NGN нормативная база РФ не позволяет использования одного SSW на субъект федерации.
Тем не менее, процесс перехода к распределенной архитектуре сети связи, построенной полностью на базе технологий NGN, будет длиться десятки лет аналогично процессу цифровизации ЕСС РФ, и, вследствие этого, на сети связи долгое время будут оставаться стыки IP<->TDM, а также, возможно, стыки 1Р<->аналоговое оборудование (АТСК, АТСКУ).
Таким образом, сохранится необходимость передачи и обработки параметров систем сигнализаций TDM. В настоящее время наиболее распространенной системой сигнализации в TDM сетях является ОКС 7 и соответствующая подсистема/протокол ISUP
2. Причины возникновения задержек передачи сигнальных единиц ОКС 7 по сети IP
Сети следующего поколения подразумевают совместное существование сегментов пакетных сетей и сетей с коммутацией каналов. Взаимодействие двух сегментов сети, построенных на базе различных технологий, происходит в оборудовании шлюзов. Существует три основных типа шлюзов: шлюзы доступа, транковые шлюзы и шлюзы сигнализации. Шлюзы доступа предназначены для обеспечения подключения абонентских линий к пакетной сети и соответствующего преобразования поступающей сигнальной и медиа информации в формат, пригодный для передачи по пакетной сети. Транковые шлюзы предназначены для подключения высокоскоростных интерфейсов плезиохронных и синхронных цифровых иерархий к пакетной сети и преобразования медиа информации в формат пакетных сетей. Сигнальные шлюзы предназначены для преобразования сообщений различных систем сигнализации сетей с коммутацией каналов в сообщения протоколов сигнализации NGN. Для переноса сообщений сигнализации сетей TDM по пакетным сетям используются протоколы сигнализации, разработанные рабочей группой IETF SIGTRAN [4].
Таким образом, первой точкой входа сообщений сети ОКС 7 в пакетную сеть является шлюз сигнализации и с этого момента начинается применение другого способа передачи сигнальных сообщений — передача сообщений по пакетной сети с использованием протоколов SIGTRAN. Далее сообщение передается по пакетной сети без изменений либо может быть подвергнуто преобразованию в оборудовании контроллера шлюзов (MGC) с переходом на способ передачи с инкапсуляцией в сообщения протокола SIP (SIP-I). Данное преобразование может произойти только с сообщениями протокола ISUP и при взаимодействии двух MGC. Не исключено, что в дальнейшем данное сообщение или поток сообщений могут быть повторно подвергнуты преобразованию в формат SIGTRAN на стыке с сетью коммутации каналов и переданы в сеть TDM в исходном виде. Большое количество различных преобразований сообщений сигнализации ОКС 7 в сетях следующего поколения, а также наличие фонового трафика данных в сегменте пакетных сетей может привести к возникновению недопустимых задержек передачи сообщений и увеличению числа отказов установления соединений. Далее рассмотрим пример организации транзитного соединения через пакетную сеть.
В случае если абонент традиционной АТС выполняет вызов, например, Москва-СПб, и междугородная сеть построена на базе оборудования SSW, то голосовой поток будет дважды преобразован цифра/пакет и пакет/цифра, что может значительно ухудшить качество речи. Первое преобразование цифра/пакет произойдет в местной сети вызывающего абонента на участке АТС — MG АМТС,
а второе — в местной сети вызываемого абонента на участке Мв АМТС — АТС (рис. 1). При использовании пограничного контроллера сессий (далее — БВС) на стыке двух сетей, количество преобразований увеличивается и возрастает задержка передачи сообщения.
Сообщения сигнализации, например, протокола 1БиР при таком сценарии вызова, преобразуются четыре раза в форматы протоколов SIGTRAN и Б1Р-Т. В оборудовании Мв/Бв АМТС исходящей и входящей местных сетей связи происходит преобразование ISUP-SIGTRAN и БЮТРАЖБ11Р соответственно. В свою очередь в оборудовании МвС АМТС исходящей и входящей зоновьх сетей связи происходит преобразование 1БиР-Б1Р-1 и Б1Р-1-1БиР соответственно.
К качеству функционирования системы сигнализации ОКС 7 и протоколу 1БиР предъявляют достаточно жесткие требования, разработанные МСЭ-Т. Данные требования определены в рекомендациях серии Q.7xx и характеризуют максимально допустимое значение задержки значащей сигнальной единицы (ЗСЕ), сообщений 1БиР, а также максимальную вероятность получения сообщения с нераспознаваемой ошибкой.
Процесс передачи и обработки информации ОКС 7 в пакетных сетях также должен подчиняться требованиям рекомендаций МСЭ-Т, в целях обеспечения целостности установления соединения "из-конца-в-конец".
К подсистеме 1БиР применяются следующие основные требования: доля неуспешных вызовов не более 10Е-5, время ожидания сообщения ANM (Ответ) более чем 300 мс с вероятностью 10Е-4 и выше, коэффициент готовности Кг=0,99998 (10 минут простоя в год).
Также предъявляются высокие требования к времени ожидания и обработки сигнальных сообщений. В частности начальное адресное сообщение — 1АМ, которое содержит в себе большую часть служебной информации, необходимой для установления соединения при местной связи, допускает среднюю задержку сообщения равную 0,9 с, а в случае международной связи это значение составляет 4 с. Однако максимально допустимое время пребывания сигнальной единицы в системе будет существенно меньше указанных выше значений из-за того, что необходимо учитывать время передачи в транзитном пункте сигнализации, время распространения по звену данных сигнализации и тд., которые и составляют суммарную величину задержки, соответствующую определенному виду связи.
Выше были описаны факторы, влияющие на возникновение задержки передачи сообщений сигнализации в коммутационном обо-
рудовании телефонных станций. Необходимо также учесть задержки, появляющиеся в среде передачи, а именно в маршрутизаторах IP-сети.
При анализе задержки передачи сигнальных сообщений по пакетной сети необходимо учитывать нагрузку четырех типов: голосовой трафик, видео трафик, сигнальный трафик и трафик Интернет, где голосовой, видео и Интернет трафики являются фоновыми нагрузками маршрутизатора по отношению к сигнальному трафику
В случае если в точке концентрации нагрузки столкнутся как сигнальный, так и голосовой трафик, возрастает вероятность перегрузки узла связи и последующий отказ сигнального и голосового звена с последующим запросом повторной передачи.
Оборудование NGN обещает высокую производительность системы коммутации, но требует высокоскоростных каналов сети передачи данных операторов связи, которые в большинстве случаев либо отсутствуют, либо плотно загружены трафиком Интернет. В результате чего могут также возникать большие задержки передачи сообщений протоколов сигнализации, приводящие к отказу в установлении соединений.
Для анализа и расчета задержек передачи сообщений ISUP можно использовать ранее разработанные математические модели протоколов SIGTRAN [1] и SIP [3], принимая во внимание факт, что протокол SIP-I является расширенной версией протокола SIP и дополняет его в части процедур передачи сообщений протокола ISUP по сети электросвязи с коммутацией пакетов посредством механизмов трансляции и инкапсуляции.
Тем не менее, данные математические модели рассматривают процесс передачи сообщений сигнализации ОКС 7 при использовании отдельных протоколов и не дают общей картины функционирования сети ОКС 7 в пакетных сетях NGN, что затрудняет процесс проектирования сети связи на базе NGN, одновременно использующей протоколы SIP-I и SIGTRAN для переноса сообщений сигнализации протокола ISUP
3. Анализ показателей качества функционирования сигнализации по протоколу SCTP/SIGTRAN
Для обеспечения надежной доставки сообщений сигнализаций по IP сети рабочей группой IETF SIGTRAN (SIGnaling TRANsport) были разработаны специализированные протоколы и принципы [4].
На рис. 2 показана обобщенная архитектура протоколов сигнального транспорта SIGTRAN, которая состоит из протокола SCTP и уровней адаптации.
Рис. 1. Схема организации транзитного вызова через пакетную сеть
Рис. 2. Стек протоколов SIGTRAN
Уровни адаптации реализуют требуемые функции сети сигнализации с помощью протокола SCTP и предоставляют вышележащим протоколам соответствующие интерфейсы управления. Сигнальные сообщения, поступающие от подсистем ОКС 7, например, с уровня МТР3, преобразуются на уровне адаптации к форматам протокола SCTP, который, в свою очередь, обеспечивает надежную и своевременную передачу потоков сигнальных сообщений по пакетной сети.
Основными назначениями стека протоколов SIGTRAN являются передача сигнальных сообщений между сегментами телефонной сети общего пользования, доступ к узлам управления услугами интеллектуальной сети, опорным и визитным реестрам местонахождения сети подвижной связи и пр. Ниже перечислены и кратко охарактеризованы функции протокола SCTP, наиболее существенные для обеспечения требуемых показателей QoS в сети сигнализации:
• Упорядоченная доставка сообщений внутри потоков. Протокол SCTP позволяет организовать передачу пользовательских сообщений по нескольким потокам с упорядоченной доставкой независимо внутри каждого потока. Передача сигнальных сообщений, относящихся к управлению разными соединениями, производится в отдельных потоках, поскольку потеря сообщения в одном из потоков не вызовет задержки передачи в остальных потоках. Под потоками подразумеваются буферы на передающих и принимающих устройствах.
• Объединение нескольких сигнальных сообщений в одном IP-пакете. Максимальная длина сигнального сообщения на уровне МТР2 (значащая сигнальная единица) составляет 279 байт, а максимальный размер IP-пакета, например, при передаче по сети, построенной по технологии Ethernet, равен 1500 байт. Объединение
Рис. 3. Принцип функционирования протокола M3UA
нескольких сигнальных сообщений, называемых порциями данных, в одном пакете протокола SCTP позволяет избежать задержек, например, вследствие потери одного из сообщений в передаваемой последовательности.
• Множественный доступ. В целях повышения устойчивости к сетевым ошибкам в параметры соединения протокола SCTP включены основные IP-адреса сторон, участвующих в соединении, а также резервные IP-адреса, используемые в случае недоступности основного адреса.
Напомним, что протокол SCTP был специально разработан для передачи сигнальной информации по сетям с коммутацией пакетов IB что предопределило его надежность и высокие показатели качества обслуживания. Впоследствии функциональные характеристики протокола обеспечили целесообразность его применения для более широкого круга приложений транспортного уровня.
Одним из протоколов уровня адаптации, который наиболее часто используется при передаче сообщений ОКС 7 поверх транспортного протокола SCTP, является протокол M3UA стека SIGTRAN.
Пользовательский уровень адаптации MTP уровня 3 (M3UA) обеспечивает транспортировку сигнальных сообщений пользователя стека ОКС 7 (ISUP, TUP, SCCP-сообщения). Протокол M3UA обеспечивает эквивалентный набор примитивов с пользовательскими уровнями MTP3. Протоколы ISUP/SCCP воспринимают услуги протокола M3UA аналогично тому, если бы в контроллере MGC действительно располагался локальный уровень MTP3. Услуги уровня MTP3 на самом же деле предоставляются отдалённо в шлюзе SG, а не местным уровнем MTP3. Аналогично уровень MTP3 в шлюзе SG предоставляет услуги пользователям ОКС№7, как местным уровням. Фактически протоколы ISUP/SCCP функционируют отдалённо в контроллере MGC. Таким образом, протокол M3UA "продлевает" доступ к услугам MTP3 удалённым приложениям (рис. 3).
Вопросы построения модели протоколов SIGTRAN, и в частности протокола SCTP, были детально исследованы в работах российских специалистов [1]. Важно отметить, что была разработана математическая модель функционирования протокола SCTP и на ее основе проведен численный анализ участков сети, позволивший сделать ключевой вывод: протокол SCTP существенно повышает качество обслуживания сигнального трафика на участках сетей сигнализации, где передаются большие объемы сигнальной информации и применение традиционной системы ОКС 7 либо экономически неэффективно, либо невозможно из-за перегрузок.
В частности численный анализ на примере участка MSC/VLR — HLR сети СПС показал, что при 70 % загрузке звена Ethernet с пропускной способностью 10 Мбит/с и сигнальной нагрузке, передаваемой по протоколу SCTP, не превышающей 0,23 Эрл, среднее значение задержки сообщений сигнализации не превышает 0,5 мс. Для сравнения, при передаче сообщений по звену ОКС 7 со скоростью 64 кбит/с и значением сигнальной нагрузки 0,2 Эрл среднее значение задержки передачи сообщений составляет 39,6 мс [2]
4. Анализ показателей качества функционирования сигнализации по протоколу SIP
Протокол SIP (Session Initiation Protocol — протокол установления сеансов связи) [5] является протоколом прикладного уровня и предназначен для организации, модификации и завершения различных сеансов связи, в том числе мультимедийных конференций, телефонных соединений, широковещательной рассылки мультимедийной информации и соединений пользователей с различными инфоком-муникационными приложениями.
Сообщения SIP могут передаваться с использованием транспортных протоколов: TCP или UDP Возможен также перенос сообщений протокола SIP с использованием протокола SCTP
Для указания типа передаваемой информации (речь, видео и данные, а также любая их комбинация) протокол SIP дополняется протоколом описания сеанса связи (SDP), информация которого передается в теле сообщения протокола SIP
Протокол SIP обеспечивает взаимодействие между следующими элементами сети: агенты пользователя (клиент и сервер), прокси-сервер, сервер переадресации, сервер определения местоположения.
Агент пользователя выполняет функции оконечного оборудования абонента и состоит из клиента и сервера. Клиент агента пользователя отвечает за инициацию запросов, а сервер агента пользователя — за терминацию запросов, поступающих из сети электросвязи с коммутацией пакетов к агенту пользователя, и возвращение соответствующих логике протокола SIP ответов.
Прокси-сервер обеспечивает обработку запросов, поступающих от клиентов агентов пользователей, с целью предоставления услуг связи. Прокси-сервер состоит из клиентской и серверной частей, поэтому он может принимать вызовы, инициировать собственные запросы и передавать ответы на запросы.
Существуют два типа прокси-серверов: с сохранением данных о состояниях и без сохранения данных о состояниях. Прокси-сервер работает в режиме с сохранением данных при использовании для передачи сигнальной информации протокола ТСР
Сервер переадресации предназначен для определения текущего IP-адреса агента пользователя вызываемого абонента. Серверы переадресации всегда являются серверами без сохранения данных о состояниях.
Сервер определения местоположения предназначен для хранения информации о текущем местоположении абонента. При изменении местоположения агент пользователя должен зарегистрировать свое новое местоположение на сервере определения местоположения.
Серверы переадресации и определения местоположения могут быть реализованы совместно с прокси-сервером.
Объекты, поддерживающие протокол SIP, используют систему адресации подобную адресу электронной почты — user@host, где user — имя пользователя, зарегистрированного в домене, на рабочей станции или телефонный номер; host — имя домена, рабочей станции, шлюза или IP-адрес. В качестве адреса используется специальный универсальный указатель ресурсов SIP URL.
Протокол SIP-I является расширенной версией протокола SIP и дополняет его в части процедур передачи сообщений протокола ISUP по сети электросвязи с коммутацией пакетов посредством механизмов трансляции и инкапсуляции.
Для передачи по сети электросвязи с коммутацией пакетов сообщение протокола ISUP инкапсулируется в тело сообщений протокола SIP-I. Часть информации сообщения сигнализации ОКС 7, необходимая для правильной маршрутизации, транслируется в поля заголовка сообщений протокола SIP-I.
Вопрос построения модели для анализа показателей качества функционирования сигнализации по протоколу SIP был исследован
в работах российских экспертов [З], в частности была разработана многофазная модель для оценки показателей качества при установлении соединений "из конца в конец" по протоколу SIP в сети IP/MPLS.
Численный анализ показал, что задержки сообщений SIP при загрузке MPLS сети до 0,7 Эрл (т.е. при коэффициенте использования звена около 70%) не превосходят 10 мс, что укладывается в нормы требований MСЭ-T.
Несмотря на соответствие значения задержек сообщений протокола SIP нормам MСЭ-T, важно отметить, что данное значение, очевидно, возрастет в случае инкапсуляции сообщений протокола ISUP и передачи сообщений с использованием расширений SIP-T, SIP-I. Таким образом, данная модель нуждается в переоценке для случая использования SIP-T и в условиях наличия сегментов SIGTRAN на участках следования сообщений при установлении соединений "из конца в конец".
Заключение
В процессе проектирования сетей связи или проведения модернизации существующей сети на базе технологий NGN необходимо уделять особое внимание контролю показателей качества функционирования сети ОКС 7 и их соответствию требованиям рекомендаций MСЭ-T вне зависимости от используемого механизма транспорта сообщений сигнализации по сети IP. К ключевым показателям качества функционирования сети ОКС 7 относятся среднее значение задержки сигнальных сообщений и вероятность получения сообщения с нераспознаваемой ошибкой.
В настоящее время существуют математические модели анализа и расчета задержек передачи сообщений ОКС 7 в сети NGN при передаче информации поверх протоколов SIGTRAN (SCTP) и SIP. Тем не менее, вопрос анализа и расчета показателей качества функционирования сетей ОКС 7 в пакетных сетях NGN на данный момент исследован не полностью и нет единого подхода к оценке и расчету сети связи, построенной на базе технологий NGN. Для решения данной проблемы требуется разработка математической модели, учитывающей все основные протоколы и участки сети связи, используемые при передаче сообщений сигнализации ОКС 7.
Литература
1. Гайдамака Ю.В., Першаков Н.В., Чукарин А.В. Mодель протокола SCTP и ее применение к анализу характеристик сигнального трафика в сетях сотовой подвижной связи// Электросвязь. — 2007. — № 8.
2. Самуйлов К.Е. Ыетод^1 анализа и расчета сетей ОКС 7. — M.: РУДН, 2002.
3. Летников А.И., Наумов ВА Разработка модели дл анализа показателей качества функционирования сигнализации по протоколу SIP// Электросвязь. — 2007. — № 7.
4. L. Ong, I. Rytina, M. Garcia et al. Framework Architecture for Signaling Transport, RFC 2719, IETF, October 1999.
5. Rosenberg J, Schulzrinne H., Camarillo G. et al. SIP: Session Initiation Protocol, RFC З261, IETF, June 2002.
