Egyszerű modellszámítások országos kiterjedésű hálózatra FLEXPLANET alapokon Fazekas Péter 1, Jakab Tivadar 2, Sipos Attila 2 {fazekasp, jakab, siposa}@hit.bme.hu 1 Mobil Távközlési és Informatikai Laboratórium, 2 Hálózatmodellezés és -tervezés Laboratórium Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem, Híradástechnikai Tanszék http://www.hit.bme.hu Cikkünkben hálózattervezési megfontolások alapján egy országos kiterjedésű nagysebességű vezetékes hálózat kialakításának főbb szempontjait tekintjük át, országos kiterjedésűn egy olyan hálózatot értve, amely aggregációs és gerinchálózati kapcsolódást és szolgáltatásokat nyújthat az ország 174 kistérségi központjának, és ezeken keresztül közvetve az összes magyarországi településnek. Megfontolásainkat feltételezett alkalmazási igényekből, szolgáltatási, technológiai és hálózati trendekből vezetjük le, és a hálózattervezés, a hálózatelemzés és a hálózatüzemeltetés általános tapasztalataival támasztjuk alá. A felvázolt koncepciót a stratégiai hálózattervezés és hálózatelemzés szakmaitudományos eszközeivel vizsgáljuk annak érdekében, hogy hozzájáruljunk a problémakörben folyó szakmai eszmecseréhez. Továbbá célunk, hogy a témakörrel intenzíven foglalkozó szakmai közösséggel megismertessük a BME Híradástechnikai Tanszékén kifejlesztett FLEXPLANET rendszer kereteiben rendelkezésünkre álló, és az adott problémakörben hatékonyan alkalmazható hálózattervezési és hálózatanalízis hátteret alkotó adatbázisokat és szoftvereszközöket. 1 Motivációk, célkitűzések Az infokommunikációs technológiák fejlődése és a potenciális alkalmazási területek folyamatos szélesedése a gazdasági versenyképesség, az állami szolgáltatások minősége és az elektronikus közigazgatás szempontjából meghatározó változásokat eredményez. Ennek a megváltozott műszaki feltételrendszernek a hálózatos oldalára koncentrálva szeretnénk cikkünkkel hozzájárulni a változásban rejlő lehetőségek kiaknázását elősegítő gondolatok kiérleléséhez. Megközelítésünk kiindulópontja, hogy a potenciális előnyök kiaknázásának alapja egy országos kiterjedésű nagysebességű, magas rendelkezési állású hálózat kialakítása. Egy ilyen hálózat kialakítása során meglévő hálózati erőforrások és új építésű hálózatelemek együttes alkalmazása adhatja a megfelelő megoldást. Ennek megalapozása érdekében cikkünkben a továbbiakban a kialakítandó hálózat topológiájára, azon belül is elsősorban a kábelhálózat lehetséges nyomvonalaira koncentrálunk a hálózat céljainak szolgálatába állítható meglévő infrastruktúrák (autópályák, magasabb rendű közutak, vasút, nagyfeszültségű távvezeték-hálózat) topológiája alapján. Az állami irányítás teljes körű infokommunikációs kiszolgálásához, az energiafelhasználás hatékonyságának javításához és a személyi biztonság magas fokú garantálásához szükséges országos kiterjedésű hálózati alapok kialakítása egységes, integrált megközelítésen alapuló hálózati koncepciót igényel. Az e-közigazgatás hálózati hátterének biztosításához elengedhetetlen mind az állami és önkormányzati intézmények (szolgáltatói oldal) csatlakoztathatósága, mind az ily módon elérhető szolgáltatásokhoz történő teljes körű állampolgári (felhasználói) hozzáférés hálózati feltételeinek megléte. Az intézmények csatlakoztatását célszerű közvetlenül a kormányzati hálózaton biztosítani, míg az állampolgári hozzáférés megvalósulásában a piaci alapú szolgáltatások jelentős szerepet játszhatnak, és ezek mellett csak az üzleti alapon várhatóan ki nem szolgált települések csatlakoztathatóságára célszerű koncentrálni. 1
A személyi biztonság magas fokú garantálása megköveteli a minden körülmények közötti kapcsolattartást és helymeghatározást, valamint szükség esetén az adott területen tartózkodó személyek egyidejű elérését. Megfelelő állami szabályozás és a rendelkezésre álló műszaki megoldások alapján a szolgáltatók ennek mobil hálózati feltételeit meg tudják teremteni, ugyanakkor a mobil hálózat ez okból szükséges új kiszolgálási pontjainak (bázisállomások) nagysebességű hálózati csatlakoztatása egyes területeken a még hiányzó vezetékes hálózati infrastruktúra kiépítését igényelheti. Az energiafelhasználás hatékonyságának növelésére egy ígéretes megoldás az elektromosenergia-fogyasztás és -termelés hálózatvezérléssel történő összhangjának megteremtése a Smart Gridek [1] alkalmazásával. Ennek telekommunikációs és ebből következően hálózati feltétele minden beavatkozási ponton a magas rendelkezésre állású hálózati szolgáltatás megléte, és minden fogyasztási pont kommunikációs hálózati elérése. Mindezek a célkitűzések egy országos kiterjedésű nagysebességű vezetékes hálózati infrastruktúra kialakításának szükségességét vetik fel. A megcélzott hálózat egyrészt meglévő hálózatok ésszerű kombinációjával alapja lehet egy kormányzati hálózatnak, az energiahatékonyság támogatását célzó megfontolások mentén a távközlési szolgáltatói és iparági-technológiai hálózatok együttműködésének kialakulásához járulhat hozzá, továbbá a korszerű mobil aggregáció kiterjedtségét és rendelkezésreállását javíthatja az infrastruktúra alapú együttműködések alapján. Egy ilyen hálózat fokozatos kialakításának további járulékos hozadéka lehet, hogy aggregációs és gerinchálózati csatlakozást és szolgáltatásokat nyújthat azoknak a közösségi, önkormányzati infrastruktúra-fejlesztéssel létrejött hálózatoknak, amelyek a helyi szolgáltatások bővítését, vagy az üzleti szolgáltatói verseny helyi erősítését célozzák. Az újgenerciós hálózati koncepció (Next Generation Networks) folyamatban lévő gyakorlati megvalósulása [2] megfelelő architekturális támpontot ad a fentieknek megfelelő célú hálózattal kapcsolatos megfontolásokhoz. Ennek alapján a hálózatnak egy egységes IP szolgáltatási platformot célszerű támogatnia alapvetően optikai transzporttechnológiákra alapozottan. A hangsúly a hálózat integrált részeire (aggregációs és gerinchálózati tartományok) helyezhető az IP csomagok szállítására alkalmas hozzáférési technikák széles választékát feltételezve (LTE, GPON, HFC, xdsl stb.) Alapvetően stratégiai megközelítéssel - azaz elsősorban a topológiai és architekturális kérdésekre összpontosítva - célszerű felvetni és elemezni a lehetséges megoldásokat. Mivel egy országos kiterjedésű hálózat létrehozása nagy beruházás-igényű, ezért a siker egyik záloga a potenciálisan felhasználható meglévő erőforrások, infrastrukturális elemek hatékony alkalmazása, a másik pedig a stratégiai megközelítésre alapozott változatok kialakítása és hálózattervezési módszerekkel történő elemzése és értékelése lehet. Mielőtt cikkünk érdemi részét kifejtjük, az olvasóban joggal felmerülő két kérdésre próbálunk válaszolni. Miért most ítéljük időszerűnek a téma felvetését? A problémafelvetés időszerűségét az infokommunikációs technológiáknak és szolgáltatásoknak a társadalmi és gazdasági viszonyokra gyakorolt kiterjedt hatása, valamint időszerű alkalmazási vonatkozások (e-kormányzat és e-közigazgatás intézményi és állampolgári oldalának teljes körűvé tételéhez, valamint a hatékony energiagazdálkodás minden fogyasztási pontot elérő mérési és vezérlési funkcióihoz szükséges hálózati feltételek megteremtése) indokolják. Miért gondoljuk, hogy mi is érdemben hozzá tudunk járulni a felvetett téma tárgyalásához? A fejlett és magas szakmai színvonalú versenyszféra vitathatatlan hazai jelenléte ellenére indokoltnak tartjuk a kérdéskör piaci értelemben független egyetemi nézőpontból történő megközelítését annak érdekében, hogy szélesebb érdekközösség megteremtésével kitűzhető stratégiai célok eléréséhez közösségi (önkormányzati, állami, európai uniós) erőforrásokat áttekinthető megalapozottsággal lehessen bevonni a szükséges fejlesztésekbe. Mindezek alapján cikkünk célja alapvetően hálózattervezői szempontból áttekinteni egy országos kiterjedésű nagysebességű optikai alapú hálózat kialakításának néhány főbb 2
kérdését. Emellett ezzel egyenrangú célunk bemutatni azokat a hálózattervezést támogató szoftverfunkciókat, amelyek a Budapesti Műszaki Egyetem Híradástechnikai Tanszékén kifejlesztett FLEXPLANET tervezőrendszer keretei közt stratégiai hálózattervezési célokra rendelkezésre állnak. Továbbá szeretnénk felhívni a figyelmet azokra a publikus információk összegyűjtésével és feldolgozásával létrehozott adatbázisokra is, amelyek megléte elengedhetetlenül szükséges egy országos kiterjedésű hálózat stratégiai modellszámításaihoz. Cikkünk a továbbiakban először összefoglalja a hálózattal, és elsősorban az optikai kábelhálózattal szemben támasztott követelményeket, majd felvázolja egy lehetséges hálózati megoldás kialakításnak kereteit. Ezután a témakörhöz kapcsolódóan áttekintjük a hálózattervezés szerepét, feladatait és röviden ismertetjük a FLEXPLANET hálózattervező és hálózatelemző rendszer keretében rendelkezésre álló funkciókat, és a kitűzött feladat megoldása során felhasználható adatbázisokat. Egy egyszerű illusztrációval szemléltetjük a kábelhálózat többszörös összefüggőségének jelentőségét, és az alternatív építési technológiájú kábelirányok alkalmazásának előnyeit, végül összefoglaljuk következtetéseinket. 2 Hálózati követelmények A továbbiakban megfogalmazzuk azokat a követelményeket, amelyek alapján egy országos kiterjedésű optikai hálózati infrastruktúra (kábelhálózat) stratégiai változatai felvázolhatók. Ennek során az alábbi kérdésekre adható válaszokból indulunk ki: Milyen pontokat szolgáljon ki közvetlenül a hálózat? Milyen szolgáltatási, üzemeltetési és fejlesztési követelmények hatnak a topológia kialakítására? Milyen technológiai megfontolások befolyásolhatják a topológia kialakítását? Az e-közigazgatással kapcsolatos megfontolásokból az összes olyan település hálózati csatlakozással kiszolgálandó, ahol állami és/vagy önkormányzati intézmény található, továbbá a teljes lakosság számára a nagysebességű hálózati szolgáltatásnak elérhetőnek kell lennie. Az energiahatékonyság növelését célzó megfontolások alapján az összes háztartás elérhetősége távlatilag elvárható, a vezérlési pontok magas rendelkezésre állású hálózati kiszolgálása elengedhetetlen. Ezeket a követelményeket végül a mobil hálózatokra alapozott segélykérő és riasztási rendszer pontjainak csatlakoztatási igénye teszi teljessé. Összegezve a kiszolgálandó csomópontokra vonatkozó követelményeket: mindez az összes több mint 3000 - település, valamint azon településen kívüli új mobil bázisállomások elérésének igényét jelenti, amelyek a segélyhíváshoz és riasztáshoz elengedhetetlen teljes országos lefedettség biztosításához szükségesek. Célkitűzésünknek megfelelően az állami és önkormányzati intézmények a hálózatra közvetlenül kapcsolódnak, de az ehhez szükséges helyi hozzáférési hálózati vonatkozásokkal most nem foglalkozunk. A lakossági csatlakozások szempontjából szintén figyelmen kívül hagyjuk a hozzáférési hálózattal kapcsolatos kérdéseket, és ezekben az esetekben is csak az aggregációs és gerinchálózati vonatkozásokra koncentrálunk. Egyszerűsítési megfontolásból cikkünkben az aggregációs hálózatokra vonatkozó célkitűzéseinket tovább szűkítjük, megkülönböztetve az aggregációs hálózatnak egy külső felhasználókhoz közelebbi és egy belső a gerinchálózathoz közelebbi tartományát. A továbbiakban a külső aggregációs hálózati tartományt is figyelmen kívül hagyjuk, és a belső aggregációs hálózat által kiszolgálandó hálózati pontokat a 173 kistérségi központtal azonosítjuk. További tárgyalásuk során ezek jelentik a hálózat által kiszolgálandó pontok körét. A hálózati szolgáltatásokkal kapcsolatos megfontolások alapját a szolgáltatások folytonossága, azaz a hibatűrő hálózati megoldások támogatása adja meg. A szolgáltatások 3
folytonosságára vonatkozó követelmény egyértelműen származtatható a személyi biztonsághoz kapcsolódó hálózati elvárásokból ugyanúgy, mint a e-közigazgatással és az energia-hatékonysággal kapcsolatosakból. Mindhárom eset ha különböző mértékben is, de az általános üzleti alapú szolgáltatásoknál magasabb követelményeket támaszt. Ennek megfelelően olyan hálózati topológia kialakítása szükséges, amely a követelmények teljesítéséhez elengedhetetlen hibatűrő architektúrákat megvalósító technológiai megoldásokat nem korlátozza. Az országos kiterjedésű szolgáltatói hálózatok pl. a Magyar Telekom IP-optikai gerinchálózatának tervezési és üzemeltetési tapasztalatai [10] azt mutatják, hogy a fejlett optikai berendezések alkalmazása a hazai hálózatméretek mellett (pl. regenerálás nélkül áthidalható távolság, optikai csatorna és multiplex rendszer kapacitása) nem ütközik technológiai korlátokba, így ilyen megfontolások közvetlenül nem kell, hogy befolyásolják a kábeltopológia kialakítását. Ennek megfelelően sem az optikai multiplex szakaszok, sem a regenerálatlan optikai csatornák által áthidalható távolságok nem korlátozzák a szóba jövő hálózati topológiákat. Mivel egy országos kiterjedésű hálózat létrehozása nemcsak költségigényes, de időigényes is, ezért a topológia kialakítása kapcsán célszerű a fokozatos fejlesztést szem előtt tartó megfontolásokat is figyelembe venni. A kiszolgálandó csomópontok körének meghatározása során már felmerült a hálózat hagyományos (gerinchálózat, aggregációs hálózat) struktúrán túli szerkezeti finomítása, bevezetve mindkét hálózati szegmensben a külső és belső tartományokat. Ha a szerkezetet nem csupán a kialakítandó kábelhálózat topológiájának tekintjük, de hierarchikus szerkezetet is rendelünk hozzá, akkor a hálózat logikai topológiájának kereteit is kijelöljük, és egyúttal egy - hierarchikus értelemben - felülről lefelé haladó lefedő (overlay) jellegű fejlesztési stratégia alapjait is megteremtjük. Egy ilyen fejlesztési stratégiának megfelelően először a belső gerinchálózat csomópontjait kiszolgáló mag kialakításával indulhat a hálózat létrehozása. Az így létrejött hálózati mag alapján egyrészt a hálózati magba tartozó pontok kiszolgálása a külső gerinchálózati tartomány kialakításával párhuzamosan megkezdődhet. Hasonló párhuzamossággal történhet meg a külső gerinchálózati pontok kiszolgálása és a belső aggregációs hálózati tartomány kialakítása is. Ez a logikai szerkezet mind a technológia- és rendszerválasztási jellemzők, mind a hálózat konfigurálása és üzemeltetése szempontjából irányadó lehet. A követelményeket összefoglalva cél egy olyan hálózat fizikai (optikai kábel) topológiájának kialakítása, amely hálózat kiszolgálja az összes kistérségi központot hibatűrő hálózati megoldásokat támogató szerkezetben, hierarchikusan strukturált gerinchálózati és aggregációs hálózati szegmensekre alapozottan. A hibatűrő hálózati megoldások támogatásához olyan fizikai topológia szükséges, amely a széleskörű üzemeltetési tapasztalatok alapján domináns kábelhibákkal szemben ellenálló, azaz pontosabban az egyszeres kábelhibák hatásának kiküszöböléséhez legalább kétszeres összefüggőségű fizikai topológiát biztosít. A hierarchikus szerkezet a fenti követelményt az egyes hierarchiaszintek között a legalább kétszeres összekapcsolás (dual homing) elvének megfelelő topológiákra korlátozza. 3 Egy lehetséges hálózati megoldás keretei Az előző pontban meghatározott követelmények teljesítésére olyan hálózati változatokat vázolunk fel, amelyek nagyban alapoznak olyan meglévő infrastrukturális elemekre, amelyek egyrészt számottevően mérsékelhetik egy új optikai kábelhálózat kialakításának költségeit, másrészt jelentően meg is gyorsíthatják a munkálatokat. Természetesen a meglévő infrastruktúra felhasználása mellett új elemek építése sem kerülhető el. A meglévő és új építésű infrastruktúra nyomvonalait a következők alapján feltételezzük: meglévő autópályák nagyfeszültségű (750kV, 400kV, 220kV) távvezeték-hálózat 4
vasúthálózat új építésű az első-, másod- és harmadrendű közutak mentén. esetleg a középfeszültségű elektromos oszlopokon. A távközlő és iparági-technológiai hálózati infrastruktúra kombinált alkalmazása nemcsak gazdaságossági célokat szolgál. A hibatűrő hálózati szolgáltatások biztosításához szükséges robusztusság a földrajzilag független kábelnyomvonalak mellett az alternatív építési technológiájú megoldásokkal is biztosítható, ami gyakran független nyomvonalat is jelent. A kormányzati célokat szolgáló hálózatok esetén a teljes intézményi és lakossági elérés mellett kiemelt rendelkezésre állást kell garantálni. Ez a követelmény ésszerű költséggel csak a távközlő és technológiai hálózatok közös felhasználásának tervezésével érhető el. Könnyű belátni, hogy az energiafelhasználás hatékonyságát javító vezérlő hálózattal szemben támasztott rendelkezésre állási követelményeket a villamos hálózatok mentén kiépített adathálózatok csak a távközlő hálózatokkal együttesen, integrált módon lehet teljesíteni. Ezen új követelmény eléréséhez a távközlő hálózatok és az üzemi (technológiai) hálózatok összehangolt tervezését kell biztosítani oly módon, hogy hasonló technológiákat alkalmazunk mindkét hálózatban, különböző nyomvonalon különböző építési technológiával telepített fényvezető kábeleken. Az autópályák mentén és az alacsonyabb rendű közutak mentén épített optikai kábelek építési technológiája azonos ugyan, de az autópályák mellett épített kábeleket a gerinchálózat kiemelt csomópontjainak összekapcsolásánál célszerű figyelembe venni a településeket elkerülő nyomvonalválasztás miatt. Az alacsonyabb rendű utak mentén épített kábelek esetén a gerinchálózati nyomvonal az aggregáló hálózat nyomvonalával azonos, ami gazdaságos hálózatépítést tesz lehetővé ugyan, viszont nagyobb meghibásodási kockázatot jelent. A hálózati csomópontok csatlakoztatása az alternatív építésű hálózati irányokhoz egyszerű modellel reprezentáljuk (1. ábra). Nyomvonalak autópálya első másodrendű út vasút nagyfeszültségű távvezeték településen kábelszakasz és belüli Csatlakozási pontok a települést reprezentáló hálózati pont vasútállomás transzformátor állomás közúti nyomvonal-csatlakozás csatlakozás távvezeték nyomvonalakhoz csatlakozás közúti nyomvonalakhoz csatlakozás vasúti nyomvonalakhoz alapértelmezés szerinti összeköttetések a településen belül végződő forgalom számára opcionális összeköttetések a tranzitforgalom számára 1. ábra Általános csomópontmodell 5
A potenciális kábelirányonként figyelembe vett nyomvonalak többsége (autópálya, nagyfeszültségű távvezeték-oszlopok, magasabb rendű utak elkerülő szakaszai) nem haladnak át a csatlakoztatni kívánt településen, Annak érdekében, hogy az ezek mentén telepített optikai kábelekhez csatlakoztatni lehessen kiszolgálandó pontokat, a lakott területen belül további összekötetések létrehozása, biztosítása szükséges. Ezen összeköttetések megvalósíthatóságával, biztosíthatóságával részleteiben nem foglalkozunk annak érdekében, hogy a megoldandó probléma méretét és bonyolultságát a kezelhető tartományban tartsuk. Mindössze annyit tételezünk fel, hogy a csatlakoztatás megoldható, és a kábelnyomvonalak szükséges függetlensége biztosítható. Az 1. ábrán egy általános eset topológiai (1. ábra felső része) és modellezési vonatkozásait (1. ábra alsó része) illusztráltuk. A település közelében rendelkezésre áll a feltételezett meglévő és új építésű infrastruktúra összes változata. Az egyes kategóriákhoz tartozó nyomvonalakhoz a települést reprezentáló csomópontot csatlakozási pontok közbeiktatásával kapcsoltuk hozzá. Ezek az összeköttetések (1. ábra alsó része, folytonos vonallal ábrázolt összeköttetések) az alapértelmezés szerinti modell részei, lehetővé teszik, hogy a település a különböző infrastruktúra-nyomvonalakon telepített kábelhálózatokra csatlakozhasson. Ezek a csatlakozások mind az induló és végződő forgalmakat, mind pedig a különböző hálózati szintű (IP, optikai csatorna) tranzitforgalmakat szállító összeköttetéseket reprezentálhatják A modell részét képezik továbbá azok az összeköttetések is (1. ábra alsó része, szaggatott vonallal ábrázolt összeköttetések), amik a települési csomópontban az optikai szál szintű tranzitálást hivatottak modellezni. A kábelhálózat logikai szerkezete hierarchikus, egy olyan többszintű hierarchiát (belső és külső gerinc, belső aggregáció) képez le, amiben az elképzelések szerint a közös nyomvonalakon kábel szinten elkülönülnek az egyes hálózati szegmenseket hordozó optikai kábelek. A 2. ábra sematikusan szemlélteti a hálózati szerkezetet, az 1. táblázat pedig az egyes hálózati szegmensekben csatlakoztatott csomópontokat, valamint a hálózati szegmensek jellemzőit foglalja össze. Települések: 3175 Kistérségi központok: 174 Távközlési csomópontok (53) topológiai kiegészítéssel: 69 Megyeszékhelyek: 19 Belső gerinchálózat Külső gerinchálózat Belső aggregációs hálózat Külső aggregációs hálózat 2. ábra Általános hálózati szerkezet 6
Az általános technológiai trendeknek megfelelően az optikai alapú gerinchálózatban újgenerációs DWDM eszközökre alapozottan, a nagyobb települések esetében a településen belül CWDM eszközökkel kombináltan valósíthatók meg a nagykapacitású összeköttetések. Az aggregációs hálózatban szolgáltatói alkalmazásokra továbbfejlesztett Ethernet (Carrier Ethernet Transport) - sötét szálakon, majd távlatilag CWDM rendszereken - adhatja a hálózati alapot. A végponttól végpontig terjedő IP szolgáltatásokat nagysebességű összeköttetéseket biztosító hozzáférések (PON, xdsl, LTE) terjeszthetik ki a felhasználókig. A technológiai trendek egy következményét lényeges külön is kiemelnünk. Az optikai hálózati technológiák gyors ütemű fejlődése és széles körű térhódítása megteremtette a lehetőségét a zárt célú iparági-technológiai és a nyilvános szolgáltatói hálózatok optikai alapú integrált alkalmazásának. A magas rendelkezésre állás biztosítására a gerinchálózatban az optikai csatorna szintű megoldások szolgáltathatják az elsődleges megoldásokat. Az optikai kábelhálózat topológiáját a potenciális nyomvonalak számbavételével ezen technológiai szerkezetnek megfelelően szükséges kialakítani. 1. táblázat A hálózati szerkezet áttekintése 1 Hálózati szegmens belső gerinchálózat külső gerinchálózat belső aggregációs hálózat külső aggregációs hálózat Hálózati szerep nagytávolságú, nagykapacitású összeköttetések nagytávolságú, nagykapacitású összeköttetések a forgalomaggregáció felső szintje a forgalomaggregáció alsó szintje Csomópontok főváros és megyeszékhelyek (19) távközlési csomópontok (vezetékes távbeszélő primer körzetek központjai: 53), néhány fontos topológiai ponttal kiegészítve (összesen 69) Topológia jellege többszörösen összefüggő legalább kétszeresen összefüggő (a belső gerinchálózat összeköttetéseivel kiegészülve) kistérségi központok (173) kétszeresen összefüggő (a gerinchálózat összeköttetéseivel kiegészülve) települések (3175) fa, gyökere a kistérségi központ Az eddigiekben megfogalmazott követelmények, valamint a feltételezhetően rendelkezésre álló infrastruktúra-nyomvonalak alapján az egyes hálózati szegmensek kábeltopológiájának kialakítására az alábbi lehetőségek kínálkoznak: A belső gerinchálózat (főváros és megyeszékhelyek) csatlakoztatása legalább kétszeres összefüggőséggel az autópályák és a nagyfeszültségű távvezetékek mentén egy megyeszékhely kivételével megoldható, ugyanakkor további két megyeszékhely esetében hosszabb közúti nyomvonalú kiegészítést is igényel. 1 A táblázat a teljes struktúra áttekinthetőség érdekében a jelen megközelítésben nem érintett külső aggregációs hálózati szegmenset is tartalmazza 7
3. ábra A belső és külső gerinchálózat pontjai és lehetséges topológiája az autópályák és a nagyfeszültségű távvezetékek és elsőrendű utak nyomvonala alapján Amennyiben a belső gerinchálózat mellett a külső gerinchálózat (hagyományos távközlési csomópontok) pontjait is figyelembe vesszük, akkor az előző nyomvonalakat az elsőrendű utakkal kiegészítve a kritériumoknak megfelelő topológia bőven rendelkezésre áll (3. ábra) a stratégiai tervezés kiindulópontjaként, és az elemzési munka alapjául szolgálhat. Ha azonban a belső aggregáció pontjait (összes eddig nem szereplő kistérségi központ) is hozzáadjuk a hálózathoz, akkor az autópályák és nagyfeszültségű távvezetékek, valamint az elsőrendű utak nyomvonalai mellett vasútvonalak nyomvonalait is számításba kell vennünk a megfelelő elérhetőséget biztosító topológia kialakításához (4. ábra), azonban egy pont elérése, valamint két további pont második elérési iránya így sem biztosítható. 4. ábra A belső és külső gerinchálózat, valamint a belső aggregáció pontjai és a hálózat lehetséges topológiája az autópályák és a nagyfeszültségű távvezetékek, az elsőrendű utak és a vasútvonalak nyomvonala alapján Az összes számításba vett település csatlakoztatásához a másodrendű utak nyomvonalát is figyelembe véve határozható meg egy olyan kiinduló topológia, amely megfelelő 8
nyomvonalak kiválasztását célzó stratégia tervezések és elemzések kiindulópontja lehet (5. ábra). A fentiekben áttekintett topológiai alapok jelenthetik a kiindulópontot azoknak a változatoknak a kidolgozásához és kiértékeléséhez, amelyek a stratégiai döntéseket megalapozhatják. 5. ábra A hálózati topológia összes potenciális iránya 4 A hálózattervezés szerepe, feladatai A stratégiai döntések megalapozása stratégiai szemléletű hálózattervezési megközelítést igényel. A hálózattervezés a hálózati erőforrások műszaki-gazdasági szempontból optimális konfigurálását és méretezését jelenti tudományosan megalapozott módszerek alkalmazásával [3]. A tervezés célját és időhorizontját tekintve számos különböző tervezési feladat fogalmazható meg a stratégiai tervezéstől a hálózatbővítésig és szolgáltatás-konfigurálásig. Ezek a tervezési feladatok különböző részletezettségű hálózatmodellek alapján az operációkutatás és a kombinatorikus optimalizálás eszköztárának felhasználásával szolgáltatnak eredményeket az üzleti folyamatok számára [4, 5]. A gyors technológiai fejlődés, a rövidülő innovációs ciklusok, a bizonytalanul prognosztizálható környezet módosult tartalmú, rövid tervezési időtávlatokat eredményez a nyilvános hálózati szolgáltatók gyakorlatában. Ennek egyik meghatározó jele a stratégiai tervezés felértékelődése. Bár a stratégiai hálózati víziónak alapvetően orientáló szerepe van, egy-egy távlati hálózatfejlesztési ciklusban többször is szükségessé válhat a stratégiai hálózati vízió átértékelése. A technológiák, a szolgáltatások fejlődése és a piaci helyzet változásai a hálózatok meghatározó jellemzőinek módosítását igényelhetik. Ezen változtatási szándékok hosszabb folyamatokban érvényesülhetnek, melyek tervszerű alapja a célszerűen meghatározott távlati hálózati vízió. A távlati hálózati vízió egy olyan célhálózatot körvonalaz, amely az aktuális és prognosztizálható feltételek és hatások mellett optimálisnak tekinthető (6. ábra). A stratégiai tervezés célja azoknak a hosszabb távon fennálló hálózatjellemzőknek a meghatározása, amelyek a hálózat alapvető képét határozzák meg. Ezek a hálózat logikai szerkezete és topológiája, a csomópontokban szükséges hálózati funkciók jellege, a technológia, továbbá mindezek, valamint a forgalmi prognózisok alapján a technológiák és a rendszerkapacitások megválasztását alapvetően befolyásoló hálózatjellemzők. A távlati (célhálózati) tervezés középtávú tervezési időszakokon áthúzódó megközelítésében a célhálózati terv szerepe csak orientáló, feladata megalapozni a hálózatnak a célhálózat által meghatározott irányba történő fejlesztését. A tervezési időtartományon belül a tervezés 9
megismétlődik, a célhálózat az időközben módosult feltételek mellett újratervezendő, mielőtt a tervezési lépések a távlatilag kitűzött időhorizontot elérnék. A technikát a tervezési gyakorlatban gördülő tervezésnek nevezik. Ennek lényege, hogy a távlati tervezési időhorizontján belül megtörténik a célhálózati terv aktualizálása, azaz gyakorlatilag a távlati időtáv által meghatározott időablak nem illeszkedő, hanem átfedő jelleggel halad előre. A megközelítést az a gyakorlati megfontolás teszi, teheti szükségessé, hogy a tervezési feltételrendszer meghatározó elemei (technológia, igények, piaci, gazdasági feltételek) a távlati tervezési időszakon belül is jelentősen megváltozhatnak. általános forgalmi prognózis műszaki feltételek költségmodellek stratégiai tervezés tapasztalati alapon zöldmezős megközelítés parametrikus modellek átviteli igények technológiák hálózati architektúrák hálózatvédelemi mechanizmusok célhálózat tervezése topológia tervezés csomóponti funkciók meghatározása hálózati funkciók rétegekhez rendelése erőforrások méretezése célhálózati szerkezet 6. ábra A stratégiai tervezés folyamata 5 A FLEXPLANET hálózattervező rendszer Közel harminc éve folyik távközlő hálózatok tervezésével kapcsolatos kutató-fejlesztő munka - és természetesen különböző formákban oktatás, képzés, továbbképzés a BME Híradástechnikai tanszékén, beleértve a szép és sikereket nem nélkülöző tradícióba a korábbi Híradástechnikai Elektronikai Intézetben folyó ilyen irányú tevékenységeket is [6, 7]. Ennek a munkának egyik meghatározó vonulata az az együttműködés, amelynek keretében a Magyar Telekom/Matáv/Magyar Posta PKI hálózattervezéssel foglalkozó szakemberei számára hálózattervezési módszerek, eszközök és sok esetben stratégiai tartalmú tervtanulmányok is születtek [ 8, 9, 10, 11]. A FLEXPLANET hálózattervező rendszer a harmadik generációs változata azoknak az integrált modellezési és szoftvereszközöknek, amelyeket a BME HT szakemberi kifejlesztettek és a professzionális szolgáltatói tervezési folyamatok igényeire adaptáltak [12, 13]. A FLEXPLANET rendszer kereteiben hálózattervezési és hálózatanalízis funkciók széles köre áll rendelkezésre többek között ng WDM, IP/MPLS, IP CET és PON hálózatok tervezésére, megbízhatósági és teljesítőképességi elemzésére. A tervezési és elemzési folyamatok alapja a hálózat-nyilvántartásokból és eszközkonfigurációs adatokból felépített hálózatmodell, valamint egy technológia-független rétegszemléleten alapuló hálózatmodellezési technika. A kettő együttes alkalmazása lehetővé teszi az eltérő szerkezetű és tulajdonságú hálózati szegmensek és technológiai rétegek egységes szemléletű modellezését, és a rendelkezésre álló tervezési és elemzési szoftvereszközök rugalmas és hatékony alkalmazását (7. ábra). 10
FLEXPLANET Általános tervezési adatok: - topológiai: pl. koordináták - technológiai: pl. mpx. hier. forgalom, igények hálózati terv Service layer IP transport layer WDM transport layer Physical carrier layer (cables) 7. ábra A FLEXPLANET hálózattervező rendszer Egy országos kiterjedésű hálózattal kapcsolatos tervezési és elemzési feladatok megoldhatósága érdekében az áltanos keretrendszert kiegészítettük két adatbázissal [14]. Ezek az adatbázisok nyilvános információk összegyűjtése, feldolgozása és rendszerezése alapján részletes topológiai információkat képesek szolgáltatni a hazai út-, vasút- és nagyfeszültségű távvezeték-hálózatok nyomvonalairól az Open Street Map [15] Magyarországra vonatkozó adatai, valamint a települések demográfiai adataira és közigazgatási besorolására vonatkozó KSH statisztikái [16] alapján. Az így rendelkezésre álló adatok a FLEXPLANET-rendszer funkcióival együttesen lehetővé teszik, hogy gyorsan és rugalmasan lehessen változatokat kiértékelni, esettanulmányokat kidolgozni egy országos lefedettségű hálózat stratégiai jellemzőinek meghatározására. Ilyen feladatok lehetnek a hálózat topológiai változatainak elemzése, a kiszolgálandó alkalmazások alapján egyszerű forgalmi prognózisok készítése, valamint néhány kiválasztott topológiai változat és prognózis alapján a technológia- és rendszerválasztást megalapozó erőforrás-szükségletek számítása. 6 Egy illusztráció Az alábbi egyszerű példával azt szeretnénk illusztrálni, hogy milyen jelentősége lehet a komplex hálózattervezői megközelítésnek. Példánkban a hálózati csomópontok egyszeres és kétszeres elérhetőségének a szolgáltatás rendelkezésre állására gyakorolt hatását számszerűsítjük, valamint az alternatív építésű hálózatok szerepét próbáljuk megvilágítani. Egyszerűsítési megfontolásokból csak a kábelhálózat hibáit vesszük figyelembe, a hálózati berendezéseket meghibásodási szempontból ideálisnak tekintjük. Így gyakorlati szempontból egy egyszerű becslést adunk a nyújtható szolgáltatás rendelkezésre állására. Tekintsünk példaként egy Budapest-Debrecen összeköttetést három lehetséges megvalósításban: autópálya mentén, magasabb rendű közutak nyomvonalán, nagyfeszültségű távvezeték nyomvonalán. Mindhárom esetben csak a kábelhibát és annak javítását figyelembe véve határozzuk meg az összeköttetés kiesési időarányát (DTR), azaz annak számszerű értékét, hogy egy 11
statisztikusan elegendően hosszú időszak mekkora hányadában áll rendelkezésre a kábeles összeköttetés. A számítás során alkalmazott paraméter-értékeket a 2. táblázat foglalja össze. 2. táblázat Megbízhatósági paraméterek 1 km-es kábelszakaszra Optikai kábel MTBF Javítás DTR építési módja [millió óra] [óra] alépítménybe telepített városi 1.5 4 2.60E-06 földbe telepített mezei (alapeset) 1.8 6 3.36E-06 autópálya mellett 2.2 4 1.88E-06 nagyfesz. oszlopokon 18 45 2.69E-06 Tipikus meghibásodási és javítási jellemzőnek a lakott területen kívüli, alépítménybe telepített kábelek üzemeltetési statisztikái alapján a szakirodalomban elfogadott értékeket tekintettük és ezekből származtattuk az eltérő körülményeket mérlegelő egyszerű becsléssekkel a többi esetet. A 8. ábrán szemléltetett eredmények alapján megállapítható, hogy különböző építési megoldásokkal biztosított kábel-összeköttetések hasonló rendelkezésre állási jellemzőkkel rendelkeznek. A 10-4 -es nagyságrendű kiesési időarány éves szinten több órás megszakadást fejez ki. Ez az érték nem felel meg a korábban megfogalmazott magas rendelkezésre állási követelményeknek, ezért tartalék összeköttetés alkalmazása szükséges. A két független nyomvonalú és építési technológiájú összeköttetés együttes alkalmazása már a 10-7 -es tartományba javítja a kiesési időarányt, ami éves szinten egy perc alatti átlagos hibaidőtartamot jelent. A számszerű jellemzők megerősítik azt az előzetes követelményt, hogy többszörös összefüggőségű topológia kialakítása szükséges, valamint alátámasztják azt a megfontolást is, hogy a többszörös összefüggőség alternatív építésű nyomvonalakkal biztosítandó. Budapest-Debrecen 1.E-03 8.E-04 6.E-04 4.E-04 4.29E-04 8.24E-04 6.05E-04 egy út autópálya mellett egy út közút(első rendű) mellett egy út 220 kv-os oszlopokon kétutas (autópálya+nagyfesz.) 2.E-04 0.E+00 DTR 2.60E-07 8. ábra A Budapest-Debrecen kábel-összeköttetés rendelkezésre állása különböző építési megoldásokat feltételezve 7 Összefoglalás, végkövetkeztetések Cikkünkben tervezési szempontból áttekintettük egy országos lefedettségű nagysebességű hálózat optikai topológiájával kapcsolatos főbb megfontolásokat, röviden ismertettük a hálózat lehetséges kialakítási változatainak stratégiai tervezéséhez-elemzéséhez hatékonyan felhasználható FLEXPALNET rendszert és kapcsolódó adatbázisait. Mindezek alapján stratégiai esettanulmányok, változatok kidolgozásának feltételei adottak, és ilyen változatok azonosítása után az elemzések hatékonyan elvégezhetőek. Az elemzések eredményeinek potenciális felhasználási körébe tartozhat egyrészt a meglévő hálózatok ésszerű kombinációjával és kiegészítésével kialakítható kormányzati hálózattal kapcsolatos gondolkodás, az energiahatékonyság támogatását célzó megfontolások mentén a távközlési szolgáltatói és iparági-technológiai hálózatok együttműködésének megfontolása, 12
valamint a korszerű mobil aggregáció kiterjedtségét és rendelkezésre állását javító infrastruktúra alapú együttműködések mérlegelése is. 8 Hivatkozások [1] Rahimi, F.; Ipakchi, A.; Demand Response as a Market Resource Under the Smart Grid Paradigm, IEEE Transactions on Smart Grid, Volume: 1, Issue: 1 2010, Page(s): 82-88 [2] Sipos Attila, Czinkóczky András, Horváth A Róbert, Németh Attila: A Magyar Telekom NGN hálózatfejlesztési Koncepciója. Híradástechnika LXI:(10) pp. 32-39. (2006) [3] EURESCOM P709 D3: Optical Network Planning http://www.eurwscom.de [4] Sipos A., Jereb L.: Kommunikációs hálózatok modellezése és tervezése a gyakorlatban. Híradástechnika LXIII:(8) pp. 6-12. (2008) [5] Jereb L, Sipos A: Hálózatok tervezése és analízise. Magyar Tudomány 168:(7) pp. 880-887. (2007) [6] Jereb L., Jakab T., Telek M.. Sipos A., Paksy G.: PLANET A tool for telecommunication network planning and its applications in Hungary, IEEE Journal On Selected Areas in Telecommunications Vol 12:(7) pp. 1261-1272. (1994) [7] Jereb L, Jakab T, Telek M, Paksy G, Szporny R, Sipos A: PLANET: Távközlő hálózatok számítógépes tervezése. Magyar Távközlés IV:(10) pp. 33-37. (1993) [8] T. Jakab, G. Horváth, É. Csákány, Ms L. Konkoly: Availability and QoS Performance Evaluation of Public Service IP Networks. In: Proceedings of 2007 International Symposium on Performance Evaluation of Computer and Telecommunication Systems. San Diego, Amerikai Egyesült Államok, 2007.07.16-2007.07.18., pp. 1-10. [9] Jakab T., Zsóka Z., Lakasot Zs., Konkoly Lászlóné, Liptákné Csákány Éva: A T-Com IP maghálózat megbízhatósági analízisének módszere. PKI Közlemények 50: pp. 150-178. (2006) [10] T Jakab, Zs Lakatos, P Szegedi, R A Horváth: Migration towards an All Optical Network layer. In: Proceedings of 12 th European Conference on Networks and Optical Communication NOC 2007. Stockholm, Svédország, 2007.06.19-2007.06.21. [11] P. Suskovics, T. Kárász, T. Jakab: Operational Database-related Modeling and Design of IP/MPLS AON Networks., In: Proceedings of 13 th European Conference on Networks and Optical Communication NOC 2008, Krems, Ausztria, 2008.07.01-2008.07.03. [12] E. Babics, É. Csákány, T. Jakab, R. Konkoly, L. Szandi: Operational Databases-related Multi-Layer Network Modeling to Support Network Development at Magyar Telekom.. In: Networks 2008: 13th International Telecommunications Network Strategy and Planning Symposium. Budapest, Magyarország, 2008.09.28-2008.10.02. ISBN: 978-963-8111-68-5 [13] Z. Zsóka, L. Jereb, T. Izsó, F. Unghváry: FLEXPLANET, a Flexible Multi-Layer Network Design Tool., In: Networks 2008: 13th International Telecommunications Network Strategy and Planning Symposium. Budapest, Magyarország, 2008.09.28-2008.10.02. ISBN: 978-963-8111-68-5 [14] Léhner L.: Forgalmi adatbázis és forgalomkoncentrációs topológiák magyarországi települések nagysebességű hálózati kapcsolatainak elemzéséhez, Diplomaterv, BME Híradástechnikai Tanszék 2010. [15] Központi Statisztikai Hivatal - A Magyar Köztársaság helységeinek letölthető adatai, http://portal.ksh.hu/pls/ksh/docs/hnt/hnt2009_letoltes_090101_ma.xls (2010. február 22.) [16] http://www.openstreetmap.com 13