Факультет информационных технологий
Кафедра управления и информатики в технических системах
Автоматизация NGN сетей с применением технологии RADIUS
Аннотация
Целью магистерской диссертации является оптимизация существующего технологического процесса предоставления услуги SIP телефонии, на основе метода AAA.
Внедрение, предлагаемой в магистерской диссертации, технологии позволяет снизить время предоставления услуги для конечного пользователя, а так же уменьшить количество промежуточных элементов на этапе заведения SIP номера в базу Softswitch, тем самым уменьшить количество возможных ошибок в системе, в свою очередь все данные параметры ведут к увеличению производительность работы системы в целом.
В пояснительной записке освещены следующие вопросы:
– анализ архитектуры и концептуальной модели сети NGN, а так же центрального элемента сети – Softswitch;
– рассмотрен технологический процесс предоставления услуги SIP телефонии, используемый в настоящее время, а так же проблемы, возникающие при таком;
– анализ протоколов метода AAA;
– имитационное моделирование технологического процесса предоставления услуги SIP телефонии с применением RADIUS-сервера, а так же создание структурной и функциональной схем
– разработка структурной и функциональной схем технологического процесса предоставления услуги SIP телефонии с использованием RADIUS-сервера, а так же выбор подходящего программного обеспечения RADIUS-сервера.
Пояснительная записка содержит 73 страницы, в том числе 24 рисунка, 3 таблицы, 41 источник, 2 приложения. Графический материал выполнен на 6 листах.
Содержание
Введение. 5
1 Мультисервисные сети доступа. 8
1.1 Основные характеристики NGN.. 8
1.2 Архитектура, сетевые параметры и основные протоколы NGN.. 10
1.2.1 Концептуальная модель сети NGN.. 10
1.2.2 Организация управления и мониторинга сетей NGN.. 16
1.3 Анализ аппаратной части сети NGN.. 18
1.3.1 Архитектура Softswitch. 21
1.3.2 Аппаратно-программное решение Softswitch. 24
2 Технологический процесс предоставления услуги SIP телефонии, используемый в настоящее время на предприятии. 31
2.1 Скриншоты пользовательского интерфейса программы АСР «Старт». 31
2.2 Структурная схема упрощенной модели подключения абонента. 34
2.3 Функциональная схема упрощенной модели подключения абонента. 35
2.4 Функциональная схема заведение абонента в базу Softswitch. 37
3 Протоколы метода Аuthentication, Аuthorization, Аccounting. 40
3.1 Основные понятия AAA.. 40
3.2 Протоколы AAA.. 41
3.3 Существующие модели RADIUS-серверов. 48
4 Моделирование технологического процесса предоставления услуги SIP телефонии с использование сетей Петри. 60
4.1 Сети Петри. 60
4.2 Имитационное моделирование технологического процесса предоставления услуги SIP телефонии. 62
Заключение. 66
Список использованных источников. 68
Приложение А Функциональная схема технологического процесса предоставления услуги SIP телефонии, используемая в настоящее время. 71
Приложение Б Функциональная схема технологического процесса предоставления услуги SIP телефонии, c использованием RADIUS-сервера. 72
Введение
Актуальность темы. Если человек работает в отрасли телекоммуникаций, то определенно он знаком с концепцией NGN (Next Generation Network), но даже независимо от профессиональной области, так или иначе все общество погрязло в этой революции, в новом подходе на развитие сети, услуг и возможностей как для пользователей и провайдеров, так и для производителей оборудования. Но, не смотря на то, что концепция прочно вошла в нашу жизнь, необходимо уточнить, что же это такое NGN.
Концепция NGN – концепция построения сетей связи следующего/нового поколения (Next Generation Network), обеспечивающих предоставление неограниченного набора услуг с гибкими настройками по их управлению, персонализации, созданию новых услуг за счет унификации сетевых решений (реализация универсальной транспортной сети с распределенной коммутацией, вынесение функций предоставления услуг в оконечные сетевые узлы, интеграция с традиционными сетями связи).
Мультисервисная сеть – сеть связи, которая построена в соответствии с концепцией NGN и обеспечивает предоставление неограниченного набора инфокоммуникационных услуг (VoIP, Интернет, VPN, IPTV, VoD и др.).
В основу концепции NGN заложена идея о создании универсальной сети, которая бы позволяла переносить любые виды информации, такие как: речь, видео, аудио, графику и т.д., а также обеспечивать возможность предоставления неограниченного спектра инфокоммуникационных услуг. Базовым принципом концепции NGN является отделение друг от друга функций переноса и коммутации, функций управления вызовом и функций управления услугами.
Определение NGN в основном используется для того, чтобы обозначить изменения в инфраструктуре предоставления услуг, которые давно происходят в телекоммуникационной и IT-индустриях.
Значительная часть эволюционных изменений в сфере телекоммуникаций в наши дни проходит под знаком конвергенции фиксированных сетей связи. Подтверждением этому служат конвергентные сети типа NGN, получающие сегодня все более широкое распространение в нашей стране и за ее пределами.
Одним из наиболее сложных аспектов такого присоединения является обеспечение работы системы аутентификации, авторизации и учета (Authentication, Authorization and Accounting, AAA). При существующей системе ААА, предоставление услуги SIP телефонии для абонента может растянуться с одного до пяти дней, что является, несомненно, нецелесообразным в условиях жесткой конкуренции на рынке телекоммуникационных услуг, когда такие характеристики, как скорость и качество подключения нового абонента стоят на одном уровне с качеством предоставления услуг для абонента в дальнейшем.
Процесс предоставления услуги SIP телефонии является сложным технологическим процессом. На эффективность данного процесса влияет большое количество факторов, что значительно усложняет оперативность обработки наряда. Возможность учёта факторов и сложных зависимостей от них обеспечивается использованием методологии имитационного моделирования. Одним из перспективных вариантов формального описания и анализа имитационных моделей является использование методологии сетей Петри.
Существующие концепция предоставления услуги SIP телефонии, конечно же, решает задачу создания SIP номера для абонента, правда без учёта большинства параметров, определяющих эффективность технологического процесса. Это обосновывает необходимость разработки модернизированной схемы предоставления услуги SIP телефонии.
В связи с выше изложенным, актуальность темы магистерской диссертации заключается в создании имитационной модели предоставления услуги SIP телефонии на базе метода AAA, ориентированного на повышение эффективности, оптимизации и автоматизации процесса предоставления услуги абоненту.
Данная работа направлена на решение задачи, имеющей важное производственное и экономическое значение, предполагающей на основе анализа существующей технологии предоставления услуги SIP телефонии, методов AAA и математических методов в виде сетей Петри, разработку имитационной модели системы оптимизации управления сетью NGN на основе RADIUS-сервера.
Цель и задачи работы. Цель исследования заключается в повышении эффективности процесса предоставления услуги SIP телефонии в существующей сети NGN.
Для достижения поставленной цели были поставлены следующие задачи:
− рассмотреть сети NGN: основные понятия, архитектуру, концептуальную модель, а так же аппаратно-программного исполнение центрального элемента сети NGN – Softswitch;
− рассмотреть существующий процесс предоставления услуги SIP телефонии, составить структурные и функциональные процессы, а так же выявить слабые места, которые ведут к задержками и как следствие к низкому качеству предоставляемой услуги;
− проанализировать методы AAA и математический аппарат в виде сетей Петри, обосновать выбор необходимого протокола, а так же выбрать подходящее программное обеспечение для реализации поставленной задачи.
Объектом исследования является проблема оптимизации управленияи предоставления услуг в телекоммуникационных сетях NGN.
Предметом исследования являются способы повышения эффективности процесса предоставления услуги SIP телефонии, в телекоммуникационных сетях NGN, за счет включения в схему прописки абонента метода AAA, реализуемого в виде RADIUS-сервера.
Методы исследования. Для решения поставленных задач в диссертации применялись методы системного анализа, математические модели раскрашенных сетей Петри, языка UML и имитационное моделирование.
Научная новизна заключается в исследовании применимости математического аппарата сетей Петри к моделированию технологического процесса предоставления услуги SIP телефонии в сети NGN.
Положения, выносимые на защиту:
− оптимизация процесса предоставления услуги SIP телефонии в сети NGN;
− алгоритм и методы оптимизации процесса предоставления услуги SIP телефонии на основе раскрашенных сетей Петри;
Практическая значимость работы заключается в том, что полученные решения позволят:
1) повысить эффективность деятельности поставщика услуги, а также автоматизировать процесс заведения данных в базу Softswitch, тем самым увеличить скорость предоставления услуги конечному пользователю;
2) повысить престиж компании поставщика услуги.
Структура и объем работы. Магистерская диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы. Объем работы составляет страниц текста, включая 24 рисунка. Библиографический список включает 41 источник.
1 Мультисервисные сети доступа1.1 Основные характеристики NGN
Сети связи следующего/нового поколения (NGN) – это пакетные сети, способные предоставлять инфокоммуникационные услуги, в том числе с использованием различных видов широкополосных соединений, транспортных технологий с обеспечением QoS, в которых процедуры предоставления услуг независимы от транспортных технологий, на которых они реализованы. Это обеспечивает пользователям открытый доступ к различным сервис-провайдерам и поддерживает обобщенную мобильность (generalized mobility), которая обеспечивает общепринятый и единообразный порядок предоставления услуг пользователям.
Требования к перспективным сетям связи:
− «мультисервисность», под которой понимается независимость технологий предоставления услуг от транспортных технологий;
− «широкополосность», под которой понимается возможность гибкого и динамического изменения скорости передачи информации в широком диапазоне в зависимости от текущих потребностей пользователя;
− «мультимедийность», под которой понимается способность сети передавать многокомпонентную информацию (речь, данные, видео, аудио и др.) с необходимой синхронизацией этих компонент в реальном времени и использованием сложных конфигураций соединений;
− «интеллектуальность», под которой понимается возможность управления услугой, вызовом и соединением со стороны пользователя или поставщика услуг;
− «инвариантность доступа», под которой понимается возможность организации доступа к услугам независимо от используемой технологии;
− «многооператорность», под которой понимается возможность участия нескольких операторов в процессе предоставления услуги и разделение их ответственности в соответствии с их областью деятельности.
Возможности сетей NGN:
− создание, развертывание и управление любого вида служб. Это включает службы, использующие любого рода среду с любыми схемами кодирования и сервисами (данных, диалоговыми, одноадресными, многоадресными и широковещательными, передачи сообщений, простой службой передачи данных), в реальном времени и вне реального времени, чувствительные к задержке и допускающие задержку, требующие различной ширины полосы пропускания, гарантированные и нет;
− четкое разделение между функциями служб и транспортными функциями, с тем, чтобы обеспечить разъединение служб и сетей, являющееся одной из основных характеристик NGN;
− предоставление как существующих, так и новых служб, независимо от типа используемых транспортных сетей и сетей доступа;
− функциональные элементы политики управления должны быть распределены по инфраструктуре;
− осуществление межсетевого взаимодействия между NGN и существующими сетями, такими как ТфОП, ЦСИС, СПС посредством шлюзов;
− поддержка существующих и «предназначенных для работы на NGN» оконечных устройств;
− решение проблем миграции речевых служб в инфраструктуру NGN, качества обслуживания (QoS), безопасности;
− обобщенная подвижность, которая позволит обеспечить совместимое предоставление услуг пользователям, то есть пользователь будет рассматриваться как единственное лицо при использовании им различных технологий доступа, вне зависимости от того, какими устройствами он располагает.
Преимущества:
− предоставление современных высокоскоростных сервисов;
− масштабируемость;
− совместимость с международными стандартами, доступ по общепринятым интерфейсам (таким, как Ethernet), поддержка традиционных сетевых технологий (ATM, FR и др.);
− мультипротокольная поддержка (прозрачность и гибкость);
− управление трафиком (Traffic Engineering);
− резервирование полосы пропускания;
− классификация видов трафика;
− управление качеством обслуживания (QoS);
− совершенные механизмы защиты (например, MPLS Fast Reroute).
Идеологические принципы построения сети нового поколения следующие:
− подключение к сети должно быть максимально простым и удобным, без использования промежуточных систем, при этом использование традиционно применяемых протоколов и сервисов должно быть доступно в прежнем объеме;
− сначала строится базовая пакетная транспортная сеть на базе компьютерных технологий, обеспечивающих соответствующее качество, надежность, гибкость и масштабируемость, а потом поверх этой сети строится мощный комплекс сервисов.
В итоге все информационные потоки интегрируются в единую сеть.
NGN характеризуются следующими фундаментальными свойствами:
− поддержка большого набора услуг, приложений и механизмов поблочного построения услуг (включая услуги в реальном времени, потоковую передачу услуги, предоставляемые не в режиме реального времени и мультимедиа-услуги);
− отделение процесса предоставления услуги от самой сети и обеспечение открытых интерфейсов, разделение функций управления от возможностей транспортной среды, вызова/сеанса и приложения/услуги, что позволяет услугам и сетям развиваться независимо друг от друга;
− взаимодействие с унаследованными сетями по открытым интерфейсам;
− пакетный перенос;
− широкополосный доступ с обеспечением качества из конца в конец и «прозрачности»;
− обобщенная мобильность;
− открытый доступ пользователей к различным сервис-провайдерам;
− различные схемы идентификации, которые могут быть реализованы с использованием IP-адресации в целях маршрутизации по IP-сетям;
− унифицированные характеристики услуги в понимании пользователя;
− конвергенция услуг между сетями фиксированной и подвижной связи;
− совместимость со всеми требованиями в области регулирования отрасли, например, экстренной связи, безопасности, защищенности и т.п. [1].
1.2 Архитектура, сетевые параметры и основные протоколы NGNСети нового поколения должны предоставлять ресурсы (инфраструктура, протоколы и т.п.) для создания, внедрения и управления всеми видами услуг (существующих и будущих). В рамках NGN основной упор делается на возможность адаптации услуги сервис-провайдерами, многие из которых также обеспечат своим пользователям возможность приспособить свои собственные услуги. Сети нового поколения будут включать в себя API (Application Programming Interfaces), обеспечивающие поддержку разработки, предоставления и управления услугами.
1.2.1 Концептуальная модель сети NGN
Оборудование Softswitch взаимодействует со многими компонентами в телекоммуникационной системе. В верхней части рисунка показаны такие функциональные блоки: система тарификации, платформа услуг и приложений, а также сеть общеканальной сигнализации (ОКС). Следует только отметить возможность выхода через сеть ОКС на узел управления услугами (Services Control Point – SCP), входящий в состав интеллектуальной сети, что позволяет дополнить услуги и приложения, доступные абонентам непосредственно через Softswitch, интеллектуальными услугами.
Логика обработки вызовов реализуется в контроллере шлюзов (Media Gateway Controller – MGC). Взаимодействие Softswitch с коммутационными станциями других сетей осуществляется через оборудование Media Gateway (MG). Для этих целей используется протокол MGCP (Megaco), разработка которого была выполнена в IETF подгруппой Megaco (Media Gateway Control). Протокол MGCP в силу того, что он был разработан в IETF, ориентирован, в основном, на IP-технологии. В результате работы МСЭ появился проект рекомендации H.248, который ориентирован скорее на передачу мультимедийной информации, чем передачу неструктурированного трафика данных [2].
Рисунок 1 – Концептуальная модель сети NGN
Пунктирной линией на рисунке 1 «Концептуальная модель сети NGN» показана связь Softswitch с пакетной сетью, которая, как правило, базируется на технологиях IP и ATM. Пакетная сеть обрабатывает основную часть трафика телекоммуникационной системы. Переход к сети с коммутацией пакетов целесообразно осуществлять путем постепенной эволюции телекоммуникационной системы.
Функциональная модель сетей NGN, представленная на рисунке 2, является общим случаем и представлена тремя уровнями:
− транспортный уровень;
− уровень управления коммутацией и передачей информации;
− уровень управления услугами.
Задачей транспортного уровня является коммутация и прозрачная передача информации пользователя. Задачей уровня управления коммутацией и передачей является обработка информации сигнализации, маршрутизация вызовов и управление потоками. Уровень управления услугами содержит функции управления логикой услуг и приложений и представляет собой распределенную вычислительную среду, обеспечивающую следующие потребности:
− предоставление инфокоммуникационных услуг;
− управление услугами;
− создание и внедрение новых услуг;
− взаимодействие различных услуг.
Уровень управления услугами позволяет реализовать специфику услуг, и применять одну и ту же программу логики услуги вне зависимости от типа транспортной сети (IP, АТМ, FR и т.п.) и способа доступа. Наличие этого уровня позволяет также вводить на сети любые новые услуги без вмешательства в функционирование других уровней. Данный уровень может включать множество независимых подсистем («сетей услуг»), базирующихся на различных технологиях, имеющих своих абонентов и использующих свои, внутренние системы адресации.
Рисунок 2 – Функциональная модель сетей NGN
Архитектура сети связи, построенной в соответствии с концепцией NGN, представлена на рисунке 3.
Архитектура сетей NGN будет состоять из IP-ядра и нескольких сетей доступа, использующих разные технологии. Основу сети NGN составляет универсальная транспортная сеть, реализующая функции транспортного уровня и уровня управления коммутацией и передачей. Назначением транспортной сети является предоставление услуг переноса.
В состав транспортной сети NGN могут входить следующие компоненты:
− транзитные узлы, выполняющие функции переноса и коммутации;
− оконечные (граничные) узлы, обеспечивающие доступ абонентов к мультисервисной сети;
− контроллеры сигнализации, выполняющие функции обработки информации сигнализации, управления вызовами и соединениями;
− шлюзы, позволяющие осуществить подключение традиционных сетей связи (ТФОП, СПД, СПС).
Рисунок 3 – Архитектура сети NGN
Контроллеры сигнализации могут быть вынесены в отдельные устройства, предназначенные для обслуживания нескольких узлов коммутации. Использование общих контроллеров позволяет рассматривать их как единую систему коммутации, распределенную по сети. Такое решение упрощает алгоритмы установления соединений и является наиболее экономичным для операторов и поставщиков услуг, так как позволяет заменить дорогостоящие системы коммутации большой емкости небольшими, гибкими и доступными по стоимости даже мелким поставщикам услуг.
Реализация инфокоммуникационных услуг осуществляется на базе узлов служб (Services Node – SN) или узлов управления услугами (SCP). SN является оборудованием поставщиков услуг и может рассматриваться в качестве сервера приложений для инфокоммуникационных услуг, клиентская часть которых реализуется оконечным оборудованием пользователя. SCP является элементом распределенной интеллектуальной платформы и выполняет функции управления логикой и атрибутами услуг. Совокупность нескольких узлов служб и/или узлов управления услугами, задействованных для предоставления одной и той же услуги, образуют платформу управления услугами. В состав платформы также могут входить узлы административного управления услугами и серверы различных приложений.
Состав функций граничных узлов может быть расширен за счет добавления функций предоставления услуг. Для построения таких узлов может использоваться технология гибкой коммутации (Softswitch).
Топологию сети NGN в виде набора плоскостей показана на рисунке 4, внизу находится плоскость абонентского доступа (базирующаяся, например, на трех средах передачи: металлическом кабеле, оптоволокне и радиоканалах), далее идет плоскость коммутации (коммутации каналов и/или коммутации пакетов). В указанной плоскости находится и структура мультисервисных узлов доступа. Над ними располагаются программные коммутаторы SoftSwitch, составляющие плоскость программного управления, выше которой находится плоскость интеллектуальных услуг и эксплуатационного управления услугами.
Инфокоммуникационные услуги предполагают взаимодействие поставщиков услуг и операторов связи, которое может обеспечиваться на основе функциональной модели распределенных (региональных) баз данных, реализуемых в соответствии с рекомендацией МСЭ-Т X.500, доступ к которым организуется с использованием протокола LDAP (Lightweight Directory Access Protocol).
Основными услугами сети доступа должно являться обеспечение подключения следующих типов абонентов:
− аналогового доступа ТФОП;
− доступа ЦСИС;
− доступа xDSL;
− выделенных каналов связи Nx64 кбит/с и 2 Мбит/с;
− использующих для доступа оптические кабельные технологии (PON);
− использующих для доступа структурированные кабельные системы (HFC);
− использующих системы беспроводного доступа и радиодоступа (Wi-Fi).
В каждой из перечисленных выше типов услуг возможна дальнейшая дифференциация в зависимости от используемой скорости передачи и/или технологии доступа.
Концепция NGN во многом опирается на технические решения, уже разработанные международными организациями стандартизации. Так, взаимодействие серверов в процессе предоставления услуг предполагается осуществлять на базе протоколов, специфицированных IETF (MEGACO), ETSI (TIPHON). Для управления услугами будут использованы протоколы H.323, SIP и подходы, применяемые в интеллектуальных сетях связи. В качестве технологической основы построения транспортного уровня мультисервисных сетей рассматриваются АТМ и IP с возможным применением оптической коммутации (PON).
Работа по проблемам архитектуры и протоколов для NGN должна концентрироваться на следующих аспектах:
− рассмотрение использования техники эталонного моделирования;
− определение, как могут быть поддержаны на гетерогенных сетях службы из конца в конец, управление вызовом и мобильность пользователя;
− определение функций взаимодействия для поддержания действующих терминалов, не способных работать на NGN;
− определение функциональности терминалов, способных работать на NGN, через механизм обновления программного обеспечения, резервирования и эволюции терминалов, согласование версии и управление [3].
Рисунок 4 – Топология сети NGN в виде набора плоскостей