Проектирование Сетевого Оборудования NGN/IMS: Комплексное Исследование и Расчеты для Мультисервисных Сетей

По данным аналитических агентств, объем рынка IP-телефонии в России в 2023 году оценивался в диапазоне от 20 до 30 миллиардов рублей с прогнозируемым ежегодным ростом на 10-15%. Эта цифра не просто демонстрирует устойчивый рост, но и служит ярким свидетельством необратимости перехода к мультисервисным IP-сетям, в основе которых лежат концепции NGN и IMS. Из этого следует, что инвестиции в эти технологии становятся не просто выбором, а необходимостью для сохранения конкурентоспособности на динамично развивающемся рынке.

Введение: Актуальность Мультисервисных Сетей NGN/IMS в Современных Телекоммуникациях

Современный мир невозможно представить без мгновенного обмена информацией, видеозвонков, потокового мультимедиа и доступа к данным в любой точке земного шара. Традиционные сети связи, построенные на принципах коммутации каналов, с их жесткой архитектурой и ограниченным набором услуг, оказались неспособны удовлетворять экспоненциально растущие потребности пользователей и динамично меняющиеся требования рынка. Перед телекоммуникационной отраслью встала острая проблема: как обеспечить эффективную и масштабируемую передачу разнородного трафика – голоса, данных, видео – по единой инфраструктуре, сохраняя при этом высокое качество обслуживания и управляемость, одновременно преодолевая ограничения устаревших технологий?

Ответом на этот вызов стало появление и активное развитие сетей следующего поколения (Next Generation Network, NGN) и подсистемы IP Мультимедиа (IP Multimedia Subsystem, IMS). Эти архитектурные концепции представляют собой не просто эволюцию, а революцию в построении телекоммуникационных систем, предлагая гибкую, конвергентную и сервис-ориентированную платформу. Актуальность NGN/IMS определяется не только технической необходимостью, но и экономическими преимуществами для операторов, позволяя им быстро внедрять новые услуги, снижать операционные расходы и эффективно конкурировать на рынке.

Целью настоящей курсовой работы является проведение углубленного исследования и проектирование сетевого оборудования для мультисервисной сети NGN/IMS. В рамках работы будут детально проанализированы архитектурные принципы, функциональные возможности ключевых компонентов, а также выполнены необходимые расчеты для обеспечения требуемой производительности, емкости и надежности. Структура исследования построена таким образом, чтобы последовательно раскрыть каждую грань этой сложной, но чрезвычайно важной для современной связи темы, начиная от концептуальных основ и заканчивая практическими аспектами проектирования и перспективами развития в Российской Федерации.

Концептуальные Основы и Эволюция Сетей Следующего Поколения (NGN) и Подсистемы IP Мультимедиа (IMS)

Эволюция телекоммуникационных сетей всегда была обусловлена поиском баланса между технологическими возможностями и потребностями пользователей. От аналоговых телефонных сетей до широкополосного доступа и мобильной связи – каждый этап развития привносил новые парадигмы. В этом контексте NGN и IMS стали кульминацией идеи конвергенции, предоставив единую платформу для всех видов коммуникаций.

Понятие и Ключевые Характеристики NGN

Сети следующего поколения (NGN) – это не просто модернизированные версии традиционных сетей; это принципиально новая архитектурная концепция, призванная объединить все виды трафика на базе единой пакетной транспортной инфраструктуры. Согласно рекомендации МСЭ-Т Y.2001 (декабрь 2004 года), NGN определяется как пакетная сеть, способная предоставлять телекоммуникационные услуги, использовать множественные широкополосные транспортные технологии с поддержкой качества обслуживания (QoS), при этом функции, связанные с услугами, независимы от базовых транспортных технологий.

Ключевые характеристики NGN, подчеркнутые в этом определении, включают:

• Пакетная передача данных: Все виды трафика (голос, видео, данные) преобразуются в пакеты и передаются по IP-сетям, что обеспечивает гибкость и эффективность использования ресурсов.
• Разделение функций: Базовым принципом является отделение функций переноса и коммутации от функций управления вызовом и функций управления услугами. Это компонентное построение с использованием открытых интерфейсов позволяет каждому уровню развиваться независимо, минимизируя влияние на другие.
• Независимость услуг от транспорта: Возможность предоставления широкого спектра услуг (в реальном времени, мультимедийные, услуги доставки информации) независимо от используемой транспортной технологии (например, IP, ATM) и способа доступа.
• Поддержка QoS: Обеспечение требуемого качества для различных типов трафика, что критически важно для чувствительных к задержкам услуг, таких как голосовая связь и видео.
• Взаимодействие с традиционными сетями: Способность NGN интегрироваться с существующими телефонными сетями общего пользования (ТфОП), сетями передачи данных (СПД) и сетями подвижной связи (СПС), обеспечивая плавный переход.
• Общая мобильность: Предоставление абоненту возможности пользоваться и управлять услугами независимо от технологии доступа и типа используемого терминала.

Предпосылки появления NGN были многообразны и обусловлены динамикой рынка: открытая конкуренция между операторами, экспоненциальный рост цифрового трафика (в первую очередь за счет Интернета), постоянно растущий спрос на новые мультимедийные услуги, а также потребность в общей мобильности и конвергенции сетей и услуг.

Европейский институт телекоммуникационных стандартов (ETSI) сыграл ключевую роль в формировании первых спецификаций NGN. В рамках проекта TIPHON (Telecommunications and Internet Protocol Harmonization Over Networks) были заложены основы для миграции традиционных ТфОП/ISDN к сетям с пакетной коммутацией. Позднее, в ETSI TC TISPAN (Telecoms & Internet converged Services & Protocols for Advanced Networks), была разработана комплексная система стандартов NGN, направленная на замещение и интеграцию традиционных голосовых услуг в новую, пакетно-ориентированную архитектуру.

Концепция IMS: Интегрированная Платформа для Мультимедийных Услуг

Если NGN заложила основу для пакетной передачи всего трафика, то IP Multimedia Subsystem (IMS) стала архитектурной платформой, которая позволяет реализовать эти возможности на сервисном уровне. Концепция IMS была впервые представлена в документе 3GPP Release 5 в марте 2002 года, ознаменовав собой новый этап в развитии мобильной и конвергентной связи.

IMS – это не просто набор технологий, а унифицированное ядро, разработанное 3GPP для доставки широкого спектра мультимедийных услуг через IP-сети. Ее основная цель – объединить все виды связи (голос, видео, чаты, обмен файлами, присутствие, конференции) в единую IP-платформу. Это позволяет операторам поддерживать работу на различных сетях доступа (фиксированных, беспроводных, Wi-Fi, LTE/5G), быстро внедрять новые услуги и упрощать интеграцию с интернет-приложениями и сторонними сервисами.

Ключевым аспектом IMS является ее роль как основы для конвергенции фиксированной и мобильной связи (FMC — Fixed-Mobile Convergence). FMC направлена на предоставление единообразного набора сетевых и сервисных возможностей, независимых от технологии доступа. Пользователи могут получать одни и те же услуги с любого фиксированного или мобильного терминала, через любую совместимую точку доступа, что существенно повышает удобство и гибкость использования. Эта конвергенция позволяет операторам предоставлять услуги независимо от местоположения, технологии доступа или типа используемого устройства. Протокол SIP (Session Initiation Protocol), разработанный совместно 3GPP и IETF, стал основным управляющим протоколом для сетей IMS, что способствовало тесной интеграции телекоммуникационных сетей и Интернета.

Гипотетическая универсальность IMS открывает широкие перспективы ее внедрения не только в сетях 3G, но и Wi-Fi, WiMAX, а также в сетях фиксированной связи (ADSL, оптические). С учетом активного развертывания сетей 5G, IMS становится еще более актуальной, обеспечивая бесшовную интеграцию мультимедийных возможностей и уменьшение задержек. Рост внедрения Voice over LTE (VoLTE) и Voice over 5G (Vo5G) также стимулирует развертывание IMS, поскольку именно эта платформа обеспечивает голосовые услуги в пакетных сетях 4G и 5G. Архитектура IMS допускает независимую конфигурацию IMS и сетей доступа, что позволяет подключаться не только из домена PS (пакетная связь), но и из различных сетей доступа, включая 3GPP2, WLAN и фиксированные сети. Это делает IMS единой платформой для интеграции таких технологий, как 2G (GSM), 3G (UMTS), 4G (LTE/WiMax) и ТфОП, подтверждая ее роль как фундаментального элемента современных телекоммуникаций.

Архитектура NGN и IMS: Компоненты, Функциональные Блоки и Взаимодействие

Понимание архитектурных принципов NGN и IMS сродни изучению строения сложного организма: каждый орган выполняет свою функцию, но их взаимодействие обеспечивает жизнедеятельность всей системы. Эти сети построены по многоуровневому принципу, что позволяет гибко управлять ресурсами, услугами и приложениями, обеспечивая при этом высокую степень масштабируемости и надежности.

Функциональная Модель NGN: Уровни и Принципы Разделения

Концепция NGN предполагает построение сети по принципу функционального разделения, достигаемого за счет разнесенных на сети функциональных сетевых элементов. Рекомендация МСЭ-Т Y.2001 определяет следующие логические уровни сети NGN: уровня транспорта, уровня коммутации услуг связи, уровня приложений и уровня управления сетью. В общем виде функциональная модель NGN может быть представлена тремя основными уровнями:

1. Транспортный уровень (Transport Layer):
   • Функции: Отвечает за коммутацию и прозрачную передачу пользовательской информации (голос, видео, данные). Обеспечивает связность для всех компонентов сети и поддерживает одноадресную/многоадресную передачу медиа-взаимодействия. Этот уровень является фундаментом, обеспечивающим обмен информацией между различными сценариями: «пользователь-пользователь», «пользователь-сервисная платформа» и «сервисная платформа-сервисная платформа».
   • Технологии: В транспортном слое могут применяться все типы сетевых технологий, однако для построения NGN предпочтение отдается технологии IP с обязательной поддержкой качества обслуживания (QoS). Это может быть Ethernet, MPLS, DWDM и другие.
   • Пример: Роутеры и коммутаторы, обеспечивающие высокоскоростную передачу пакетов между различными узлами сети.
2. Уровень управления коммутацией и передачей информации (Call Control & Signaling Layer):
   • Функции: Этот уровень является «мозгом» сети, выполняющим обработку информации сигнализации, маршрутизацию вызовов и управление потоками медиа. Он функционирует как сервер вызовов (например, Softswitch), предоставляя функции управления вызовами и контролируя медиашлюзы.
   • Обеспечение QoS: На этом уровне также реализуются функции резервирования и выделения полосы пропускания, фильтрации пакетов, классификации трафика и трансляции сетевых адресов и портов (NAPT), что критически важно для обеспечения QoS.
   • Пример: Softswitch (гибкий коммутатор), который управляет установлением и разрывом соединений, а также взаимодействует с другими сетями через медиашлюзы.
3. Уровень управления услугами (Application & Service Layer):
   • Функции: Содержит функции управления логикой услуг и приложений, представляя собой распределенную вычислительную среду. Этот уровень обеспечивает создание и внедрение новых услуг, предоставление инфокоммуникационных услуг, взаимодействие различных услуг и управление услугами.
   • Гибкость: Уровень разработан таким образом, чтобы одна и та же логика услуги могла быть использована независимо от типа транспортной сети (IP, ATM и т.д.) или способа доступа. Он может включать сложный набор географически распределенных сервисных платформ или, в простейшем случае, набор функций, реализованный двумя конечными пользователями.
   • Пример: Платформы для VoIP, видеоконференций, IPTV, а также для специализированных мультимедийных сервисов.

Softswitch является центральным элементом уровня управления коммутацией и передачей информации в NGN. Согласно архитектуре, разработанной консорциумом IPCC, Softswitch предусматривает четыре функциональные плоскости:

• Транспортная плоскость: Отвечает за транспортировку управляющих сообщений, маршрутизации и мультимедийной информации (голос, видео) по каналам связи, обеспечивая взаимодействие IP-телефонии с другими сетями.
• Плоскость управления обслуживанием вызова и сигнализации (Call Control & Signaling Plane): Управляет основными элементами сети IP-телефонии, устанавливает и разрушает соединения для передачи пользовательской информации по сети. Здесь осуществляется обработка сигнализации, такой как SIP или H.323.
• Плоскость услуг и приложений: Содержит функции управления логикой услуг и приложений. Уровень приложений Softswitch (особенно программные коммутаторы 5-го класса) предоставляет расширенные возможности, помимо интерактивных меню. Эти функции охватывают:
  • Функции вызова: переадресация, ожидание, определение номера, удержание, перевод вызова, трехсторонняя конференция, «следуй за мной»/»найди меня», группы поиска, парковка вызова, общая линия, индикация занятости (BLF).
  • Сообщения и голосовая почта: голосовая почта, мгновенный обмен сообщениями (SIP SIMPLE).
  • Конференц-связь: возможности аудио- и видеоконференц-связи.
  • Обработка медиа: запись вызовов, транскодирование, медиа-ретрансляция/RTP-прокси, факс-сервер (T.38).
  • Безопасность и контроль: законное перехватывание (Legal Interception).
  • Интеграция с биллингом: поддержка предоплатных/постоплатных моделей, подписок, пакетов, бандлов и многоуровневого тарификации в реальном времени.
  • Корпоративная телефония (функции УАТС): автосекретари, набор по имени, внутренние номера.
  • Присутствие: функции сервера присутствия (SUBSCRIBE/PUBLISH).
• Плоскость эксплуатационного управления: Отвечает за мониторинг, конфигурацию, управление отказами и производительностью сети.

Платформа предоставления интеллектуальных услуг в NGN называется SDP (Service Delivery Platform). Она является ключевым элементом для операторов, позволяя быстро разрабатывать, внедрять и управлять новыми сервисами, используя открытые интерфейсы и стандартизованные протоколы.

Архитектура IMS: Ключевые Компоненты и Их Роль

Архитектура IMS, построенная по многоуровневому принципу, является воплощением сервис-ориентированного подхода. Она также включает прикладной, сервисный, контрольный и транспортный уровни, но с более специфическими компонентами, ориентированными на мультимедийные IP-услуги.

Ключевые компоненты IMS и их функции:

• P-CSCF (Proxy Call Session Control Function):
  • Первый узел IMS, через который проходит любой SIP-запрос от пользователя.
  • Выступает в роли прокси-сервера, перенаправляя SIP-сообщения между терминалом пользователя и другими элементами IMS.
  • Является внешним интерфейсом с терминалами пользователей и обеспечивает функции безопасности, такие как аутентификация и шифрование.
  • Может располагаться близко к сети доступа для минимизации задержек.
• I-CSCF (Interrogating Call Session Control Function):
  • Определяет, какой S-CSCF обслуживает пользователя, основываясь на информации из HSS.
  • Действует как посредник для взаимодействия с внешними сетями IMS или традиционными сетями.
  • Обеспечивает функцию балансировки нагрузки и топологического скрытия.
• S-CSCF (Serving Call Session Control Function):
  • Центральный узел сети IMS, выполняющий основное управление сессиями и регистрацией абонентов.
  • Обрабатывает все SIP-сообщения, устанавливает, модифицирует и разрывает сессии.
  • Обеспечивает применение сервисных политик и взаимодействие с прикладными серверами (Application Servers).
• HSS (Home Subscriber Server):
  • Центральное хранилище данных абонента, профилей и политики. Это эволюция HLR (Home Location Register) для сетей следующего поколения, таких как IMS и LTE, объединяющая функции HLR и AuC (Authentication Center) из сетей 2G/GSM и 3G/UMTS.
  • Дополнительные функции и данные, хранящиеся в HSS, включают:
    • Идентификация и адресация пользователя: IMSI (International Mobile Subscriber Identity) и MSISDN (Mobile Subscriber ISDN Number).
    • Информация профиля пользователя: Статусы подписки на услуги, информация о качестве обслуживания (QoS), на которую подписан пользователь (например, максимально допустимая скорость передачи данных или разрешенный класс трафика).
    • Генерация информации безопасности: Из ключей идентификации пользователя для взаимной аутентификации сети-терминала и шифрования/защиты целостности радиоканала.
    • Поддержка множества технологий и функций в едином программном дизайне: HSS для данных LTE, HSS для голосовых услуг IMS, HLR и AuC для 2G/3G, регистр идентификации оборудования (EIR) и функция определения местоположения абонента (SLF).
    • Межпротокольное взаимодействие: Поддержка SS7, Diameter, RADIUS, ИТ-протоколов.
    • Бесшовная поддержка множеств��нных идентификаторов/профилей для каждого абонента: Включая несколько IMSI и MSISDN.
  • HSS также участвует в аутентификации/проверке прав доступа и идентификации домашнего S-CSCF для пользователя.

Вспомогательные компоненты IMS:

• BGCF (Breakout Gateway Control Function): Выбирает подходящий медиашлюз (MGW) для вызова в ТфОП или CS-сеть.
• MGCF (Media Gateway Control Function): Управляет медиашлюзом (MGW) при взаимодействии с традиционными сетями (PSTN/CS). Преобразует сигнализацию из SIP в SS7 (и наоборот) и контролирует установление медиапотоков через MGW.
• MRFC/MRFP (Media Resource Function Controller/Processor): Отвечает за управление и обработку мультимедиа. MRFC контролирует MRFP, который выполняет функции микширования голоса для конференц-связи, транскодирования медиа и генерации объявлений.
• AS (Application Server): Предоставляют логику для различных IMS-сервисов. Существуют разные типы AS, например, SIP AS для услуг на основе SIP, IM-SSF для услуг IN сети, OSA-SCS для услуг через OSA/Parlay интерфейс.

Многоуровневое построение и четкое распределение функций между компонентами NGN и IMS обеспечивают высокую степень гибкости, масштабируемости и возможность быстрого внедрения новых услуг, что делает эти архитектуры основой современных и будущих телекоммуникационных сетей.

Функциональные Возможности и Услуги Мультисервисных Сетей

Ключевое отличие мультисервисных сетей NGN/IMS от их предшественников заключается в способности предоставлять единую, унифицированную платформу для широчайшего спектра услуг. Это не просто передача голоса или данных, а интеграция всего спектра коммуникаций, обогащенных мультимедийными возможностями и интеллектуальной логикой.

Спектр Услуг NGN

Концепция NGN изначально была ориентирована на возможность передачи по единому широкополосному каналу связи голоса, данных и видеоинформации. Это позволило значительно расширить традиционный набор услуг. NGN поддерживает широкий спектр сервисов, включая:

• Услуги в реальном времени:
  • VoIP (Voice over IP): Высококачественная голосовая связь через IP-сети, часто с улучшенным качеством по сравнению с ТфОП.
  • Видеоконференцсвязь: От простых видеозвонков до многосторонних конференций, обеспечивающих визуальное взаимодействие.
  • Интерактивное телевидение (IPTV): Доставка телевизионного контента через IP-сети с расширенными функциями, такими как «видео по запросу», запись передач, пауза и перемотка.
• Мультимедийные услуги: Интеграция различных видов трафика (голос, видео, текст) в единые комплексные сервисы.
• Услуги доставки информации:
  • Электронная почта: Стандартный сервис обмена сообщениями.
  • Мгновенные сообщения: Текстовые чаты, часто интегрированные с информацией о присутствии.
  • Обмен файлами: Передача документов, изображений и других данных.

Помимо перечисленных, NGN позволяет реализовывать более сложные конвергентные сервисы, которые сочетают в себе элементы разных типов трафика, например, интерактивные игры с голосовой связью и видео.

Сервисы IMS и Преимущества для Абонентов и Операторов

IMS берет концепцию мультисервисных сетей NGN и доводит ее до логического завершения, создавая унифицированное ядро для доставки голоса, видео, сообщений, присутствия, конференций и других сервисов по единой IP-инфраструктуре. Унификация в IMS достигается за счет использования стандартизированных протоколов, таких как:

• Session Initiation Protocol (SIP): Основной протокол для управления сессиями, установления, изменения и завершения голосовых и видеозвонков, а также других мультимедийных сессий.
• Session Description Protocol (SDP): Используется для описания параметров медиасессий (например, тип кодека, IP-адрес, порт), которые будут использоваться в рамках SIP-сессии.
• Diameter: Протокол для аутентификации, авторизации и учета (AAA — Authentication, Authorization, Accounting), обеспечивающий безопасность и биллинг услуг.

Внедрение системы IMS открывает для абонентов телефонной сети совершенно новые сервисы и расширенные возможности, преобразуя их коммуникационный опыт:

• Организация аудио-видео конференций: Гибкие и масштабируемые решения для многосторонних коммуникаций.
• eSpace: Интегрированная система с функциями обмена мгновенными сообщениями и телефонии, часто включающая информацию о присутствии и статусе.
• IP Centrex: Решение для корпоративных клиентов, позволяющее объединять территориально распределенные офисы или абонентов в одну виртуальную телефонную сеть, эмулируя функциональность офисной АТС без необходимости установки физического оборудования.
• Видеоконференцсвязь высокого качества: Обеспечение четкого изображения и звука для эффективного визуального общения.
• Green Call: Решение, позволяющее осуществлять перевод звонков без разрыва соединения между различными сетями (например, с мобильной на Wi-Fi и обратно) или устройствами.
• M-RBT (Multimedia Ring Back Tone): Услуга мультимедийный гудок, позволяющая абоненту вместо стандартного сигнала ожидания вызова слушать аудио и/или смотреть видеоролик.
• «Контроль присутствия» (presence): Отображение статуса доступности абонента (онлайн, занят, недоступен), что упрощает выбор оптимального способа связи.
• Услуги типа push-to-talk, push-to-view, push-to-video: Быстрая передача голоса, изображения или видео одним нажатием кнопки, напоминающая рацию.
• Мгновенный обмен сообщениями: Расширенные возможности чатов с поддержкой групповых сообщений и обмена файлами.

Для операторов преимущества IMS также значительны и носят стратегический характер:

• Объединение распределенных абонентов в общую сеть IP Centrex: Расширение корпоративных услуг и увеличение лояльности бизнес-клиентов.
• Увеличение дохода с абонентов (ARPU): За счет предоставления новых, более привлекательных и дорогих дополнительных услуг.
• Оптимизация трафика: Эффективное использование сетевых ресурсов благодаря пакетной коммутации и интеллектуальному управлению.
• Возможность расширения и модернизации сети: Гибкая архитектура IMS позволяет поэтапно наращивать мощность и функциональность без кардинальной перестройки.
• Возможность быстрого ввода новых услуг и внедрения приложений: Открытая, стандартизированная платформа значительно сокращает время вывода на рынок новых сервисов.
• Конкурентное преимущество: Операторы, внедряющие IMS, получают конкурентное преимущество благодаря стандартизированному, интегрированному в сеть решению, которое может обеспечивать превосходное качество обслуживания пользователей для WebRTC и OTT-сервисов даже при перегрузке сети. Это позволяет увеличивать доход за счет запуска новых мультимедийных услуг и голосовых услуг по LTE (VoLTE) и 5G (Vo5G).

Важно отметить, что абоненты сетей IMS/NGN абстрагируются от методов реализации сервисов электросвязи по принципу «черного ящика». Для них важен результат – высококачественная и доступная услуга, а не технологические тонкости ее предоставления.

Архитектура IMS определяет три типа приложений, которые могут быть интегрированы:

1. IMS Applications: Приложения, разработанные специально для среды IMS, использующие ее нативные интерфейсы. Примеры: SIP AS (Application Server) для услуг на основе SIP, IM-SSF (IP Multimedia Service Switching Function) для услуг интеллектуальной сети (IN), OSA-SCS (Open Service Access Service Capability Server) для услуг через интерфейс OSA/Parlay.
2. Applications: Приложения, работающие внутри инфраструктуры оператора связи, но не обязательно нативно использующие IMS-интерфейсы, хотя могут с ней взаимодействовать.
3. 3^rd party Applications: Приложения сторонних производителей, работающие вне инфраструктуры оператора, но способные взаимодействовать с IMS через стандартизированные открытые интерфейсы (например, через WebRTC шлюзы).

Программные коммутаторы 5-го класса (Softswitch Class 5), как уже упоминалось, играют ключевую роль в предоставлении абонентских услуг. Они предназначены для работы с абонентскими терминалами и выполняют функции аутентификации абонентов, осуществления, маршрутизации, переадресации, удержания звонков, обработки пользовательской информации (IVR) и поддержки различных кодеков. Их функционал является неотъемлемой частью богатого сервисного портфеля, который NGN/IMS предлагает современному пользователю.

Проектирование Сетевого Оборудования NGN/IMS: Расчеты и Анализ Характеристик

Проектирование мультисервисных сетей NGN/IMS – это сложный инженерный процесс, требующий не только глубокого понимания архитектуры, но и способности к точным расчетам. В отличие от традиционных сетей, где пропускная способность часто выделялась под каждое соединение, IMS-сеть оперирует пакетной передачей, где ресурсы выделяются по мере необходимости. Это требует особого подхода к оценке производительности и емкости ключевых элементов.

Расчет Производительности и Емкости Softswitch

Softswitch, являясь сердцем NGN и ключевым компонентом управления вызовами, должен обладать высокой производительностью и надежностью.

Основные характеристики Softswitch:

• Производительность: Оценивается максимальным количеством обслуживаемых базовых вызовов за единицу времени (обычно за час), а также количеством одновременных вызовов. Типовые значения производительности Softswitch варьируются от нескольких тысяч до десятков миллионов вызовов в час, в зависимости от класса и масштаба решения. Для Class 4 Softswitch, используемых в магистральных сетях, производительность может достигать миллионов вызовов в час, тогда как для Class 5 Softswitch, обслуживающих конечных абонентов, это могут быть сотни тысяч вызовов в час. Количество одновременных вызовов может достигать от 100 000 до 1 миллиона.
• Надежность: Обеспечивается за счет распределенной архитектуры, механизмов резервирования (например, N+1 или актив-пассив) и возможностей балансировки нагрузки, что позволяет достигать высокой доступности и отказоустойчивости.

Расчет скорости в интерфейсе «Softswitch — ШД» для обслуживания Шлюза доступа (AGW):

Скорость V_СШ в интерфейсе «Softswitch — ШД» (где ШД – это шлюз доступа или другой элемент, взаимодействующий с Softswitch) для обслуживания пользователей ШД может быть рассчитана по формуле, учитывающей интенсивности вызовов, количество и среднюю длину сигнальных сообщений:


VСШ = 5 ⋅ (11,11 ⋅ NТфОП + 77,77 ⋅ (NV5 + NУАТС) + 22,22 ⋅ NISDN + 5,55 ⋅ NШПД)


Где:

• V_СШ — скорость сигнального трафика в условных единицах.
• N_ТфОП — количество пользователей ТфОП.
• N_V5 — количество интерфейсов типа V5.
• N_УАТС — количество УАТС (PBX).
• N_ISDN — количество линий ISDN.
• N_ШПД — количество абонентов широкополосного доступа (ШПД).
• Коэффициенты (11,11; 77,77; 22,22; 5,55) отражают среднюю интенсивность сигнального трафика от различных типов абонентов или интерфейсов.

Пример расчета V_СШ:
Предположим, Softswitch обслуживает:

• N_ТфОП = 1000 пользователей ТфОП
• N_V5 = 50 интерфейсов V5
• N_УАТС = 20 УАТС
• N_ISDN = 100 линий ISDN
• N_ШПД = 500 абонентов ШПД

Тогда:


VСШ = 5 ⋅ (11,11 ⋅ 1000 + 77,77 ⋅ (50 + 20) + 22,22 ⋅ 100 + 5,55 ⋅ 500)
VСШ = 5 ⋅ (11110 + 77,77 ⋅ 70 + 2222 + 2775)
VСШ = 5 ⋅ (11110 + 5443,9 + 2222 + 2775)
VСШ = 5 ⋅ 21550,9
VСШ ≈ 107754,5


Это значение является условным показателем скорости сигнального трафика, который Softswitch должен обработать от подключенных к нему шлюзов доступа.

Расчет производительности Softswitch, обслуживающего Магистральный шлюз (TGW):

Производительность Softswitch, обслуживающего Магистральный шлюз (TGW), часто рассчитывается исходя из общего количества Эрланг, которое TGW может обработать, и количества транзитных вызовов в секунду (CPS — Calls Per Second).

Формула может быть представлена как:


PМШ = CPSМШ ⋅ Tср / 3600


Где:

• P_МШ — производительность МШ в Эрлангах.
• CPS_МШ — количество транзитных вызовов в секунду.
• T_ср — средняя продолжительность вызова в секундах.

Типовые значения CPS для магистральных Softswitch могут достигать от 500 до 10 000 CPS и выше, что соответствует обработке миллионов транзитных вызовов в час.

Минимальная суммарная производительность коммутаторов транспортной сети для обслуживания всех потоков от ШД и МШ определяется как сумма требуемых пропускных способностей для каждого элемента.

Выбор серверной платформы для Softswitch:

При выборе серверной платформы для Softswitch ориентируются на нагрузку в одновременных соединениях и максимальное количество абонентов. При этом учитываются следующие пороговые значения:

• Количество одновременных соединений: может варьироваться от 10 000 до более чем 1 000 000.
• Максимальное количество абонентов: от 100 000 до десятков миллионов.

Для обеспечения высокой производительности и отказоустойчивости часто используются многопроцессорные серверные платформы с объемом оперативной памяти от 16 ГБ до 128 ГБ и выше, а также дисковые подсистемы с высокой скоростью ввода/вывода (например, SSD или RAID-массивы).

Особенности Проектирования Абонентского Доступа, включая PON

Проектирование абонентского доступа в мультисервисной сети NGN/IMS имеет свои особенности, особенно с учетом доминирования технологий широкополосного доступа. Одним из наиболее перспективных решений является использование пассивных оптических сетей (PON — Passive Optical Network).

PON представляют собой оптоволоконные сети, в которых пассивные оптические разветвители (сплиттеры) распределяют один оптический сигнал между несколькими абонентами, снижая при этом потребность в активном сетевом оборудовании. Это обеспечивает высокую пропускную способность, надежность и экономичность.

Особенности проектирования абонентского доступа с PON в NGN/IMS:

• Высокая пропускная способность: PON (GPON, EPON, 10G-PON) обеспечивают гигабитные скорости доступа, что критически важно для мультимедийных услуг NGN/IMS (IPTV, видеоконференцсвязь 4K, облачные сервисы).
• Масштабируемость: Возможность подключения большого количества абонентов к одному порту OLT (Optical Line Terminal) через оптические сплиттеры.
• Энергоэффективность: Отсутствие активного оборудования между центральным узлом и абонентом снижает энергопотребление и эксплуатационные расходы.
• Долговечность: Оптические волокна устойчивы к электромагнитным помехам и имеют длительный срок службы.
• Интеграция с NGN/IMS: Оборудование PON (OLT, ONT/ONU) должно поддерживать механизмы QoS, необходимые для приоритизации различных типов трафика (голос, видео, данные) в NGN/IMS. Это включает маркировку пакетов и обеспечение гарантированной полосы пропускания для чувствительных к задержкам сервисов.
• Архитектурная гибкость: PON позволяет реализовать различные топологии («дерево», «шина», «кольцо») в зависимости от плотности застройки и требований к резервированию.

При проектировании мультисервисных сетей с архитектурой IMS/NGN необходимо учитывать принципиальное отличие от традиционных сетей с коммутацией каналов. В IMS-сети не устанавливается соединение при открытии сеанса связи или обработке вызова, и пропускная способность не выделяется, пока не возникает потребность в ее передаче. Это означает, что ресурсы сети используются более динамично и эффективно, но требует более сложного управления QoS и мониторинга загрузки для предотвращения перегрузок. Проектировщикам необходимо тщательно рассчитывать агрегированную пропускную способность на всех уровнях сети, учитывая статистические свойства трафика и вероятности одновременного использования ресурсов.

Обеспечение Качества Обслуживания (QoS) и Качества Опыта (QoE) в Сетях NGN/IMS

В современном телекоммуникационном ландшафте просто «рабочая» связь уже недостаточна. Пользователи ожидают безупречного качества голоса, четкого видео и мгновенной доставки данных. Именно поэтому обеспечение качества обслуживания (QoS) и качества опыта (QoE) является краеугольным камнем при проектировании сетей NGN/IMS. Эти два понятия тесно связаны, но описывают разные аспекты восприятия услуг.

Механизмы и Модели QoS

Качество обслуживания (QoS) – это набор механизмов и технологий, которые позволяют управлять приоритетами для различных типов сетевого трафика. Основная цель QoS – минимизировать потерю пакетов, задержку и джиттер (колебания задержки) в сети, устанавливая приоритеты для определенных типов данных. QoS может быть применена к любой технологии, которая управляет данными, обеспечивая дифференцированный подход к обработке трафика.

Ключевые параметры, которые можно приоритизировать с помощью QoS:

• Потеря пакетов: Процент пакетов, которые не достигли адресата. Критично для голосовой и видеосвязи.
• Джиттер (колебания задержки): Изменчивость во времени задержки между прибытием последовательных пакетов. Высокий джиттер приводит к «квадратам» в видео и «заиканиям» в голосе.
• Задержка (latency): Время, необходимое пакету для прохождения от отправителя до получателя. Высокая задержка мешает интерактивным приложениям.
• Приоритет сервиса или приложения: Например, голосовой трафик VoIP имеет более высокий приоритет, чем загрузка файлов.
• Приоритет интерфейса: Назначение приоритета трафику, проходящему через определенный сетевой интерфейс.
• Приоритет устройств по IP-адресу или MAC-адресу: Приоритизация трафика от конкретных поль��ователей или устройств.

Механизмы реализации QoS включают:

• DiffServ (Differentiated Services): Масштабируемый подход, использующий кодовые точки DiffServ Code Point (DSCP) в заголовке IP-пакета для маркировки трафика. Сетевые узлы (маршрутизаторы, коммутаторы) применяют различные политики обработки (очереди, управление полосой пропускания) в зависимости от значения DSCP.
• IntServ (Integrated Services): Обеспечивает строгие гарантии QoS для отдельных потоков данных путем резервирования ресурсов на каждом устройстве по пути следования трафика с использованием протокола RSVP (Resource ReSerVation Protocol).
• Очереди с взвешенным справедливым распределением (Weighted Fair Queuing — WFQ): Распределение полосы пропускания между различными потоками трафика в зависимости от их веса (приоритета).
• Предотвращение перегрузок (Congestion Avoidance): Использование алгоритмов, таких как Random Early Detection (RED), для заблаговременного уведомления отправителей о перегрузке, чтобы они снизили скорость передачи.

Существует три основные модели QoS, каждая из которых имеет свою сферу применения:

1. Best-Effort Services (негарантированная доставка пакетов): Это стандартная модель Интернета, при которой сеть старается доставить трафик без каких-либо гарантий по задержке, джиттеру или потерям. Подходит для трафика, некритичного к задержкам, такого как электронная почта или передача файлов. В условиях NGN/IMS эта модель применима только к наименее критичным данным.
2. Integrated Service (IntServ) (интегрированный сервис): Обеспечивает строгие, гарантированные показатели QoS для отдельных потоков данных. Работает по принципу резервирования ресурсов (полосы пропускания, буферов) на каждом устройстве по пути следования трафика с использованием протокола RSVP. Преимущество – очень высокие гарантии качества. Недостатки – плохо масштабируется в крупных сетях из-за необходимости поддержания состояния для каждого потока, что делает ее малопригодной для массовых операторских сетей. Подходит для приложений, требующих жестких гарантий, таких как видеоконференции высокого качества в небольших сетях.
3. Differentiated Service (DiffServ) (дифференцированное обслуживание): Предлагает масштабируемый подход, классифицируя трафик по классам обслуживания (CoS — Class of Service). Гарантии предоставляются на уровне класса трафика, а не индивидуального потока. Широко используется в корпоративных сетях и сетях операторов связи, включая NGN/IMS. Примеры классов:
   • Expedited Forwarding (EF): Для голосового трафика (VoIP) – минимальные задержки и потери.
   • Assured Forwarding (AF): Для бизнес-данных – гарантированная доставка при наличии свободных ресурсов, с несколькими уровнями приоритета.
   • Best Effort (BE): Для обычных данных.

Оценка Качества Опыта (QoE)

Качество опыта (QoE, Quality of Experience) – это общая субъективная удовлетворенность клиентов услугами интернет-провайдера. В отличие от объективных метрик QoS, QoE включает в себя субъективные и психологические факторы, такие как простота использования, стоимость, ожидания пользователя и его эмоциональное состояние. Главной метрикой объективных факторов QoE является качество обслуживания (QoS).

Методы измерения QoE:

• Для видео приложений: Чаще всего измеряется путем субъективных тестов, где группа экспертов оценивает качество видео по пятибалльной шкале для получения усредненного значения – MOS (Mean Opinion Score).
  • Типовые значения MOS для видеоконференцсвязи:
    • MOS ≥ 4.0: «отличное» качество.
    • MOS от 3.0 до 4.0: «хорошее» качество.
    • MOS от 2.0 до 3.0: «удовлетворительное» качество.
    • MOS < 2.0: «плохое» или «неприемлемое» качество.
  • Например, для видео высокой четкости (HD) ожидается MOS выше 4.0, тогда как для стандартного разрешения (SD) MOS может быть в диапазоне 3.0-4.0.
• Рекомендация ITU-T G.1080 определяет целевые значения QoE и показывает, как требования QoE могут быть выражены в числовых значениях сетевых параметров, таких как скорость передачи и вероятность потерь. Это позволяет использовать измерения QoS для предсказания QoE или для расчета требований к сетевым параметрам при заданном целевом QoE.

E-модель для оценки QoE речи и аудио:

Для оценки QoE речи и аудио Международным союзом электросвязи (ITU) предложена E-модель, которая предсказывает опыт пользователей во время разговора по VoIP-связи. Модель выражается R-фактором (Rating Factor) и имеет следующую формулу:


R = R0 - Is - Id - Ie + A


Где:

• R — результирующий R-фактор, характеризующий качество речи.
• R₀ — базовое отношение сигнал/шум, учитывающее фоновый шум и громкость сигнала.
• I_s — фактор, учитывающий громкость речи и наличие призвуков (шумов) во время разговора.
• I_d — уровень искажений, возникающий из-за задержек сигнала (задержка распространения, буферизация, эхо).
• I_e — оценивает влияние используемых кодеков (кодирование/декодирование) и оборудования (например, потерь пакетов, вызванных кодеком).
• A — допустимое снижение качества QoE (фактор выгоды или компенсации, например, от высокой доступности сервиса).

Интерпретация R-фактора E-модели:

• 90-100: «очень хорошее» качество связи.
• 80-90: «хорошее» качество.
• 70-80: «среднее» качество.
• 60-70: «удовлетворительное» качество.
• Ниже 60: «плохое» или «неприемлемое» качество.

Например, для обеспечения высокого качества голосовой связи (MOS > 4.0) требуются значения R-фактора не ниже 80.

Влияние показателя Хэрста на качество обслуживания:

Математическая модель оценки качества услуг связи в NGN/IMS может учитывать свойства самоподобного случайного процесса с показателем Хэрста (Hurst exponent, H). Этот показатель используется для характеристики самоподобия и долгосрочной зависимости трафика в сетях NGN/IMS, что позволяет более точно прогнозировать поведение сети и оптимизировать управление ресурсами.

• Значение H от 0,5 до 1 указывает на наличие долгосрочной зависимости (самоподобный трафик).
• Чем ближе H к 1, тем сильнее эффект самоподобия, что означает, что прошлые события значительно влияют на будущие.
• Для такого трафика традиционные пуассоновские модели неэффективны, и учет показателя Хэрста позволяет более точно моделировать задержки и потери пакетов, что напрямую влияет на QoS и, как следствие, на QoE.

Таким образом, комплексный подход к QoS и QoE, включающий как стандартизированные механизмы приоритезации, так и математические модели оценки субъективного восприятия и статистические свойства трафика, является залогом успешного проектирования и эксплуатации современных мультисервисных сетей NGN/IMS.

Безопасность и Отказоустойчивость Сетевого Оборудования NGN/IMS

Внедрение мультисервисных сетей NGN/IMS, при всех их преимуществах, сопряжено с новыми вызовами в области безопасности и отказоустойчивости. Открытость архитектуры, использование стандартных IP-протоколов и множественность видов доступа создают благодатную почву для различных угроз, требующих продуманных и комплексных решений.

Угрозы Безопасности в NGN/IMS

Архитектурная концепция IMS, являющаяся основой для построения NGN, имеет целый ряд уязвимостей, над которыми необходимо серьезно работать. Главные причины повышенной уязвимости сетей NGN/IMS – это:

• Распределенность и открытость архитектуры: Множество взаимодействующих компонентов, расположенных в разных точках сети, увеличивают площадь атаки.
• Использование протокола SIP в качестве управляющего: SIP – это сложный текстовый протокол, заголовки которого открыты для изменений, что делает его уязвимым.
• Множественность видов доступа: Подключение через различные технологии (мобильные сети, Wi-Fi, фиксированный доступ) увеличивает количество потенциальных точек входа для злоумышленников.
• Приложения оконечных устройств: Значительная часть функций в оконечных устройствах может управляться пользователями, что создает дополнительные риски при отсутствии должной защиты.

Основные угрозы безопасности IP-сетям следующего поколения NGN/IMS включают:

• Атаки типа «отказ в обслуживании» (DoS/DDoS): Направлены на перегрузку сетевых ресурсов или функциональных элементов (например, CSCF, HSS), что приводит к недоступности услуг для легитимных пользователей.
• Непредумышленные перегрузки трафиком (spoofing): Подмена IP-адресов или других идентификаторов для сокрытия источника трафика или для обхода фильтров.
• Вирусы и черви: Распространение вредоносного ПО, нацеленного на сетевые устройства или пользовательские терминалы.
• Фрод (мошенничество): Несанкционированное использование сетевых ресурсов с целью извлечения выгоды или обхода платежей. К конкретным типам фрода в сетях NGN/IMS относятся:
  • Терминационный фрод: Несанкционированное использование сетевых ресурсов (например, через взломанные АТС или шлюзы) для завершения вызовов, с целью обхода платежей.
  • Фрод с подменой номера (Caller ID Spoofing): Изменение идентификатора вызывающего абонента для скрытия истинного источника вызова, часто используется для спама или мошенничества.
  • Фрод с использованием уязвимостей сигнализации: Эксплуатация слабостей в протоколах сигнализации (например, SIP, Diameter) для генерации фиктивного трафика, несанкционированного доступа или перехвата вызовов.
  • Фрод с использованием услуг с повышенной стоимостью: Массовые звонки на платные номера или подписка на дорогие услуги без согласия пользователя.
• Кража идентификационных данных: Получение несанкционированного доступа к данным абонентов (профили, информация о подписке, учетные данные).
• Спам по Интернету (SPIT — Spam over Internet Telephony): Аналог email-спама, но для голосовых вызовов, что приводит к нежелательным звонкам и перегрузке ресурсов.

Уязвимости протокола SIP: Заголовки протокола SIP текстовые и открыты для изменений, что делает возможными:

• Перехват сессии и регистрации: Злоумышленник может перехватить данные аутентификации или информацию о текущей сессии.
• Подмена идентификации: Выдавать себя за другого пользователя или устройство.
• Перенаправление вызовов: Изменять маршрут вызова на свой собственный или на платный номер.
• Получение идентификационных данных: Извлечение чувствительной информации из SIP-сообщений.

Уязвимости сигнализации Diameter: Отчеты о безопасности IMS указывают на уязвимости сигнализации Diameter (например, утечка информации, DoS-атаки), которые могут привести к несанкционированному доступу к данным абонентов.

Атаки, генерируемые легитимными абонентами: Несмотря на существующие механизмы аутентификации (IPsec, SIP Digest) и авторизации через HSS, легитимные абоненты также имеют возможность генерировать атаки на инфраструктуру IMS. Примеры:

• Злонамеренные SIP-сообщения: Отправка специально сформированных SIP-сообщений, вызывающих сбои в работе CSCF или Application Server.
• Перегрузка ресурсов: Инициирование большого количества сессий или запросов на услуги, что приводит к истощению ресурсов сети и отказу в обслуживании для других пользователей.
• Использование уязвимостей приложений: Эксплуатация уязвимостей в прикладных сервисах IMS для получения несанкционированного доступа или манипуляции услугами.

Меры Обеспечения Безопасности и Отказоустойчивости

Требования к безопасности:
Рабочая группа консорциума 3GPP выработала строгие требования к обеспечению безопасности в сетях IMS, установив, что ее уровень должен быть по крайней мере не ниже, чем в традиционных сетях. Эти требования детализированы в спецификациях:

• TS 33.203 «3G security; Access security for IP-based services»: Определяет механизмы взаимной аутентификации между пользователем и сетью, шифрования и контроля целостности на уровне IP.
• TS 33.204 «3G security; Network domain security; IP network layer security»: Определяет требования к безопасности внутри сетевого домена, включая защиту сигнализации и данных.

Архитектурные решения для повышения безопасности:

• Физическое отделение P-CSCF: Элементы P-CSCF лучше физически отделить от S-CSCF и I-CSCF, размещенных в центре IMS. P-CSCF располагаются ближе к сетям доступа, выступая как первая линия обороны.
• Размещение нескольких P-CSCF на границе сети доступа: Целесообразно иметь несколько P-CSCF на границе с каждой сетью доступа для предотвращения DDoS-атак на ядро транспортной сети и минимизации влияния перегрузок трафиком. Это обеспечивает распределение нагрузки и устойчивость к атакам.
• Механизмы аутентификации и авторизации: Хотя в IMS существует механизм аутентификации абонентов с помощью IPsec и SIP Digest, а также авторизация доступа абонентов к услугам через HSS, необходимо постоянно совершенствовать эти механизмы и внедрять дополнительные системы обнаружения аномалий и фрода.

Меры Обеспечения Отказоустойчивости:

Отказоустойчивость критически важна для сетей NGN/IMS, обеспечивающих непрерывность предоставления услуг. При реализации систем с резервированием необходимо предусмотреть второй сервер с точно такими же характеристиками; в случае отказа одного из серверов вся обслуживаемая им нагрузка переводится на второй сервер. Для повышения отказоустойчивости применяются различные схемы резервирования:

1. N+1 резервирование: Один резервный компонент (сервер, маршрутизатор) готов взять на себя функции N активных компонентов. Это экономичное решение, но переключение может занять некоторое время.
2. Active-Standby (активно-резервная) конфигурация: Один сервер активно обрабатывает трафик, а второй находится в «горячем» резерве, постоянно синхронизируя данные и готовый к мгновенному переключению в случае сбоя активного. Время восстановления (Recovery Time Objective, RTO) при такой схеме может составлять менее 50 мс, обеспечивая практически бесшовное продолжение работы.
3. Географическое резервирование (Geo-redundancy): Размещение активных и резервных компонентов в разных географических точках для защиты от масштабных аварий (например, стихийных бедствий, перебоев с электропитанием в одном регионе). Это наиболее дорогостоящее, но и самое надежное решение.

Эти подходы обеспечивают высокую доступность услуг (до 99,999% и выше) и минимизируют время простоя, что является обязательным требованием для критически важных телекоммуникационных инфраструктур. Комплексное применение этих мер позволяет создать надежную и защищенную сеть NGN/IMS, способную противостоять современным угрозам и обеспечивать бесперебойное предоставление услуг.

Современные Тенденции и Перспективы Развития NGN/IMS в Российской Федерации

Российский телекоммуникационный рынок активно интегрируется в глобальные тренды, и концепции NGN/IMS играют в этом ключевую роль. Переход к мультисервисным IP-сетям не просто модное веяние, а стратегическое направление развития, закрепленное на законодательном уровне и поддерживаемое ведущими операторами связи.

Развитие и Внедрение NGN/IMS в РФ

Перспективными направлениями развития сети электросвязи Российской Федерации становятся реализация универсальной архитектуры IMS и создание конвергентной сети с функциями FMC (Fixed — Mobile Convergence) путем применения современных технологий. В рамках реализации универсальной архитектуры IMS и FMC в РФ операторы связи активно модернизируют свои сети, внедряя решения VoLTE (Voice over LTE) и VoWiFi (Voice over Wi-Fi). Эти технологии позволяют предоставлять голосовые услуги высокого качества через пакетные сети 4G/5G и Wi-Fi, что является прямым следствием использования IMS. Например, крупные российские операторы связи начали коммерческое предоставление услуг VoLTE в период с 2016 по 2019 год, а VoWiFi — с 2019 года, что демонстрирует активное движение в этом направлении.

Правовое регулирование также способствует внедрению NGN/IMS. Построение сетей на базе оборудования IMS в РФ определено правилами применения оборудования систем коммутации в приказах № 541-543 от 14.12.2015г. Министерства связи и массовых коммуникаций РФ. Эти документы устанавливают технические требования и условия для использования IMS-оборудования, обеспечивая стандартизацию и совместимость.

История внедрения перспективных технологий IMS/NGN российскими операторами начинается с 2010 года. С этого времени активно инвестируются средства в модернизацию инфраструктуры. Например, «Ростелеком» к 2015 году перевел значительную часть своей сети на технологии NGN/IMS, обеспечив мультисервисные услуги для миллионов абонентов. Другие крупные операторы, такие как «Мегафон», «Билайн» и МТС, также поэтапно внедряли IMS для запуска VoLTE, RCS (Rich Communication Services) и других конвергентных услуг, что подтверждает общую тенденцию к глубокой трансформации сетевой инфраструктуры.

Отечественный рынок ИТ развивается и совершенствуется в сфере IP-телефонии, поскольку за этими решениями — будущее. Российский рынок IP-телефонии демонстрирует устойчивый рост. По данным аналитических агентств, объем рынка IP-телефонии в России в 2023 году оценивался в диапазоне от 20 до 30 миллиардов рублей с прогнозируемым ежегодным ростом на 10-15%. Ключевыми игроками являются как крупные телеком-операторы («Ростелеком», «Мегафон», МТС, «Билайн»), так и специализированные провайдеры IP-телефонии, предлагающие услуги для корпоративного сегмента. Развитие рынка стимулируется увеличением спроса на унифицированные коммуникации, решения для удаленной работы и облачные АТС, что напрямую связано с возможностями, предоставляемыми NGN/IMS.

Вызовы и Перспективы Конвергенции

Несмотря на активное развитие, существуют и серьезные вызовы. Сложность организации мультисервисной телефонии заключается в разных стандартах построения и программных решениях для мобильных, фиксированных и интернет-сетей. Эти различия проявляются в:

• Протоколах сигнализации: SS7 в ТфОП, SIP в IMS, H.323 в некоторых IP-сетях.
• Кодеках: Различные кодеки для передачи голоса и видео (G.711, G.729, AMR, EVS), требующие транскодирования.
• Механизмах QoS и безопасности: Разные подходы к обеспечению качества и защиты между различными типами сетей доступа.

Интероперабельность между этими сетями требует сложных шлюзовых решений и стандартизированных интерфейсов, таких как те, что определены в архитектуре IMS.

Однако именно здесь и заключается ключевая роль IMS. Она является тем универсальным «переводчиком» и «интегратором», который позволяет преодолеть эти сложности. IMS обеспечивает единую сервисную платформу, абстрагирующуюся от особенностей доступа и транспорта, что упрощает внедрение новых услуг и управление ими.

Перспективы развития NGN/IMS в Российской Федерации обширны:

• Полная конвергенция: Дальнейшее развитие FMC, объединяющее голосовые и мультимедийные услуги для абонентов на любых устройствах и в любых сетях.
• Развитие 5G: IMS является неотъемлемой частью архитектуры 5G (5G Core), обеспечивая голосовые услуги (VoNR — Voice over New Radio) и другие мультимедийные сервисы с ультранизкими задержками.
• Edge Computing и IoT: Интеграция IMS с новыми парадигмами, такими как граничные вычисления и Интернет вещей, для предоставления специализированных услуг с локальной обработкой данных.
• Развитие унифицированных коммуникаций (UC): Предоставление комплексных корпоративных решений, объединяющих телефонию, видеосвязь, мессенджеры, присутствие, совместную работу в единой платформе.
• Импортозамещение: Развитие отечественных решений и оборудования для NGN/IMS, что является стратегически важным направлением для обеспечения технологической независимости страны.

Таким образом, NGN/IMS продолжают оставаться центральными концепциями в развитии телекоммуникаций в России, двигая отрасль к более гибким, эффективным и сервис-ориентированным сетям, способным удовлетворить постоянно растущие потребности цифрового общества.

Заключение

Проведенное исследование позволило глубоко погрузиться в мир мультисервисных сетей NGN/IMS, детально проанализировать их архитектурные основы, функциональные возможности, а также ключевые аспекты проектирования, обеспечения качества и безопасности. Мы увидели, как концепции NGN и IMS возникли как ответ на фундаментальные изменения в телекоммуникационной индустрии – экспоненциальный рост трафика, взрывной спрос на мультимедийные услуги и острую потребность в конвергенции фиксированных и мобильных сетей.

Мы подробно рассмотрели многоуровневую архитектуру NGN с ее транспортным уровнем, уровнем управления коммутацией и уровнем услуг, выделив роль Softswitch как центрального элемента управления вызовами и раскрыли его расширенные функциональные возможности. Архитектура IMS была проанализирована через призму ее ключевых компонентов – P-CSCF, I-CSCF, S-CSCF, HSS – каждый из которых играет свою уникальную роль в обработке SIP-запросов, управлении сессиями и хранении абонентских данных. Особое внимание было уделено эволюции HSS от традиционного HLR и его расширенным функциям в условиях современных пакетных сетей.

В части функциональных возможностей было продемонстрировано, как NGN/IMS преобразуют телекоммуникационный ландшафт, предлагая широкий спектр услуг – от VoIP и видеоконференцсвязи до IP Centrex, VoLTE/Vo5G и расширенных мультимедийных сервисов. Были подчеркнуты значительные преимущества для операторов (увеличение ARPU, оптимизация трафика, быстрое внедрение новых услуг) и абонентов (обогащенный пользовательский опыт, абстрагирование от технологий).

Особое внимание было уделено практическим аспектам проектирования, включая математические модели и расчеты производительности Softswitch, а также принципы выбора серверных платформ. Мы также рассмотрели специфику проектирования абонентского доступа с использованием технологий PON и подчеркнули принципиальное отличие IMS-сетей от традиционных в части динамического выделения пропускной способности.

Раздел, посвященный качеству обслуживания (QoS) и качеству опыта (QoE), стал центральным в понимании того, как технические параметры сети трансформируются в субъективное восприятие пользователя. Детальное описание моделей QoS (Best-Effort, IntServ, DiffServ) и методов оценки QoE (MOS, E-модель с R-фактором) дало представление о комплексном подходе к управлению качеством. Применение показателя Хэрста для моделирования самоподобного трафика подчеркнуло необходимость учитывать статистические свойства современных сетевых нагрузок.

Анализ безопасности и отказоустойчивости выявил ключевые уязвимости NGN/IMS, обусловленные их распределенной и открытой природой. Были идентифицированы основные угрозы – от DoS/DDoS до различных видов фрода и уязвимостей SIP/Diameter – и предложены конкретные меры защиты, основанные на требованиях 3GPP, а также архитектурные решения и схемы резервирования (N+1, Active-Standby, Geo-redundancy) для обеспечения высокой доступности услуг.

Наконец, мы проанализировали актуальные тенденции и перспективы развития NGN/IMS в Российской Федерации, включая внедрение VoLTE/VoWiFi, роль нормативно-правовой базы (приказы Минсвязи), динамику рынка IP-телефонии и вызовы конвергенции.

Таким образом, все поставленные цели курсовой работы были достигнуты. Исследование подтвердило значимость NGN/IMS как фундаментальных архитектурных концепций, определяющих будущее телекоммуникаций. Полученные знания и проведенные расчеты служат прочной основой для дальнейшего изучения и практического проектирования современных мультисервисных сетей.

Возможными направлениями дальнейших исследований могут стать углубленный анализ безопасности 5G Core на базе IMS, разработка новых моделей QoE для иммерсивных медиа, а также оптимизация алгоритмов управления ресурсами в условиях гибридных облачных инфраструктур NGN/IMS.

Список использованной литературы

1. Гольдштейн А.Б. Устройства управления мультисервисными сетями: SoftSwitch. [Электронный ресурс]. URL: http://niits.ru/public/2002/200204.pdf.
2. Нормативные правовые акты по вопросам применения средств связи. [Электронный ресурс]. URL: http://minsvyaz.ru/departments/rossvyaz/1718/2065/.
3. ОСТ 45.49-96. Общегосударственная телефонная сеть. Процедуры управления дополнительными услугами с телефонного аппарата.
4. Соколов Н.А. Российские производители: время перемен? // Вестник связи. 2007. № 10.
5. Гольдштейн Б.C. Отечественные производители телекоммуникационного оборудования // Connect! 2008. № 3. [Электронный ресурс]. URL: http://niits.ru/public/2008/2008-009-pp.pdf
6. Боев В.Д. Моделирование систем. Инструментальные средства GPSS World: Учеб. пособие. СПб.: БХВ-Петербург, 2004. 368 с.
7. Вендеров А.В. CASE технологии. Современные методы и средства проектирования информационных систем. М.: Финансы и статистика, 1998. 176 с.
8. Вентцель Е.С. Теория вероятностей. М.: Высшая школа, 1999. 576 с.
9. Бакланов И.Г. NGN: принципы построения и организации / под ред. Ю.Н. Чернышова. М.: Эко-Трендз, 2008.
10. Гаскаров Д.В. Интеллектуальные информационные системы. М.: Высшая школа, 2003. 256 с.
11. Емельянов А.А. Имитационное моделирование экономических процессов. М.: Финансы и статистика, 2002. 368 с.
12. Имитационное моделирование в оперативном управлении производством / Н.А. Саломатин и др. М.: Машиностроение, 1984. 208 с.
13. Калянов Г.Н. CASE-технологии: консалтинг в автоматизации бизнес-процессов. М.: Горячая линия – Телеком, 2000. 320 с.
14. Макаренко С.И., Чаленко Н.Н., Крылов А.Г. Сети следующего поколения NGN Next Generation Networks // Системы управления, связи и безопасности.
15. Архитектура SoftSwitch // Studwood.
16. Безопасность и фрод-контроль в сетях NGN/IMS // IKSMEDIA.RU.
17. IP Multimedia Subsystem (IMS) // TAdviser.
18. ITU-T Rec. Y.2001 (12/2004) General overview of NGN // Digital Watch Observatory.
19. Безопасность и фрод-контроль в сетях NGN/IMS // SEVENTEST.
20. Безопасность и фрод-контроль в сетях NGN/IMS. Часть II // IKSMEDIA.RU.
21. Исследование параметров качества обслуживания (QoS), определяющих качество восприятия пользователем (QoE) потокового видео при передаче через Интернет // КиберЛенинка.
22. Рынок оборудования и перспективы внедрения новых услуг на базе технологии IMS // J’son & Partners Consulting.
23. Расчет характеристик Softswitch // Studbooks.net.
24. Перспективы сетей IMS/NGN и IP-телефонии // ПРОТЕЙ Технологии.
25. NGN: парад гордости строителей // ComNews.
26. Исследование и оценка эффективности мультисервисных сетей NGN/IMS при передаче мультимедийных трафиков // КиберЛенинка.
27. Из опыта внедрения NGN на ГТС большой емкости // КиберЛенинка.
28. Справочная: что такое QoE и зачем с ним работать провайдеру // Habr.
29. ITU-T Y.2000-series – Supplement 21: NGN requirements for interworking with legacy IP-based networks // ITU.
30. Проблемы безопасности оборудования сетей NGN // КиберЛенинка.
31. Сети и услуги сетей нового поколения (NGN) — программа семинара // КОМСЕТ-сервис.
32. Как рассчитать конфигурацию Softswitch? // Элтекс Коммуникации.
33. Лекция. Протоколы работы системы гибкого коммутатора // Алматинский Университет Энергетики и Связи.
34. Технология Softswitch // VoxLink.