Koncepcija i karakteristike buduće generacije telekomunikacionih mreža Текст научной статьи по специальности «Компьютерные и информационные науки»

Profesor dr Milojko Jevtović,

dipl. inž.

Elektrotehnički fakultet, Banja Luka mr Boban Pavlović,

kapetan, dipl. inž.

Vojna akademija, Beograd

Rezime:

KONCEPCIJA I KARAKTERISTIKE BUDUĆE GENERACIJE TELEKOMUNIKACIONIH MREŽA

UDC: 621.39/397

U radu je izložena koncepcija i dat pregled očekivanih i mogućih performansi buduće generacije telekomunikacionih mreža. Opisane su osnovne karakteristike njenih elemenata i navedeni najvažniji protokoli. Takođe, predstavljene su karakteristike multimedijalnih mreža sa stanovišta kvaliteta usluga i analizirani osnovni elementi zaštite mreža, kao i moguće pretnje i odgovarajuće zaštitne protivmere.

Ključne reči: buduća generacija telekomunikacionih mreža - NGN, mrežne arhitekture, kva-litet usluga, multiservisni pristup, multimedijalne komunikacije, zaštita informacija.

CONCEPT AND CHARACTERISTICS OF THE NEXT GENERATION OF TELECOMMUNICATION NETWORKS

Summary:

In this paper the concept is presented and expected summary and feasible performance of Next Generation Networks are given. Main characteristics of the components of next generation Networks and specified most important protocols are described. Also, characteristics of Quality of Service (QoS) in multimedia telecommunication networks are presented and major characteristics of network protection are analyzed as well as possible threats and corresponding countermeasures.

Key words: Next Generation Networks, NGN, network architectures, Quality of Service, multi-service access, multimedia communications, information security.

Uvod

Na početku novog milenijuma, u razvoju telekomunikacija poseban značaj ima sledeća (buduća) generacija telekomunikacionih mreža (u daljem tekstu NGN, od engleskog naziva Next Generation Networks) od koje se očekuje slede-ća velika revolucija u telekomunikacija-ma [1]. Ova mreža se najčešće definiše kao skup principa i koncepcijskih tehnič-kih rešenja koja se očekuju od budućih telekomunikacionih mreža. Može se reći da NGN predstavlja koncepcijski kišo-bran pod kojim se nalazi skup inovacija i

promena na putu ka novoj generaciji mreža [1].

Mreže sledeće generacije, zapravo, predstavljaju konvergentne mreže koje obezbeđuju istovremeni prenos podataka i govora, a u kasnijoj fazi i multimedije.

Jedno od najvećih dostignuća predstavlja IP (Internet Protocol) telefonija. Ovom tehnologijom se ostvaruje prenos govora preko mreže koja je prvobitno bila namenjena za prenos podataka. Ova mre-ža obezbeđuje direktno povezivanje pre-nosa podataka i govora, pri čemu detekci-ja tišine i kompresija omogućavaju bolje iskorišćenje propusnog opsega.

30

VOJNOTEHNIČKI GLASNIK 1/2007.

Pred NGN se postavljaju različiti zah-tevi (video prenos, prenos saobraćaja u real-nom vremenu, podaci visokog prioriteta i dr.) i nove tehnologije (komutacije, optičke mreže, bežični prenos, satelitski prenos, mreže treće generacije, ...). Nasleđeni pro-blemi iz prethodnog perioda odnose se na javne telefonske mreže, koje su bile projek-tovane za prenos govornog saobraćaja, ali su danas opterećene velikom količinom po-dataka koje prenose. Pored toga, postojeće mreže za paketski prenos prvobitno su iz-građene za prenos podataka između računa-ra i bile su neosetljive na kašnjenje. Među-tim, danas se od njih zahteva da podrže uslugu prenosa u realnom vremenu, jer podaci se javljaju kao dominantni oblik sao-braćaja, i prenos govora u stalnom porastu.

Mreže za prenos podataka još uvek ne pružaju isti nivo QoS i prednosti koje obezbeđuju PSTN (Public Switched Telephone Networks). Ono što je trenutno svojstveno internetu je isti pristup svim korisnicima i podacima, bez obzira na važnost date aplikacije.

Osnovni zahtevi koje NGN mreža mora da ostvari su:

- mogućnost prenosa podataka, govora i video slike preko zajedničke infra-strukture;

- usluge prenosa govora uporedive sa PSTN (po pitanju QoS);

- fleksibilni mehanizmi upravljanja za podršku govornoj komunikaciji i pri-druženim servisima podataka, i

- dodeljivanje određenog QoS kori-snicima.

Neka tehnička rešenja buduće

generacije mreža

Telekomunikacione mreže u narednih nekoliko godina treba da budu restruktuira-

ne tako da bi mogle da zadovolje sve veće zahteve za novim uslugama, pre svega za prenos podataka i komunikaciju negovor-nim porukama. Pri tome se očekuje smanje-nje troškova eksploatacije i cene usluga, uz nova investiciona ulaganja. Cilj je realizaci-ja NGN, zasnovanih na paketskom prenosu i komutaciji, uz koje će i dalje egzistirati tra-dicionalne telefonske mreže bazirane na ko-mutaciji kanala. Drugim rečima, NGN treba da omoguće konvergenciju klasičnih tele-fonskih, PSTN i paketskih računarskih mre-ža (internet). Prva je bazirana na komutaciji kola i zasniva se na konstantnoj širini opse-ga i malim kašnjenjem u prenosu. Internet se zasniva na paketskoj mreži na bazi IP protokola uz pružanje usluge za prenos podataka i govora i formiranje virtuelnih pri-vatnih mreža - VPN. Međutim, danas ova mreža ne obezbeđuje konstantni propusni opseg, konstantno kašnjenje i zahtevani QoS. Perspektiva razvoja mrežne konver-gencije u formi NGN prikazana je na slici 1.

Povezivanje NGN sa postojećim kla-sičnim mrežama je izvedeno preko medij-skih i signalizacionih mrežnih prolaza (media gateway and signaling gateway). Medij-ski mrežni prolazi obavljaju pretvaranje go-vornih kanala u pakete podataka i obrnuto, dok je uloga signalizacionih mrežnih prola-za da vrše pretvaranje signalizacije govor-nih kanala u pakete podataka i obrnuto. Naj-češće se vrši pretvaranje signalizacije broj 7 (u daljem tekstu SS7) u jednu od dve vrste signalizacije pri prenosu podataka: H.323 ili MGCP (Media Gateway Control Protocol). Funkciju upravljanja pozivima ima kontro-lor medijskih mrežnih prolaza - MGC. Ukoliko u mreži ne postoje MGC kontrole-ri, potrebno je povezati telefonske centrale koje se nalaze na krajevima paketske mreže enkapsuliranom signalizacijom SS7.

VOJNOTEHNIČKI GLASNIK 1/2007.

31

Medijski mrežni prolazi ne služe sa-mo za povezivanje dve telekomunikacio-ne mreže najvišeg nivoa, već i za povezivanje lokalnih IP mreža sa javnom tele-komunikacionom mrežom. Na ovaj način lokalnim korisnicima omogućava se ko-rišćenje IP telefonije, pri čemu se kao je-zgro i dalje može zadržati postojeća PSTN tehnologija. U lokalnim IP mreža-ma najčešće egzistiraju protokoli H.323 i SIP (Session Inition Protocol). Slično to-

me, postojeći širokopojasni priključci mogu se dograditi IP tehnologijom. S druge strane, ovi priključci već omogu-ćavaju pristup podacima krajnjeg kori-snika, što omogućava povezivanje IP ter-minalne otpreme i pristup klasičnoj tele-fonskoj centrali preko IP mreže.

Kontrolor NGN ima zadatak da omogući upravljanje pozivima, uslugama, tarifiranje, jednom rečju, sve funkcije ko-je obavlja klasična telefonska centrala.

Sl. 2 - Odnos prenetog govornog i paketskog saobraćaja u zapadnoj Evropi

32

VOJNOTEHNIČKI GLASNIK 1/2007.

Sl. 3 - Predviđanje prihoda koji će se ostvariti u prenosu govora i podataka

Istraživanja [2] koja se sprovode od 1999. godine govore u prilog tome da go-dišnji porast prenosa podataka, uslovljen naglim razvojem paketske IP mreže, izno-si 40% u odnosu na rast u prenosu govor-nog saobraćaja od svega 5% (slika 2).

Međutim, govorni saobraćaj će i da-lje predstavljati znatan udeo u ukupnom prihodu telekomunikacionih operatera i zahtevati manje investicije u dalji razvoj [3], kako je prikazano na slici 3.

Prethodne tvrdnje ukazuju na to da je potrebno razvijati jedinstvenu mrežu koja će omogućiti istovremeni prenos govora i podataka. Najvažnija tehnologija koja se koristi za ovu svrhu je tehnologija za prenos govora preko interneta - VoIP (Voice over IP). Radi povezivanja klasičnih PSTN sa paketskim mrežama primenjuju se sledeći standardi: skup protokola H.323, protokol SIP (Session Inition Protocol), MGCP (Media Gateway Control Protocol) i protokol H.248 ili MEGACO.

Arhitektura NGN

Nove telekomunikacione tehnologije nalaziće sve veću primenu u izgradnji

NGN. Današnju transportnu tehnologiju IP preko ATM (Asynchronous Transport Mode), SDH (Synchronous Digital Hierarchy) i optike, u budućnosti će u potpunosti zame-niti hijerarhijski IP direktno preko DWDM (Dense Wavelength Division Multiplexing). Takođe, zbog dobrih karakteristika u iz-gradnji i upravljanju mrežama sve češće će se koristiti MPLS (prikaz na slici 4).

PSTN, ISDN, GSM, GPRS. UMTS

Sl. 4

SL

MPLS

Hijerarhijski postavljeni slojevi u prenosnoj mreži

VOJNOTEHNIČKI GLASNIK 1/2007.

33

Buduća generacija telekomunikacio-nih mreža baziraće se na mreži za prenos IP protokolom. Niži slojevi obuhvataju ATM i sinhronu optičku mrežu - SDH. Podaci se prenose preko SDH mreže, ko-rišćenjem tehnologija WDM ili DWDM. U budućnosti, ATM i SDH neće biti po-trebni, već će se IP direktno prenositi preko optike (DWDM).

Prvo će se formirati konvergentne mreže bazirane na principu IP/MPLS, koja bi obuhvatala najbolje karakteristike ATM mreže (po pitanju obezbeđenja zahtevanog nivoa QoS) i MPLS mreže (obezbeđenje funkcionisanja u različitim

uslovima ometanja). Takva mreža mogla bi da predstavlja osnov za mreže buduće generacije, koje bi uz manja ulaganja mogle da obezbede sadašnje zahteve u servisu za prenos govora i podataka, uz istovremeni prenos multimedijalnih sadr-žaja. Konvergentna mreža ima cilj da smanji broj potrebnih mrežnih elemenata za upravljanje i održavanje, a samim tim da smanji i kompleksnost sistema za po-dršku mreže. Na taj način smanjili bi se i ukupni troškovi u smislu kapitalnih i operativnih troškova. MPLS ima sve ve-ću ulogu u obezbeđenju IP QoS. Iako je MPLS originalno namenjen da pojedno-

Telekomunikaciona ili računarska mreža

Sl. 5 — Hijerarhijska veza između IP, ATM, IP/ATM i tehnologija prenosa na prvom sloju

34

VOJNOTEHNIČKI GLASNIK 1/2007.

stavi usmeravanje saobraćaja na ruteri-ma, neke osobine MPLS mogu da podr-žavaju QoS, što dovodi u pitanje neke od osnovnih atributa tradicionalnih tehnolo-gija, kao što su ATM i Frame Relay. Me-đutim, postojeće usluge drugog nivoa (ATM, TDM) i dalje su veoma profita-bilne telekomunikacione službe. Zbog toga će MPLS prvobitno evoluirati u tran-sportnu mrežu najvišeg nivoa, zajedno sa ATM, da bi posle toga postao primarna tehnologija za omogućavanje multiservi-sa u pristupnim mrežama i mrežama sa ograničenim propusnim opsegom.

Trenutno, jedino ATM obezbeđuje po-treban kvalitet usluga. Međutim, ekonomski je opravdanije rešenje za prenos IP saobra-ćaja direktno preko SDH, jer se ne javljaju troškovi u vezi sa ATM. Dalji razvoj kič-mene mreže predstavljaće upotrebu MPLS.

Hijerarhija između ATM, IP/MPLS i hibridnog pristupa ATM/IP/MPLS pri-kazana je na slici 5.

Na slici 6 prikazana je osnovna ide-ja realizacije mreže buduće generacije. Oblak predstavlja paketsku mrežu. Kori-snici usluga mogu se priključiti direktno,

ISDN

POTS

xDSL

Sl. 6 - Primer osnovne realizacije NGN

ili preko pristupnih čvorišta NGN mreža, AN (Access Network). NGN AN ima ulogu da razdvoji govorni saobraćaj od paketskog i da ga pravilno usmeri. AN nadgleda kontrolor mrežnih prolaza MGC (Media Gateway Controller). Za kontrolu poziva, u NGN se koriste nave-deni protokoli MGCP, H.323 i SIP.

Na slici 7 prikazana je osnovna arhi-tektura NGN, a zatim su opisani osnovni elementi mreže buduće generacije [4].

Mrežni prolaz medijuma (Media gateway) služi za prevođenje formata medi-

VOJNOTEHNIČKI GLASNIK 1/2007.

35

juma sa pristupne mreže u NGN paket-sku mrežu. Osnovna uloga mrežnog pre-laza jeste:

- prikupljanje podataka za naplatu i korisničke sisteme održavanja (evidenci-ja poziva, statistička obrada);

- upozoravanje o abnormalnim do-gađajima (zagušenje saobraćaja, prekid u vezi);

- unutrašnja komutacija (preslikava-nje toka dolaznih paketa podataka u ko-mutaciju kola);

- nadgledanje toka prenosa paketa podataka (kontrola saobraćajnih ugovora - PCR (Peak Cell Rate) u ATM mreži, odnosno definisanih klasa QoS za diffserv i RSVP (Resource reSerVation Protocol) u IP;

- podrška glavnim protokolima ruti-ranja OSPF (Open Shortest Path First), BGP (Border Gateway Protocol) i glavnim procedurama O&M (Operation & Maintenance);

- mogućnost integracije signalizaci-onih funkcij a mrežnih prolaza.

Server poziva (Call Server) vrši upravljanje mrežnim prolazom medijuma u skladu sa primenjenom signalizacijom. Izvršava sledeće funkcije:

- podržava standardne protokole prema mrežnom prolazu, aplikacionom serveru i registraciju terminala (uključu-jući i AAA, Authentication, Authorization and Accounting);

- podržava rutiranje poziva u skladu sa planom numeracije (TRIP protokol) i procesima signalizacije poziva (SIP -Session Inition Protocol H323, ISUP);

- obezbeđuje interfejs prema dru-gim serverima poziva (BICC - Bearier

Independent Call Control, SIP-T), prema prolazima medijuma (SIP, MGCP) i sa serverima medijuma;

- podržava signalizaciju SS7, uklju-čujući ISUP i TCAP protokole za među-sobni rad sa postojećim mrežama (PSTN).

Server medijuma (Media server) omogućava međusobnu komunikaciju korisnika i aplikacije preko telefonskog aparata (odgovor na poziv, izveštavanje i dr.). Njegove glavne funkcije su:

- funkcije resursa medijuma (prenos govora i snimanje, generisanje zvuka i detekcija, kompresija i kodovanje, prepo-znavanje glasa);

- upravljačke funkcije koje obezbe-đuju upravljanje resursima medijuma prema aplikacijama, bez obzira na upo-trebljenu tehnologiju;

- interfejsi prema glavnim protokolima u NGN (Megaco, H.323, SIP, INAP).

Server aplikacije (Application server) obezbeđuje izvršenje usluge upravljanja serverom poziva. Osnovne funkcije su:

- interoperabilnost sa serverom po-ziva i upravljanje resursima preko stan-dardnih protokola ili otvorenog API (Application Programming Interface) za po-dršku uslugama (rutiranje poziva i obra-čunavanje, snimanje poziva, nadgledanje autentičnosti, autorizacija, zatvorene ko-risničke grupe);

- obezbeđenje mehanizama podrške registracije (SIP registar, H.323 registra-cioni zahtevi);

- obezbeđenje usluge bezbednosti: ši-frovanje, autentičnost, autorizacija, obez-beđenje sigurnog pristupa servisima i dr.

Na slici 8 predstavljen je način po-vezivanja javne telefonske mreže sa širo-kopojasnom mrežom.

36

VOJNOTEHNIČKI GLASNIK 1/2007.

DSL (engl. Digital Subscriber Line)

POP (engl. Point of Presence)

PSDN (engl. Packet Switched Data Network)

Sl. 8 — Povezivanje javne telefonske mreže sa širokopojasnom mrežom

Protokoli NGN

Pred NGN se postavljaju strogi zah-tevi za definisanje novih protokola koji bi podržali ovakve konvergentne mreže, odnosno moraju podržati uzajamni rad PSTN - internet mreža.

Osnovna klasifikacija protokola:

1. protokoli na relaciji server poziva ~ MG (H.248/Megaco, MGCP);

2. protokoli u istoj ravni peer-to-peer (SIP), i

3. protokoli između SS7 ^ NGN (SIGTRAN).

Da bi se obezbedio interoperabilan rad NGN na međunarodnom nivou po-trebno je obezbediti odgovarajuću arhi-tekturu i protokole, QoS s kraja na kraj

veze, upravljanje mrežom, definisati za-konsku regulativu i obezbediti zaštitu, odnosno bezbednost.

U NGN se nalaze sledeći protokoli:

- RTP (Real Time Protocol) - obez-beđuje prenos VoIP (Voice over IP) i ko-riste ga H.323, SIP, Megaco/H.248 i dr.;

- SDP (Session Description Protocol) - ostvaruje multimedijalni pristup i ima veliku rasprostranjenost;

- SIP (Session Inition Protocol) -najčešće se koristi kao VoIP signalizaci-oni protokol i povezan je sa MMUSIC, SIPPING, SIMPLE WGs;

- ENUM (E.164 NUmber Mapping) - koristi se za preslikavanje E.164 tele-fonskih brojeva u URL adrese, kao i za SIP, HTTP, SMTP;

VOJNOTEHNIČKI GLASNIK 1/2007.

37

- SIP-T (međusobni rad SIP&ISUP)

- definiše enkapsulaciju ISUP i SIP i vrši preslikavanje između SIP i ISUP polja;

- MGC (Media Gateway Protocol)

- obuhvata protokole Megaco i MGCP i obezbeđuje prenos VoIP.

Kvalitet usluga u mrežama za

multimedijalnu komunikaciju

Arhitekture buduće generacije mre-ža treba da omoguće kvalitet usluga (Quality of Service - QoS) koji je potreban za nove službe i mrežne aplikacije, a po-sebno za multimedijalnu komunikaciju preko mreža koje koriste internet proto-kol (IP). Današnji internet, globalna ra-čunarska mreža, nastoji da posluži sav ponuđeni saobraćaj, što je moguće brže, sa ograničenjima koja su posledica teh-ničkih mogućnosti mreže. Pri tome ne postoje nikakve garancije koje bi se od-nosile na propusni opseg, kašnjenje, vari-jaciju kašnjenja (džiter) i gubitak paketa.

Nivo performansi kvaliteta usluga (QoS) koji pruža internet spada u katego-riju „najboljeg mogućeg“ (best effort). Razlog dugog funkcionisanja ove mreže sa ovakvim nivoom kvaliteta jeste u tome što najveći broj usluga i aplikacija koje se prenose internet protokolom (IP protokol) ima nizak prioritet, uzani pro-pusni opseg za prenos podataka (telefon-ski kanal sa propusnim opsegom širine od 300 do 3400 Hz) i velikom toleranci-jom na kašnjenje i varijaciju kašnjenja. Danas ovakve performanse IP mreže ne zadovoljavaju potrebe.

Multimedijalna komunikacija u re-alnom vremenu (telefonija, video, grafi-ka, podaci) u mnogim internet aplikacija-

ma i virtuelne privatne mreže, VPN (Virtual Private Network) zahtevaju garanto-vanu širinu propusnog opsega i stroge karakteristike za vremenske parametre (kašnjenje, džiter). Međutim, zbog eks-ponencijalnog porasta broja korisnika in-terneta dolazi do porasta verovatnoće „gomilanja“, što utiče na povećanje kaš-njenja kroz mrežu i gubitaka paketa.

ITU-T preporuka Y.2001 (decembar 2004) definiše NGN kao paketski bazira-nu mrežu, koja omogućava različite tele-komunikacione usluge i širokopoj asni pristup nezavisan od primenjene tehnolo-gije. NGN obezbeđuje nesmetan pristup korisnika mreži, koji se ogleda u pruža-nju usluga na bilo kom mestu (generali-zovana mobilnost u radu).

Prenos multimedijalnog sadržaja obuhvata saobraćajne karakteristike sa različitih izvora (mirna i pokretna slika, prenos govora, tekstualnih podataka, da-toteka i video prenos). Da bi se ostvario multimedijalni prenos moraju se defini-sati određeni zahtevi, kako bi se obezbe-dio zahtevani QoS: propusni opseg; do-zvoljena varijacija kašnjenja (džiter); sin-hronizacija i uspostavljanje prioriteta iz-među aplikacija.

VPN omogućava korišćenje iste in-frastrukture preko različitih mreža, tako što formira virtuelni tunel i koristi proto-kole zaštite i autentičnosti u prenosu ko-jima garantuje bezbednost, poverljivost i integritet podataka. Na ovaj način obez-beđuje se zahtevani QoS.

U ATM mrežama QoS je obezbeđen preko VC i VP. Združivanjem IP rutira-nja i ATM komutatora omogućava se komunikacija velikog kapaciteta uz postiza-nje zahtevanog QoS.

38

VOJNOTEHNIČKI GLASNIK 1/2007.

Ukoliko se pri prenosu ne zahteva eksplicitno QoS, prenos je moguć preko mreže na bazi IP, direktno preko optičkog vlakna, bez SDH ili nekog komutacionog protokola kakav je ATM. Međutim, u mre-žama sa strogo zahtevanim QoS tehnologi-ja ATM se mora upotrebiti.

Zaštita informacija u NGN

U mrežama nove generacije posebna pažnja posvećuje se analizi i definisanju si-stema zaštite infrastrukture i informacija. Jedan celoviti sistem zaštite mogao bi se predstaviti u interakciji sledećih elemenata:

1) Preventivni - proučavanje i sma-njenje osetljivosti: projektovanje; propi-sivanje zaštite.

2) Izvršenje zaštite - reagovanje na otkaze i ometanje: monitorisanje (nadgle-danje); analiza; odziv na slučajan događaj.

3) Definisanje postupka zaštite -evidencija radi zakonskog sprovođenja: procedure; pristupa; raspodela; postupka.

Zaključak

U radu su prikazane osnovne karak-teristike i način realizacije arhitekture mreža buduće generacije. Opisane su mo-gućnosti projektovanja mreža koje bi ob-jedinjavale istovremeni prenos govornog signala (uski propusni opseg, veoma ose-

Sl. 9 - Interakcija između elemenata u sistemu zaštite mreža nove generacije

tljiv na kašnjenje, nije mnogo osetljiv na bitske greške i prenosi se kontinualno), video podataka (širi propusni opseg, sred-nje osetljivi na kašnjenje i greške, prenos se obavlja kontinualno) i prenos podataka (promenljivi propusni opseg, osetljivost na kašnjenje je varijabilna, dok je osetljivost na greške velika). Analizirana je po-stojeća infrastruktura kao platforma za iz-gradnju mreža buduće generacije, defini-sani su osnovni elementi mreže i opisane funkcije najvažnijih protokola.

Literatura:

[1] Glen, H. Ests: NGN: Preparing for Tomorrow's Services, Alcatel Telecommunications Review, 2-nd Quarter 2001, pp. 82-84.

[2] Stevenson, I., Pugh, E.: The Internet Telephony Report, Ovum, 1999.

[3] Communications International, 2000.

[4] Tzounakis, P.: Next Generation Networks, Network Operation Center, Aristotle University of Thessaloniki, 2002.

[5] Jevtović, M.: Multimedijalne telekomunikacije, Grafo-žig, Beograd, 2004.

VOJNOTEHNIČKI GLASNIK 1/2007.

39