Открытые Технологии: превращение сети в облако

18 Мая 2004 Сетевой журнал
Сетевой журнал
#5, май 2004г.
Мария Суханова

Заказчик и его проблемы

ЗУ ПТУС - одно из 14 подразделений ОАО "Связьтранснефть" - является крупнейшим оператором связи Западного Урала. Управление предоставляет телекоммуникационные услуги подразделениям объединения "Транснефть" и коммерческим заказчикам в пяти регионах; его сеть протяженностью более трех с половиной тысяч километров охватывает всю территорию Пермской области и частично − Кировскую и Свердловскую области, Татарстан и Удмуртию.

К моменту начала реконструкции у ЗУ ПТУС имелась ISDN-сеть на базе медных кабельных линий длиной по 200-300 км, проложенного 30 лет назад, и телефонных станций Alcatel (A4300L − в узлах сети, А4400 − в периферийных точках). Потоки Е1 служили транспортом и для телефонного трафика, и для данных, и для видеоконференций; в общей сложности сеть обслуживает более 9 тыс. абонентов.

Количество абонентов услуг телефонной связи со временем росло незначительно, но постоянно рос объем трафика данных, прежде всего за счет услуг, предоставляемых коммерческим заказчикам. К 2001 году ресурс производительности сети был полностью исчерпан. "Соломинкой, переломившей спину верблюда", стало решение руководства одного из крупнейших коммерческих абонентов о внедрении системы электронного документооборота на базе SAP R/3. Требуемая полоса пропускания для одного пользователя системы документооборота невелика, но в условиях, когда подключить требуется сотни пользователей и десятки офисов в разных точках, взять полосу пропускания было решительно неоткуда. Фактически сеть и без того захлебывалась − в моменты пиковой нагрузки на узловых телефонных станциях часто происходили сбои, вызванные перегрузками центральных процессоров.

Одним из возможных вариантов решения задачи было увеличение пропускной способности сети за счет организации дополнительных потоков Е1, однако при этом пришлось бы заменять большинство используемых телефонных коммутаторов. Во-первых, практически все слоты расширения были уже задействованы, во-вторых, дополнительные интерфейсные модули потребовали бы мощности процессоров, которой и так не хватало. Замена каждой станции обошлась бы заказчику в несколько сотен тысяч долларов, а проект в целом − в несколько миллионов.

Другой вариант − увеличить производительность сети, заменив существующие медные кабельные линии оптическими каналами, - требовал еще намного больших инвестиций, существенного времени и все равно не решил бы проблему ни с подключением потоков Е1 к телефонным станциям, ни с перегрузкой узловых АТС. Выход из этой казалось бы безвыходной ситуации предложила компания Открытые Технологии.


Решение

На рис. 1 и 2 показана упрощенная схема сети ЗУ ПТУС до и после реконструкции. В новой сети сохранены все имевшиеся телефонные станции, кабельная инфраструктура также осталась прежней. Отличие заключается в разделении функции агрегирования телефонных подключений и функций транспортировки мультисервисного трафика в двух разных согласованно работающих устройствах. Теперь АТС не используются даже для транспортировки транзитного голосового трафика: в новой архитектуре сети каждая из них подключена к созданному IP-облаку через VoIP-шлюзы маршрутизаторов Cisco (для решения всех насущных задач достаточно недорогой модели Cisco 3662). Маршрутизатор в десятки раз дешевле телефонной станции, так что затраты на новое оборудование были многократно ниже тех, которые потребовались бы при любом из рассматривавшихся альтернативных вариантов. Это позволило ЗУ ПТУС быстро изыскать средства на реконструкцию сети и приступить к реализации проекта.


Стоит обратить внимание на стопроцентную защиту инвестиций: все кабельное и коммутационное оборудование, которое эксплуатировалось раньше, работает и теперь. Срок окупаемости проекта, по самой осторожной оценке, семь месяцев - цифра почти нереальная для решений подобного масштаба, целиком охватывающих огромные территориальные сети. Традиционно срок в таких случаях измеряется годами.

Перечислим, как именно сказалась на работе сети замена транспортной среды.

С АТС были сняты функции передачи данных и маршрутизации транзитных звонков; это полностью устранило проблему перегрузки станций. Сейчас, когда они осуществляют только агрегацию абонентского трафика и обрабатывают звонки, адресованные абонентам, подключенным к той же станции, их функционирование стало устойчивым. Таким образом, срок службы станций увеличился до пределов их физического износа.

Повысилась общая надежность традиционной телефонной связи, поскольку раньше при перегрузках АТС автоматически перезагружалась, а продолжительность этой процедуры составляла около 25 мин; такой период недоступности для технологической связи ЗУ ПТУС недопустим. Сейчас маршрутизатор даже в случае сбоя восстанавливает работоспособность гораздо быстрее.

Многосвязная ISDN-сеть с фиксированными соединениями стала IP-облаком, в котором трафик всегда направляется по наименее загруженному маршруту. А поскольку имеющаяся система кабельных линий из соображений надежности была спроектирована с определенной избыточностью, применение динамической маршрутизации позволило не только снизить нагрузку на сеть, но и увеличить ее производительность. Для оптимизации распределения трафика дополнительно применяются разнообразные механизмы динамической маршрутизации, которые обеспечат работоспособность телефонной связи, даже если произойдет серьезная авария на одном из магистральных каналов.

Использование на транспортном уровне протокола IP и алгоритмов сжатия речи дало возможность вчетверо (с 64 до 16 кбит/с) уменьшить полосу пропускания, необходимую для одного голосового канала.

Таким образом, реконструкция архитектуры в совокупности с применением пакетной передачи голосового трафика позволила решить все задачи, стоящие перед оператором связи. Основное преимущество такого эволюционного подхода в том, что оператор получил возможность предоставлять востребованные в настоящий момент услуги без существенных капитальных затрат, традиционно необходимых при коренной реконструкции.


Сохранение функций

Легко ли полностью перестроить дом, не передвинув мебель? Специалистам Открытых Технологий нужно было решить похожую задачу: разрушить старую архитектуру сети и выстроить вместо нее совершенно новую, причем обязательно так, чтобы она поддерживала в прежнем виде все работавшие ранее сервисы. Разработчики знали, что взятая ими за основу проекта архитектура Cisco AVVID (Architecture for Voice, Video and Data - архитектура для голоса, видео и данных) теоретически позволяет этого добиться, но теория часто оказывается далека от практической реализации, и данный случай не был исключением.

В ISDN-сети циркулировал немалый объем специализированного трафика, такого, как трафик управления АТС, биллинговый трафик, потоки служебных данных; следовало реализовать его передачу и в IP-сети. Для решения некоторых наиболее критичных и не решаемых "в лоб" задач использовалась разработанная Cisco универсальная технология прозрачного проброса трафика: исходные данные "нарезаются" на короткие фрагменты, эти элементы заключаются в IP-контейнеры, которые в неизменном виде передают данные от источника к получателю через все промежуточные стадии транспортировки.

Одна из наиболее существенных проблем, с которой столкнулись специалисты Открытых Технологий при реализации проекта, была обусловлена разницей механизмов синхронизации. При кратковременном отключении одного из узлов восстановление синхронизации проходило не совсем так, как предусмотрено технической документацией. Разница механизмов синхронизации, реализованных в телефонных коммутаторах Alcatel и маршрутизаторах Cisco, потребовала натурного моделирования всевозможных ситуаций и выработки нестандартных конструкторских решений.

Существовавшая в сети ISDN телефонная связь стала, как уже упоминалось, пакетной, причем в ней применяется сжатие речи. Сжатие выполняется с помощью кодека G.729, который часто ассоциируется с плохим качеством голосовой связи. Но это скорее связано не со свойствами самого кодека - ухудшение качества связи проявляется при использовании для транспортировки трафика общедоступных IP-каналов (т.е. интернета). Интернетовский канал, даже широкополосный и реализованный с учетом приоритетов качества обслуживания, не застрахован, например, от "джиттера" - нерегламентируемой переменной задержки обработки пакетов. В интернете эта особенность действительно может привести к неудовлетворительному субъективному восприятию голоса, ведомственная же сеть, пусть и построенная на основе IP-транспорта, практически лишена таких недостатков. Однако для того чтобы убедиться, что связь не ухудшилась, инженеры Открытых Технологий провели специальный эксперимент с участием операторов-сотрудников службы эксплуатации телефонных станций ЗУ ПТУС. После того как к узлам сети вместо АТС были подключены маршрутизаторы, операторам (не знавшим, что изменилось и как) было предложено просто оценить качество связи, как они это периодически делают. Операторы не почувствовали разницы, а некоторые отметили даже определенное улучшение.


Тестирование

Нефтепроводы, эксплуатацией которых ведает "Транснефть", - ответственные сооружения, представляющие к тому же опасность для окружающей среды, так что требования к услугам связи здесь самые жесткие. Отсутствие технологической голосовой связи между какими-то двумя участками в течение двух часов может привести к тому, что возникшая аварийная ситуация не будет своевременно локализована, и последствия могут быть самыми суровыми, вплоть до возбуждения уголовного дела. Тем самым, при реконструкции сети тоже следовало уложиться в срок, не превышающий двух часов. Для этого решение должно было быть очень тщательно - более тщательно, чем это стандартно требуется, - отлажено и протестировано.

Тестирование проводилось в три этапа. На первом в пермском филиале Открытых Технологий был построен стенд, моделирующий фрагмент магистральной сети: на нем работали две телефонные станции Alcatel из резерва ЗУ ПТУС и два шлюза отдельных устройства - шлюзы VoIP. Отлаживать и тестировать нужно было решительно все, начиная с сопряжения оборудования Cisco и Alcatel: хотя его совместимость заявлена поставщиками, организация взаимодействия фактически оказалась весьма нетривиальной задачей. Ни в той ни в другой компании не было точных сведений о том, как добиться, чтобы их устройства согласованно работали и согласованно восстанавливали работоспособность после отключения; в итоге многие параметры понадобилось настраивать вручную, подбирая значения методом проб и ошибок. В процессе стендовых испытаний пришлось менять спецификацию оборудования, поскольку не все унаследованные сервисы прозрачно поддерживались выделенными шлюзами VoIP; вдобавок заказчик требовал снижения стоимости проекта даже в ущерб масштабированию решения. В результате первоначальное техническое решение существенно изменилось.

После того как все технологические решения были отработаны на стенде, их следовало перепроверить с реальными линиями связи. (Заметим, что ряд параметров, таких, как качество голосовой связи в условиях производственной нагрузки, на стенде исследовать невозможно.) Этой проверке был посвящен второй этап тестирования, для которого ЗУ ПТУС выделило подсегмент - три узла - на сравнительно мало нагруженном периферийном участке реальной рабочей сети. Очень много внимания в нем уделялось изучению поведения оборудования при различных сбоях и минимизации времени восстановления работоспособности сети. На третьем этапе маршрутизаторы были установлены уже на магистральном участке между двумя узловыми станциями A4300L. Здесь также отрабатывались всевозможные варианты сбоев: выход из строя различной сетевой аппаратуры, отключение электропитания, перегрузка АТС.

Тестирование продолжалось около трех месяцев. Итоги его таковы: при подключении маршрутизаторов к рабочей сети связь простаивала не более нескольких минут, девять узлов были введены в эксплуатацию за две недели.


Масштабирование

На сегодня задача увеличения пропускной способности сети в ЗУ ПТУС решена, причем со значительным запасом, но потребности "Транснефти" и коммерческих заказчиков, очевидно, будут и дальше увеличиваться. Более того, возможность предоставления новых услуг привела к росту пакета запросов от сторонних заказчиков, которым раньше приходилось просто отказывать... Построенная сеть к этому вполне готова.

Маршрутизаторы, работающие сейчас в узлах сети, - это весьма простые модели. Когда они перестанут справляться с возросшей нагрузкой, их можно будет безболезненно заменить более мощными. При этом в проектных решениях заложена возможность плавной миграции современных маршрутизаторов на периферию: в наименее нагруженные узлы, которые пока не реконструированы, в точки агрегации трафика данных коммерческих заказчиков или в крупные подразделения основного заказчика. В отдаленной перспективе, когда производительности существующих каналов станет недостаточно, магистральные каналы неизбежно будут меняться на оптические линии. Современная сеть ЗУ ПТУС для перехода на новую транспортную среду не потребует никаких изменений. Достаточно будет закупить оптические интерфейсы и установить их в маршрутизаторы (свободные слоты есть во всех установленных платформах, работающих в сети). Таким образом, менять базовую инфраструктуру не придется еще несколько лет - все установленное оборудование сможет работать до пределов физического износа.

Решение, разработанное специалистами Открытых Технологий, получилось универсальным, и ничто не мешает применить его в других подразделениях "Связьтранснефти".

Таким образом, реализованная в рамках жестко ограниченного бюджета эволюционная реконструкция превратила традиционную ISDN-сеть в универсальную мультитсервисную инфраструктуру и позволила не только решить все современные задачи, но и создать базу для предоставления новых услуг, допускающую практически неограниченное масштабирование в будущем.




Предыдущая новость:
"Ситуация требует наращивания "кадровых мускулов"
Следующая новость:
Вызов гиганта