БИБЛИОТЕКА "СОТОВИК"
СПУТНИКОВАЯ СВЯЗЬ
ТЕХНОЛОГИЯ VSAT

Мультимедийные сети на базе Frame Relay: 
новые решения и опыт реализации проектов в России

 (с) к.т.н. Ведерко А.В., технический директор, Московский Телепорт

1. Эволюция спутниковых технологий 

Решения, которые использовались компанией "Московский Телепорт" начиная с середины 90-х годов. Формирование спроса на спутниковую связь в России и развитие предложения.

Развитие той или иной технической платформы всегда следовало за спросом. В начале 90-х годов технология VSAT в основном была ориентирована на предоставление операторам связи закрепленных SCPC-каналов и решения по удаленному доступу к сетям телефонии. 

Затем произошло смещение интересов рынка с предоставления чисто голосовых услуг к комбинированным телематическим услугам, в т.ч. услугам передачи данных. Сегодня Интернет является движущей силой в развитии VSAT-технологий. Однако переориентация рынка на решения доступа к Сети не повлечет за собой полный отказ от телефонии как таковой. Более того, развитие Интернет дает очевидные преимущества для этого сегмента. Появившийся массовый спрос на новые услуги дает толчок бурному развитию технологических платформ -- с одной стороны, и удешевлению оборудования -- с другой.

Производители оборудования (в основном каналообразующего) VSAT все чаще ориентируются на использование протокола Frame Relay на транспортном уровне своих систем. Таким образом, формируется новая архитектура сетей спутниковой связи, позволяющая эффективно работать как с трафиком передачи данных, так и с голосовыми и другими мультимедийными приложениями.

Наличие одной адаптивной технологической платформы для каждого сегмента рынка позволяет предложить универсальные, экономически эффективные современные решения, что было недостижимо еще вчера.

Использование единого в рамках сети стандартного транспортного протокола также в значительной мере упрощает и удешевляет эксплуатацию сети в целом, что немаловажно с точки зрения Заказчика. Более того, клиент получает возможность начать пользоваться одной услугой, а затем активизировать другие приложения без значительных инвестиций в инфрастуктуру

2. Сеть Frame Relay на основе оборудования SkyPerformer от ACT Networks 

Московский Телепорт использует технологию SkyPerformer, разработанную ACT Networks, как наиболее эффективную для построения мультимедийных сетей при числе узлов до 10 (наиболее часто встречающиеся варианты - 3-5 узлов) и при среднем исходящем трафике с МЗС не менее 32Кбит/с, а с ЦЗС - не более 2048 Кбит/с. 

2.1. Описание сети

Схема организации связи

2.1.1 Технология

Частотный план системы состоит из нескольких закрепленных несущих (количество которых равно количеству станций сети). Каждая станция передает одну несущую MCPC, а принимает одну или несколько несущих в зависимости от заданной топологии сети и от преимущественных потоков трафика. Информация упаковывается и уплотняется во временные кадры в соответствии со стандартами протокола Frame Relay. Связи в сети могут быть как симметричными, так и асимметричными. 

Внутрисетевые соединения обеспечиваются путем задания для каждого из видов передаваемого трафика отдельной PVC ( выделенный виртуальный канал) на основе имеющейся адресной структуры Frame Relay. Такой подход обеспечивает выпонение требований по консолидации трафика голоса и данных, включая соединения локальных сетей и других приложений.

2.1.2 Состав оборудования ЗССС 

Для упрощения в дальнейшем для обозначения ЗССС будем пользоваться терминами ЦЗС ( Центральная земная станция - центральная станция сети) и МЗС - малая земная станция. ЦЗС/МЗС являются , как правило, станциями класса VSAT (например, компанией Московский Телепорт используются станции типа SATNET производства ДеТеСат, Германия). Такая станция является необслуживаемой и состоит из антенны диаметром не более 3,8 м., приемопередатчика не более 16 Вт (Ku-band) во внешнем исполнении и внутренней каналообразующей аппаратуры - спутникового модема(ов) и прибора SkyPerformer с необходимыми картами портов и вспомогательными картами - их состав зависит от подключаемого оконечного оборудования пользователя. 

2.1.3 Система Управления сетью 

Система управления обеспечивает доступ ко всем каналообразующим элементам сети, включая конфигурацию конкретных портов, управление режимом их работы. В фоновом режиме система обеспечивает сбор статистики, выполняет регулярную диагностику компонентов сети. Для каждого соединения в сети система вырабатывает и сохраняет log record , которая может быть использована для тарификации. Вся информация концентрируется на графическом мониторе оператора. Оператору предоставляются широкие возможности, вплоть до полной перезагрузки программного обеспечения.

Система контроля и управления построена на основе SNMP агентов установленных на каждом удаленном терминале. Обмен информацией выполняется по спутниковым каналам

2.2 Преимущества технологии

2.2.1 Экономия спутникового сегмента за счет применения MCPC

Как уже было отмечено, каждая станция сети излучает только одну несущую, в которой средствами протокола Frame Relay "упакованы" информационные кадры для тех из абонентов сети, с которыми установлены соединения посредством PVC. Экономия бортового ресурса по сравнению с сетью, реализованной на "классических" дуплексных SCPC каналах составляет 10 - 40% в зависимости от выбранной топологии.

2.2.2 Экономия канального ресурса за счет приоритезации on-line приложений

Как правило, трафик мультимедийной сети существенно неоднороден как по времени, так и по своему характеру. Данная платформа позволяет приоритезировать трафик "on-line" приложений (таких как видеоконференция или передача голоса). Т.е. трафик, состоящий из пакетов небольшой длины, требующих негарантированной доставки за минимальное время получает преимущество перед трафиком данных, некритичным ко времени доставки пакетов. Это реализовано путем задействования механизма Минимальных гарантированных информационных скоростей (CIR). Максимальная скорость - PIR на порту данных ограничивается скоростью несущей, а гарантированная скорость - CIR -полосой занимаемой "on-line" приложениями - с другой. 

Использование перераспределения полосы канала для разных видов сервиса с помощью механизма CIR позволяет более экономно использовать канальный ресурс сети.

2.2.3 Гибкое изменение топологии сети

По нашему опыту работы на Российском рынке д ля корпоративных сетей чаще всего основной поток трафика исходит из центра к удаленным станциям. В обратном направлении и по рокадным направлениям трафик невелик, однако такие связи чаще всего необходимы. С другой стороны, при создании же опорной операторской сети трафик является преимущественно симметричным, а сама сеть - полносвязной.

При проектировании сети мы проводим анализ преимущественных направлений трафика, что позволяет не только выбрать оптимальный размер антенн и мощность передатчиков, но и предусмотреть возможность введения дополнительных рокадных связей , обеспечивающих прямую связь МЗС через один спутниковый "скачок". Таким образом, можно создавать оптимальные сети любой топологии. Допустимо также для небольшого объема трафика данных (не более 10-15% от общего исходящего трафика МЗС) использовать связь транзитом через ЦЗС.

3. Сеть Frame Relay на основе оборудования ABCS - SkyWan от Nortel Dasa

Выше была рассмотрена технология наиболее полно решающая задачу построения сети связи с небольшим количеством узлов и постоянным или меняющимся в небольших пределах потоком трафика между ними. При построении корпоративных сетей с широкими мультимедийными возможностями мы предлагаем уже хорошо зарекомендовавшую себя технологическую платформу, в которой реализован TDMA метод доступа к космическому сегменту. Это каналообразующее оборудование SkyWAN, разработанное компанией Nortel DASA (в настоящее время - ND Satcom ). Такая платформа наиболее эффективна для построения мультимедийных сетей (в том числе с "взрывным" трафиком) при числе узлов не более 250 (наиболее часто встречающиеся варианты - 20-40 узлов).

3.1 Описание сети

Схема организации связи

3.1.1 Технология

Частотный план системы состоит в зависимости от размеров сети и требуемой пропускной способности из 1 или нескольких (не более 8) несущих, не менее 256 Кбит/с каждая. Использование меньших несущих неэффективно, т.к. объем служебной информации TDMA превысит 30% трафика. Станции сети взаимодействую между собой через динамически распределяемые "временные окна" глобального кадра несущей или несущих. В этом режиме станции имеют возможность устанавливать прямое соединение (только один спутниковый скачок) с любым другим терминалом сети. Кроме того, обеспечивается минимальное время соединения, что необходимо для приложений, работающих в режиме "on-line" и телефонии. Физически, сеть всегда обеспечивает полносвязанную топологию. Однако с помощью виртуальных каналов можно сформировать любую топологию сети. 

Управление работой сети, в частности установление / отмена виртуальных соединений Frame Relay, предоставление доступа к бортовому ресурсу и его отведенная величина осуществляется через общий канал связи (выделенное "временное окно" глобального кадра). Все станции сети "видят" это окно и обмениваются через него служебной информацией с ведущей (мастер) станцией. Стоит отметить, что данная технология не имеет технологически выделенной центральной станции. Роль управляющей станции в нормальном режиме выполняет ЦЗС, расположенная в главном офисе клиента. Однако, в случае ее неисправности функцию управлению сетью может выполнять любая другая станция. 

3.1.2 Состав оборудования ЗССС

Основными компонентами ЦЗС/МЗС (относящимся, как правило к классу малых станций) являются антенна с РЧ оборудованием и спутниковый TDMA модем, имеющий синхронный выходной порт Frame Relay и порт Ethernet, используемый как для подключения локальной сети пользователя, так и консоли системы управления и мониторинга (на ЦЗС). и маршрутизатор. Маршрутизатор или FRAD могут входить в состав оборудования пользователя. Главное требование - обеспечение необходимого количества и номенклатуры интерфейсов для подключения оконечного оборудования. 

3.1.3 Система управления сетью 

Для конфигурации и мониторинга сети используется специальная консоль Системы управления и мониторинга (NMS), которая устанавливается на одной из станций сети, обычно - ЦЗС. NMS - комплекс программно - аппаратных средств на базе HP9000 или SUN workstation, работающий по протоколу SNMP c удаленными агентами, установленными на удаленных станциях. Основные функции - перераспределение ресурсов между пользователями, управление (конфигурирование) удаленных станций, контроль текущего статуса компонентов сети. Средствами NMS обеспечивается сбор и первичная обработка (в том числе графическая) статистических данных как о параметрах самой станции, так и о трафике пользователя с разбивкой по PVC. Система обеспечивает расширенный сбор статистики, включая тарификацию по каждому порту или адресу.

3.2 Преимущества технологии 

3.2.1 Двухуровневая схема оптимизации использования ресурсов сети

В платформе SkyWAN реализована двухуровневая схема оптимизации использования ресурсов сети. 

Механизмы CIR, PIR.

Первый уровень реализован в рамках протокола Frame Relay, а именно путем ведения Минимальных гарантированных информационных скоростей (CIR) для различных видов трафика. Максимальная скорость - PIR на порту данных ограничивается скоростью несущей.

Кроме того, производителем реализован на аппаратном уровне механизм приоритезации трафика "on-line" приложений (например, голосовых), Это существенно упрощает оптимизацию сети и делает возможным пропуск "взрывного" трафика. 

Использование перераспределения полосы канала для разных видов сервиса позволяет более экономно использовать канальный ресурс сети.

"Frequency hopping"

Второй уровень - реализован средствами протокола TDMA и введением т.н. "frequency hopping" - аппаратно реализованной возможности для одного демодулятора работать на нескольких несущих одновременно, скачкообразно перестраиваясь по частоте. 

В отличие от ранее реализованных TDMA - платформ, это дает возможность не только динамически перераспределять бортовой ресурс спутника между станциями, но и без реконфигурации системы резервировать значительную полосу для передачи мультимедийного трафика, предоставляя ее "по требованию".

3.2.2 Полносвязность сети

Физически сеть всегда обеспечивает полносвязную топологию. Все соединения в сети выполняются одним спутниковым скачком - в соединении нет транзитных станций. Однако с помощью виртуальных каналов можно сформировать любую топологию сети.

С другой стороны, выход из строя нескольких станций, включая ЦЗС, не вызывает перебоев в работе исправных станций.

3.3 Опыт построения сетей

Весьма положительный опыт построения сетей на базе платформы SKYWAN имеется у нашего немецкого партнера - компании DeTeSat. Некоторые сети функционируют около 2 лет. 

Высок интерес к сетям SKYWAN и в России. Так, компания Московский Телепорт на данный момент занимается реализацией нескольких проектов, готовящихся к сдаче в эксплуатацию. 

4 Сеть IP mulitcasting

В основе данного решения лежит высокоскоростной спутниковый канал IP Multicasting, передаваемый с Центральной Станции (ЦС). Один канал обслуживает несколько пользователей - разделение потока происходит средствами протокола Frame-Relay, причем каждому пользователю гарантируется определенная пропускная способность CIR, максимальная пропускная способность ограничена лишь свободным ресурсом канала. 

Для передачи информации в обратном направлении могут быть применены выделенные спутниковые или наземные каналы, сети пакетной коммутации, сети Frame-Relay, туннелинг через Интернет. Ввиду асимметричности трафика, типичной для сетей Интернет, пропускная способность обратного канала может быть значительно, в 5-10 раз меньше CIR. 

4.1 Frame Relay против DVB

Схема организации связи

Решение, предлагаемое компанией Московский Телепорт, предназначено в основном для ISP и корпоративных клиентов. Поэтому все перечисленные ниже преимущества являются таковыми только для данной категории пользователей. Для т.н. SOHO - клиентов (small office - home office) оптимальным будет, конечно, решение на основе DVB. 

4.1.1 Гибкие средства управления и резервирования пропускной способности

Протокол Frame Relay, на основе которого передается информация в спутниковом канале, имеет широкие возможности по делению физического канала передачи на независимые виртуальные каналы, в каждом из которых передается свой поток информации в отличие от протокола DVB, не имеющего гибких средств управления и резервирования пропускной способности. 

Если же канал не загружен, то свободной полосой могут пользоваться все, достигая скоростей в несколько раз больших, чем оговоренная минимальная. В этом случае, канал IP Multicasting ведет себя примерно так же, как и DVB.

4.1.2 Передача любых типов трафика

Протокол Frame Relay может осуществлять транспорт не только IP, но и другие типы трафика, например, X.25, Ethernet Bridge, Voice over FR что расширяет область применения каналов broadcast на основе Frame Relay. Для реализации такой функции в DVB - системе тоже позволяет передавать не-IP трафик, но тогда на приемной стороне требуется дополнительный маршрутизатор и достаточно дорогое устройство - демультиплексор DVB.

4.1.3 Использование стандартного маршрутизирующего оборудования

Каналы IP-Multicasting, в отличие от систем, основанных на DVB технологии, работают со стандартным маршрутизирующим оборудованием, например фирм Cisco или Motorola. В принципе, возможно применение любого сетевого оборудования, имеющего базовую поддержку протокола.

4.2 Сеть IP Multicasting компании МТ

Сеть IP-Multicasting эксплуатируется компанией Московский Телепорт с 2000г. Завершая данный раздел, остановимся на некоторых технических особенностях реализации. 

Нашим клиентам выделяются статические IP-адреса из адресного поля МТ. Если при направлении запроса в Интернет работа с "чужими" адресами блокируется в существующем наземном соединении, организуется IP-IP туннель между маршрутизатором клиента и нашим центральным узлом. Для провайдеров, имеющих свою автономную систему (AS), распределение трафика будет происходить средствами протокола BGP. Таким образом, необходимость в дополнительном Proxy-server отпадает.

5. Дальнейшие перспективы развития технологий спутниковой связи. 

Как видно из многочисленных публикаций, посвященных развитию спутниковых технологий и настоящего доклада, на сегодняшний день транспортный протокол Frame Relay является наиболее удобным инструментом при построении сети на базе спутниковых решений. 

Основными преимуществами является гибкость, возможность применения широкого спектра стандартных FRAD-устройств в качестве оконечного оборудования пользователя. Кроме того, существующие внутренние средства протокола Frame Relay позволяют осуществлять функции контроля за трафиком и сбора разнообразной статистики.

Отмечу также, что на сегодняшний день весьма популярные голосовые приложения (для кодеков по G.729 ) представляются в двух "конкурирующих" форматах VoFR и VoIP. Разнообразны также форматы представления различной мультимедийной информации. 

Таким образом, актуальным представляется создание мощного протокола транспортного/сеансового (четвертого/пятого, по модели OSI) уровня, объединившего бы в себе основные достоинства как Frame Relay, так и многочисленные весьма удобные инструменты - UDP протокол и семейство протоколов TCP/IP.

Тем не менее, мы полагаем, что в ближайшие несколько лет наиболее мощным средством создания спутниковых сетей связи (как корпоративных, так и коммерческих) будет именно оборудование на базе протокола Frame Relay. 

Статья впервые опубликована в качестве доклада на семинаре "Перспективы использования VSAT технологий", Cable & Satellite Russia 2001

На "Сотовик" публикуется с любезного разрешения компании "Московский Телепорт":

Для контактов:  Московский Телепорт, (095) 795-3310

Другие статьи о рынке спутниковой связи в России и VSAT технологиях для корпоративных сетей, распределительных сетей телерадиовещания, доступу в Интернет с использованием Frame Relay, можно найти  на сайте компании Московский Телепорт.

2002/07/03. Нормативно-правовая база для спутниковых сетей нуждается в доработке / ФГУП "Космическая связь"
Межведомственная рабочая группа по совершенствованию нормативно-правовой базы для спутниковых сетей типа VSAT и РЭС "Последней мили" начала свою работу.

2002/04/23. Спутниковые тарелки множатся / Ведомости
Государственное предприятие "Космическая связь" (ГПКС) намерено стать крупнейшим игроком на российском рынке услуг VSAT (небольшие спутниковые станции стоимостью 6000-7000 USD). Объем мирового рынка VSAT уже превысил 600.000 станций, доля российского рынка VSAT составляет 0,3% от мирового. В России эксплуатируется около 2000 станций и функционирует около 30 VSAT-сетей. По заявлению генерального директора ГПКС Борис Антонюк в этом году компания "Востокинфокосмос" (Хабаровск), одним из учредителей которой является ГПКС, начнет строительство мультисервисной сети передачи данных на основе VSAT-технологии в Дальневосточном федеральном округе (ДВФО). Проекту необходимы инвестиции в размере 32,89 MUSD, и финансировать его предполагается в основном за счет кредитов. Сеть ДВФО будет состоять из 2500-2700 станций VSAT, каждая из которых станет обслуживать поселки с населением около 3000 человек. В ГПКС полагают, что к 2007 г. количество российских станций VSAT увеличится до 50.000.