Модели доставки IPTV/Multiplay услуг в современных сетях широкополосного доступа

Обзор посвящен двум наиболее распространенным архитектурам, в основе которых лежит использование технологии Ethernet, а для доставки трафика на «последней миле» используются устройства типа Ethernet-коммутатор, PON, MSAN/DSLAM . Материал может быть интересен как техническому персоналу, так и сотрудникам маркетинговых подразделений оператора связи, отвечающих за планирование сети ШПД и продвижение новых услуг.

В современных сетях широкополосного доступа (ШПД) выбор наиболее подходящей модели доставки услуг, как правило, имеет далеко идущие последствия и во многом определяет величину капитальных и операционных затрат оператора на развитие сети, а так же, соответственно, ее последующую эксплуатацию.

VLAN – в общем случае виртуальный сегмент локальной сети, который определяет границы широковещательного домена Ethernet, изолирует доступ абонентов друг к другу, а также служит для снижения трафика в сети. На сетях ШПД существует два способа применения VLAN. Сервисный VLAN или S-VLAN используется для доставки отдельного сервиса всем подписчикам. Клиентский VLAN или C-VLAN используется для доставки множества сервисов отдельному подписчику. Часто методы комбинируются, для доставки трафика групповой рассылки IPTV используется S-VLAN, в то время как весь unicast-трафик доставляется каждому подписчику в рамках отдельного C-VLAN.

Сегментирование сети на отдельные VLAN возможно благодаря специальному 12-битному полю в заголовке Ethernet кадра, значение данного поля определяет принадлежность пакета к конкретному VLAN. Использование VLAN описывается стандартом IEEE 802.1Q. Метки, или теги (tags), иногда называют "VLAN-теги" или "Q-теги". Таким образом, трафик, размеченный тегом принадлежности к одной группе VLAN, будет доступен только авторизованным абонентам, являющимся членами той же группы.

Модель сервисной VLAN (S-VLAN)

В модели сервисного VLAN существует отдельный VLAN для каждой из услуг, например, для доступа в Интернет, IP-телефонии (VoIP), IP-телевидения (IPTV) и видео по запросу (VoD). Пакеты протокола IGMP для управления подпиской на трафик групповой рассылки (multicast), всегда передаются в том же S-VLAN, что и связанный с ними трафик IPTV. На рис. 1 изображена элементарная схема доставки услуг с тремя сервисными VLAN.

Здесь и далее на схемах отражена логическая схема разделения каналов связи на отрезке "последней мили" между устройством доступа и CPE – абонентским устройством доступа, устанавливаемым на стороне подписчика. В зависимости от используемой среды это может быть DSL-модем, Ethernet-коммутатор или PON ONT, так же будут различаться и физические топологии данного сегмента сети, что не существенно для рассматриваемых нами вопросов.

Важной проблемой обслуживания VLAN в данном случае является то, что ни один сетевой элемент не может контролировать суммарный трафик в направлении отдельного абонента. Вместо этого фиксированная полоса пропускания должна быть выделена под каждую услугу.

Сервисная модель не позволяет менять заранее установленную схему распределения трафика на абонента, например, использовать дополнительную емкость полосы для скачивания данных вместо доставки SDTV-канала. Она также не позволяет использовать для просмотра дополнительного HDTV видеоканала полосу, выделенную для передачи данных, что может являться существенным недостатком, если принять во внимание растущую популярность формата HD.

Преимущества

• Хорошо подходит для простых реализаций Triple Play услуг.
• Каждое RG (Residential Gateway) – устройство, установленное дома у клиента и подсоединенное к линии DSL или оптической линии связи – имеет идентичную конфигурацию.

Недостатки

• Плохо подходит для реализации модели Multiplay, т.к на стороне подписчика, каждая услуга подключена к определенному порту RG и связана с определенным сервисным устройством. Из-за этого, например, возникают проблемы с предоставлением услуги IPTV для просмотра широковещательных каналов видео на PC.
• Сильно затруднена реализация механизма динамического контроля доступной полосы пропускания при активации услуг (Call Admission Control, CАС). Из-за высокой вычислительной нагрузки на устройство (что связано с обработкой пакетов данных для каждого из сервисных VLAN и определением общего объема трафика для каждого абонента) реализация механизма не возможна на уровне отдельного устройства доступа или BNG (Broadband Network Gateway).

Клиентские VLAN (C-VLAN)

В модели клиентской VLAN (C-VLAN), схематично проиллюстрированной на рис. 2, используется индивидуальный VLAN для каждого абонента. Данная модель лежит в основе архитектуры сетей во многих системах передачи данных операторского класса для агрегации соединений по выделенной линии, Metro Ethernet, Frame/ATM, PON. Такая схема работы сети используется многими крупнейшими провайдерами услуг ШПД.

Преимущества

• Модель C-VLAN позволяет пограничному маршрутизатору эффективно управлять полосой пропускания для каждого абонента в отдельности, а также дает возможность простой реализации механизма САС.
• Модель хорошо подходит для предоставления услуг Multi-Play, где любое терминальной устройство в домашней сети подписчика (PC/Notebook, IP-phone, STB, MP3-проигрыватель, игровая приставка и т.д.) может подключиться к любой услуге.
• Внедрение новых услуг не требует изменений сетевых настроек устройств доступа и CPE.
• Снижение и унификация требований к устройству уровня доступа, что позволяет провайдеру приобрести самую выгодную по цене платформу для агрегации доступа.
• Разделение подписчиков на уровне VLAN упрощает процесс поиска и устранения неполадок в работе сети.

Недостатки

• В простейших конфигурациях Ethernet-кадры передаются через устройства доступа прозрачным образом. В результате каждый RG должен быть настроен индивидуально для работы со своим C-VLAN. (Некоторые аппаратные платформы могут удалять или менять теги VLAN до отправки пакета на порт RG, таким образом, исключая эту проблему).
• Применение модели C-VLAN в чистом виде плохо подходит для распространения трафика групповой рассылки. В этом случае репликация потоков осуществляется на уровне BSR, что требует более широкой полосы пропускания для соединения BSR (Broadband Service Router) и MSAN (Multiservice Access Node). (рис. 3) Данная проблема решается за счет использования гибридной схемы, где для одноадресного (Unicast) трафика по-прежнему используется С-VLAN, а для передачи широковещательного телевизионного трафика используется выделенный S-VLAN, часто называемый Multicast-VLAN (M-VLAN). (рис. 4)

  

• Некоторые платформы доступа (коммутары Ethernet, MSAN, PON) не поддерживают необходимое количество VLAN, требуемое данной моделью. Развитие технологий и снижение стоимости устройств данного класса в значительной степени нивелировали данную проблему. Использование стекирования VLAN-тегов (Q-in-Q) так же позволяет успешно бороться с этим недостатком модели.

C-VLAN: Пример использования стекирования VLAN-тэгов

Довольно распространенным способом организации связи на уровне сети доступа является использование промежуточного коммутатора для агрегации устройств доступа и подключения их к BSR. Однако стандартом IEEE 802.1Q предусмотрено, что номер VLAN может принимать значение от 0 до 4095, и в модели C-VLAN это очень быстро приведет к ограничению, которое не позволит на отдельном порту BSR собрать более 4095 подписчиков.

Выходом из положения является использование сразу двух - внутреннего (inner) и внешнего (outer) - тэгов VLAN, как показано на рис 5. Внешний тэг идентифицирует устройство доступа, он снимается или добавляется в заголовок Ethernet-кадра коммутатором при получении или отправки трафика соответствующему MSAN/GPON/коммутатору доступа. Внутренний тэг определяет номер CVLAN и соответственно подписчика, подключенного к устройству доступа. Данный механизм широко используется в операторских сетях ШПД и определен стандартом IEEE 802.1ad, который является расширением для IEEE 802.1Q.

Заключение

Сегодня используются все три топологии, описанные выше. Для не сложных сервисных моделей в сетях ШПД с большим объемом широковещательного телевизионного трафика успешно работает и часто применяется модель S-VLAN. Кроме того, модель сервисного VLAN чаще используется операторами, которые для доступа к различным сервисным платформам применяют разные сервисные маршрутизаторы. Нередко данная модель используется операторами предоставляющие оптовые услуги IPTV. Модель C-VLAN больше подходит для сетей, где особо важно разнообразие предоставляемых услуг (Multiplay) , сетей с высоким уровнем проникновения услуг VoD.