Интеграция разнородного трафика методами статического и статистического мультиплексирования

Рассмотрим задачу, требующую передавать одновременно несколько голосовых каналов, трафик локальной сети и трафик видеоконференций между тремя офисами, объединенными выделенными каналами связи со скоростью 128 кбит/с (рис.1). Возникает вопрос выбора метода объединения разных типов данных в один канал связи.

статическое временное мультиплексирование (TDM)
Основная проблема при объединении трафика — противоречивые требования, предъявляемые разными типами информации к каналу связи. Для голоса требуется минимизация задержек передачи в канале связи, для видео — обеспечение постоянной скорости передачи при выделении достаточно широкой полосы, трафик локальной сети мало критичен как к задержкам, так и к изменениям скорости, но для эффективной работы требует достаточно широкой полосы пропускания. Традиционным подходом при интеграции разнородных видов трафика является статическое временное мультиплексирование (TDM — time division multiplexing). При этом каждому виду сервиса выделяется своя независимая постоянная полоса пропускания в пределах канала. При этом можно наилучшим образом учесть особенности каждого вида трафика. Решение на основе TDM может быть реализовано, например, с помощью оборудования RAD Kilomux 2000 (варианты на других статических мультиплексорах будут выглядеть аналогично). Схема сети на базе TDM представлена на рис. 2.
В таком варианте АТС подключается к установленной в Kilomux 2000 плате для передачи голоса (например, KVF4, предоставляющей два голосовых канала или KVF.5 — четыре канала при подключении к цифровой АТС). Плата осуществляет эффективную компрессию, позволяющую занять под один голосовой канал не 64 кбит/с, а 4.8 — 12.8 кбит/с в зависимости от требуемого качества. Для обеспечения качества, приемлемого для бизнес-связи, следует выбирать скорость не ниже 7.2 кбит/с.
Видеоконференция осуществляется через синхронный последовательный порт (плата KHS.2 предоставляет два таких модуля со скоростью Nx2.4 кбит/с). Выделенная для видеоконференции скорость зависит от типа программного обеспечения и требуемого качества, можно считать, что она должна быть не ниже 64 кбит/с., как правило, требуются более высокие скорости.
Для подключения локальной сети требуется установка внешнего маршрутизатора (например, Cisco 1600 или Cisco 2501), подключаемого ко второму последовательному платы KHS.2. Для Kilomux-2000 существует плата KMBE, позволяющая подключать мультиплексор непосредственно к LAN, однако она имеет ограниченные возможности по маршрутизации IP/IPX и количеству поддерживаемых станций в локальной сети. В связи с этим применение внешнего маршрутизатора можно считать более эффективным решением. Полоса пропускания для трафика локальной сети выделяется "по остаточному принципу" — после предоставления необходимых ресурсов для голоса и видео.
В центральном узле каждому из портов оконечных узлов должен соответствовать свой порт — то есть нужен двойной комплект плат расширения, установленных в мультиплексор центрального узла.
Решение на мультиплексорах обеспечивает оптимальные условия для передачи голоса и видео (фиксированные задержки, постоянную полосу пропускания). Однако в этом случае неэффективно используется полоса пропускания и затруднено масштабирование системы (добавление новых узлов).
При появлении новых узлов требуется увеличение количества плат расширения в центральном узле, кроме того для создания полносвязной сети может потребоваться достаточно сложная топология каналов связи.
Даже при отсутствии необходимости наращивать количество узлов решение на мультиплексорах является неоптимальным с точки зрения использования полосы пропускания. Каждый голосовой канал занимает фиксированную полосу, недоступную другим сервисам. При двух голосовых каналах и компрессии до 7.2к под голос постоянно выделяется 14.4 кбит/с, что при скорости канала 128 кбит/с вполне приемлемо. Однако, при наращивании количества каналов занимаемая голосом полоса становится слишком большой, значительно замедляя обмен между локальными сетями. Причем полоса эта зарезервирована постоянно, независимо от наличия трафика в данный момент времени. Видеоконференция требует еще больших ресурсов (64к или даже весь канал в 128к), то есть во время проведения видеоконференции ни голосовой обмен, ни передача данных могут оказаться невозможны.
Кроме того, решение на статических мультиплексорах не позволяет осуществить эффективную коммутацию голоса в пределах сети. Возможна коммутация отдельных каналов между мультиплексорами без использования АТС, но такая коммутация будет статической, то есть выделение одного канала, допустим, между двумя "периферийными" офисами не даст использовать его же для связи между "периферийным" и "центральным" узлами. В общем случае коммутация между абонентами должна происходить на внешней АТС, например, в центре, что увеличивает количество требующихся голосовых портов.

статистическое (асинхронное) временное мультиплексирование
Альтернативой TDM является использование статистического мультиплексирования, при котором каждый сервис занимает полосу пропускания только при наличии трафика. Для этого используются пакетные методы передачи информации, наиболее распространенными из которых являются Frame Relay и АТМ. Использовать АТМ при сравнительно низкой скорости 128 кбит/с нельзя, в то же время методы интеграции разных видов трафика во Frame Relay достаточно хорошо отработаны и широко используются. Рассмотрим реализацию сети на базе протокола Frame Relay с использованием оборудования Motorola ISG (рис. 3)
Оборудование Motorola Vanguard может быть подключено к АТС с использованием плат E&M (2 порта на плате) или FXO (один порт на плате). Возможна также установка портов FXS для непосредственного подключения телефонного аппарата. В варианте соединение нескольких АТС нужно, очевидно, использовать E&M (поддерживаются как двух- так и четырехпроводные реализация и сигнализация E&M I, II, IV,V). При использовании большого количества голосовых каналов подключение может осуществляться через цифровой интерфейс Е1. Каждый голосовой канал может использовать оцифровку информации со скоростью 8 или 16 кбит/с, качество при 8 кбит/с вполне приемлемо для бизнес-связи. Характерной чертой является то, что полоса под голос занимается только на время установления голосового соединения. Возможен режим работы, при котором полоса для данных освобождается также и в паузах разговора (режим подавления пауз). Кроме того, благодаря подавлению пауз возможна передача большего количества голосовых каналов одновременно. Оборудование Motorola поддерживает также коммутацию голоса, позволяя обеспечивать вызовы между периферийными узлами без загрузки центральной АТС. В то же время пакетный режим передачи вносит дополнительную избыточность, из-за чего при скорости оцифровки 8 кбит/с реально требуемая полоса оказывается больше, чем для TDM (8.2 — 11 кбит/с, в зависимости от алгоритма "упаковки" голоса в пакеты, наиболее типичный случай — 9.8 кбит/с). Однако такое увеличение полосы по сравнению с TDM вполне приемлемо, поскольку компенсируется освобождением канала при отсутствии голосового соединения и в паузах разговора.
Для передачи трафика видеоконференций используется режим TBOP (Transparent Bit-Oriented Protocol) позволяющий получить постоянную скорость при передаче трафика через Frame Relay. При этом полоса под TBOP занимается только на время установления соединения между портами видеоконференций. Поскольку трафик в линии Frame Relay имеет статистический характер и реально доступная для видеоконференции скорость может меняться, используется механизм эмуляции постоянной скорости, при нехватке полосы пропускания в выходной поток видеоконференции вставляются "сбойные последовательности", аналогичные ошибке канала связи. Таким образом, при необходимости возможна одновременная передача данных или голоса за счет снижения качества видеоконференции. Пакетный режим передачи информации приводит к некоторой избыточности, из- за чего даже при полном занятии канала в 128 к реально доступная для видеоконференции скорость (а значит и качество) будет ниже примерно на 10%. Такое снижение скорости, как правило, практически незаметно, поскольку сам трафик видеоконференции реально имеет переменную скорость и в большинстве случаев занимает предоставленную полосу не целиком.
При использовании оборудования Motorola Vanguard необходимость во внешнем маршрутизаторе отпадает, т.к. само оборудование включает средства маршрутизации IP/IPX/Appletalk и бриджинга Ethernet и TokenRing. Для маршрутизации поддерживаются протоколы RIP, RIP2, OSPF, фильтрация пакетов и управление доступом на уровне адресов IP/портов TCP/UDP и адресов/сокетов IPX, спуфинг SPX. Для бриджинга поддерживаются алгоритмы Spanning Tree, SRB, фильтрация адресов и протоколов.
Оборудование Motorola допускает централизованное управление в терминальном режиме (из локальной сети с помощью Telnet или с подключенного к устройству терминала) или с системы управления семейства 9000 (на базе Windows NT, HP-UX, Solaris) по протоколу SNMP. Оборудования Motorola имеет также ряд возможностей, не задействованных в данной сети, но могущих быть полезными в будущем — передача голоса по IP, поддержка IP Multicast (что может найти применение в видеоконференциях, основанных на IP), работа с протоколами SNA.
Основным преимуществом построения сети на базе протокола Frame Relay является эффективное использование полосы пропускания. Недостатком можно считать возможность снижения качества передачи голоса и видео из-за возникающих в сети переменных задержек и перераспределения полосы пропускания. Используемые в оборудовании Motorola алгоритмы позволяют обеспечить приоритет голосовому трафику и обеспечить высокое качество. Для видеоконференций возможно незначительное снижение качества по сравнению с решением на TDM, из-за вносимой протоколами передачи избыточности. При одновременной передаче голоса и/или данных снижение качества видеоконференции может быть заметным. Если это неприемлемо, то на время видеоконференции возможно временное административное отключение других видов трафика, что, однако, не потребует полной перенастройки оборудования, нужной для решения на базе TDM. Кардинальным решением, естественно, является расширение пропускной способности канала связи — что более эффективно, чем при использовании TDM, т.к. вся доступная полоса пропускания может использоваться не только видеоконференцией, но и другими видами трафика.

По материалам компании 
Рэйс Коммуникейшн, Москва