Разработка и исследование транспортной технологии для сетей ngn
На правах рукописи
Харитонов
Владимир Владимирович
РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ
ТРАНСПОРТНОЙ ТЕХНОЛОГИИ
ДЛЯ СЕТЕЙ NGN
05.12.13 – Системы, сети и устройства телекоммуникаций
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
САНКТ-ПЕТЕРБУРГ
2006
Работа выполнена в Санкт-Петербургском государственном университете телекоммуникаций им. проф. М.А. Бонч-Бруевича.
Научный руководитель: доктор технических наук, профессор
Г.Г. Яновский
Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор
Б.C. Гольдштейн
кандидат технических наук,
А.Д. Дойников
Ведущая организация: ГУП НИИ «Рубин»
Защита состоится «___»___________2006 г. в _____часов на заседании диссертационного совета К219.004.01 при Санкт-Петербургском государственном университете телекоммуникаций им. проф. М.А. Бонч-Бруевича по адресу: 191186 Санкт-Петербург, наб. р. Мойки, 61, ауд. 413.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета.
Отзыв на автореферат, заверенный печатью учреждения, просим высылать по указанному адресу на имя секретаря диссертационного совета.
Автореферат разослан «___»_____________2006 г.
Ученый секретарь диссертационного совета,
кандидат технических наук, профессор В.М. Пушкин
общая характеристика работы
Актуальность работы. В настоящее время активно обсуждается проблема создания мультисервисных сетей, т.е. сетей, обеспечивающих передачу трафика различного вида: данные, речь, видео,…. Важным вопросом при построении мультисервисных сетей является выбор технологии, на основе которой будут строиться такие сети.
Вопросы построения мультисервисных сетей активно исследуются в
работах отечественных (Б.С.Гольдштейн, А.Е.Кучерявый, А.Н.Назаров, Н.А.Соколов, М.А.Шнепс-Шнеппе, Г.Г.Яновский, и др.) и зарубежных (U.Black, J.Davidson, S.Fisher, J.M.Garcia, D.McDysan, D.Minoli, F.A.Tobagi, и др.) авторов.
Большинство специалистов в настоящее время склоняются к использованию технологии IP в качестве платформы для построения сетей NGN. Тем не менее, построение NGN на основе этой технологии сопряжено с рядом проблем, связанных с тем, что технология IP разрабатывалась как технология передачи данных, и передача трафика реального времени в рамках этой технологии сталкивается с рядом трудностей.
Таким образом, вопрос выбора транспортной технологии для построения сетей NGN нельзя считать окончательно решенным.
Цели и задачи исследования. Цель работы состоит в формулировании общего подхода к коммутации, на основе которого предлагается и исследуется вариант транспортной технологии для построения мультисервисной сети.
Для достижения поставленной цели в диссертационной работе решаются следующие задачи:
- анализ существующих сетевых технологий и их применимости для построения на их основе мультисервисной сети;
- формулирование обобщенного подхода к методам коммутации, анализ методов коммутации с точки зрения предложенного подхода;
- разработка нового метода коммутации блоков (КБ), совмещающего в себе преимущества методов коммутации каналов (КК) и коммутации пакетов (КП);
- разработка моделей расчета ВВХ для технологии КБ с постоянным и изменяемым интервалом мультиплексирования (ИМ), а также технологии КП;
- сравнение существующих методов коммутации и предлагаемой технологии на основе аналитических и имитационных моделей.
Методы исследования. Проводимые исследования базируются на теории вероятностей, теории численного анализа, теории массового обслуживания и методах имитационного моделирования.
Для численного анализа, проведения вычислений использовались математические пакеты Maple V, TableCurve 2D, TableCurve 3D.
Имитационное моделирование выполнялось с помощью разработанной автором программы на языке Java с использованием библиотек имитационного моделирования ППП AnyLogic 5.0.
Научная новизна. Основные результаты диссертации, обладающие научной новизной:
1. Обобщение существующих методов коммутации и формулирование обобщенного подхода к коммутации;
2. Разработка аналитических моделей для расчета ВВХ технологий коммутации блоков с ИМ постоянной длительности, коммутации блоков с ИМ переменной длительности и коммутации пакетов;
3. Решение задачи расчета параметров сети, работающей по методу КБ при заданных требованиях на разработанной аналитической модели;
4. Разработка модели на языке JAVA, моделирующей работу сети, построенной по предлагаемому методу. Модель позволяет моделировать сети произвольной топологии с различным количеством узлов (параметры сети, топология, количество узлов задается пользователем с помощью графического интерфейса).
Практическая ценность. Основным практическим результатом диссертационной работы является предложение прототипа сетевой технологии КБ, на основе нового подхода к коммутации, являющегося обобщением методов КП и КК, получение формул для расчета ВВХ для предлагаемой технологии, сравнение метода КБ с существующими на основе математических моделей.
Реализация результатов работы. Результаты диссертационной работы использованы при разработке патента РФ, что подтверждается соответствующим документом.
Апробация работы и публикации. Результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на всероссийских и международных научных конференциях: NEW2AN, AFCEA Summit, JASS’2005, а также на научно-технических конференциях и семинарах СПбГУТ.
Основные положения диссертации изложены в 5 статьях, 5 докладах на научно-технических конференциях, а также в патенте РФ.
Основные положения, выносимые на защиту:
1. Классификация методов коммутации;
2. Обобщенный подход к коммутации;
3. Прототип сетевой технологии, базирующийся на предлагаемом подходе;
4. Аналитические модели расчета параметров сети и ВВХ для предлагаемой сетевой технологии;
5. Имитационная модель сети, функционирующей по предлагаемой технологии.
Личный вклад автора. Основные результаты теоретических и прикладных исследований получены автором самостоятельно. В работах, опубликованных в соавторстве, соискателю принадлежит основная роль при постановке и решении задач и обобщении полученных результатов.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложений. Работа содержит 120 страниц текста, 60 рисунков и 7 таблиц.
Содержание работы
Во введении обоснована актуальность темы исследования, сформулированы цели и задачи работы, перечислены результаты, полученные в диссертации, определены практическая ценность и области применения результатов, приведены сведения по апробации работы и представлены основные положения, выносимые на защиту.
В первой главе диссертационной работы проведен анализ современного состояния мультисервисных сетей и тенденций их развития в направлении NGN, произведен анализ существующих методов коммутации и их применимости для построения мультисервисной сети.
Проанализированы существующие сетевые службы. В настоящее время появляется большое количество новых сетевых служб, трафик которых значительно отличается по виду и требованиям, которые он предъявляет к сети. При этом соотношение между трафиком разного вида может изменяться в будущем.
В главе сделан вывод о том, что мультисервисная сеть должна передавать разнородный трафик всех существующих видов, при этом сеть должна быть инвариантной к структуре трафика – соотношению между различными видами трафика и, прежде всего, между трафиком РВ и трафиком данных.
При построении мультисервисных сетей важным вопросом является выбор технологии, на основе которой будут строиться такие сети. В основе любой технологии лежит используемый метод коммутации. Традиционно выделяют следующие методы коммутации: коммутация каналов (КК), коммутация сообщений (КС), коммутация пакетов (КП), коммутация ячеек (КЯ). Каждый из указанных методов имеет свои достоинства и недостатки. Указанные методы условно можно объединить в две группы: КК и КП (рис. 1). Обычно эти две группы противопоставляют друг другу с точки зрения их свойств.
Коммутация каналов, используемая в телефонных сетях и в узкополосной ISDN, обеспечивает идеальные условия для передачи трафика реального времени (РВ). Важным преимуществом КК является то, что поддержка установленного соединения и обеспечение качества обслуживания требует минимальных усилий со стороны сети, так как ресурсы под эти соединения резервируются жестко. Основными недостатками КК считается плохое использование канальных ресурсов и недостаточная гибкость в их перераспределении.
Коммутация пакетов, наоборот, хорошо использует канальные ресурсы, но плохо подходит для передачи трафика реального времени (речь, видео), так как величина задержки при КП не постоянна и может изменяться в широких пределах, что плохо для передачи трафика РВ.
Каждый из существующих методов коммутации был разработан под трафик определенного вида и поэтому не всегда хорошо справляется с другими видами трафика (табл. 1).
табл..1Таблица 2
Применимость методов коммутации для разных служб
| Метод коммутации Тип службы | КК | КЯ | КП (виртуальный режим) | КП (датаграммный режим) |
| Передача коротких сообщений | – | – | – | +++ |
| Вэб | – | ++ | +++/++ | ++/+++ |
| Передача трафика видео с постоянной скоростью | +++ | ++ | ++ | – |
| Передача файлов большого размера | ++ | ++ | ++ | + |
| Передача голоса РВ | +++ | ++ | + | – |
| Видеоконференции | +++ | ++ | ++ | – |
В настоящее время решается задача построения единой МСС, которая будет передавать трафик всех существующих видов. Одним из способов создания такой сети является адаптация существующего метода коммутации для передачи видов трафика, к которым данный метод не приспособлен. Вторым подходом является поиск универсальной технологии, которая будет изначально разрабатываться как технология инвариантная к виду трафика.
На основании вышеизложенного сформулирован ряд требований, которым должна отвечать идеальная МСС. Такая сеть должна:
- обеспечивать информационную (целостность информации) и временную (сохранение временных соотношений между поступающими в сеть блоками данных) прозрачность;
- быть инвариантной к структуре трафика;
- обеспечивать прозрачную передачу трафика существующих сетевых технологий;
- поддерживать сервис с установлением соединения и сервис без установления соединения;
- при прочих равных условиях, обеспечивать QoS не хуже чем соответствующие существующие сетевые технологии;
- эффективно использовать сетевые ресурсы (канальные ресурсы и ресурсы сетевого оборудования).
Во второй главе диссертации рассматривается обобщенный подход к коммутации и предложена технология, базирующаяся на данном подходе.
Предлагаемый подход основан на технике статистического (асинхронного) мультиплексирования (синхронное мультиплексирование рассматривается как частный случай и также возможно) и предполагает возможность организации очередей. В то же время, в подходе задействованы элементы синхронности для упорядочивания трафика, которые характерны для КК. Все существующие методы коммутации и технологии, которые на них базируются, являются фактически частными случаями предлагаемого подхода.
В качестве базовых понятий введены два определения: коммутируемый блок данных и интервал мультиплексирования.
Под блоком данных понимается пакет (TCP/IP, Х.25,…), кадр (FR, Ethernet, РРР,...), ячейка (АТМ), байт данных (PSTN/ISDN) или, в общем случае, некоторая порция информации. Блоки данных могут иметь постоянный или переменный размер. Таким образом, можно говорить о том, что все современные технологии оперируют понятием «блока данных».
Отметим, что размер блока данных не является основным признаком метода коммутации. Так при КК блок данных может иметь размер и 100 и 1000 байт, как при КП.
В различных технологиях решение о выборе направления передачи может приниматься на третьем (TCP/IP, Х.25,…), втором (FR, Ethernet, АТМ,...) или первом (PSTN/ISDN) уровнях модели OSI. При отсутствии информации для передачи могут передаваться пустые блоки данных.
Под интервалом мультиплексирования (ИМ) для группы очередей понимается интервал времени, в течение которого реализуется обслуживание всех блоков данных, находящихся в очередях этой группы к началу данного интервала. Предполагается, что поступающие на входы узла коммутации блоки данных дифференцированы по каким-либо признакам (соединения, потоки, классы обслуживания, и т.д.) и для блоков данных, имеющих общий признак, выделена отдельная очередь.
В частном случае группа может состоять из одной очереди или, вообще, использоваться одна общая очередь. Количество блоков данных, содержащихся в интервале мультиплексирования, а также их размер может изменяться во времени. Соответственно, интервал мультиплексирования также может иметь переменную длительность. В общем случае может быть определено несколько ИМ для различных групп очередей.
Например, при коммутации каналов в цифровой телефонной сети общего пользования, ИМ – это цикл длительностью 125 мкс, в котором синхронно мультиплексируются однобайтовые блоки данных. ИМ в данном случае имеет постоянный размер и, соответственно, длительность во времени.
Присутствие ИМ в случае метода пакетной коммутации менее очевидно. В диссертации показано, что в случае КП ИМ также существует, однако имеет переменную длительность.
В главе 2 также исследованы методы идентификации блоков данных. Показано, что все существующие методы идентификации (позиции, метки, адреса) являются универсальными и не зависят от метода коммутации. Например, позиционная идентификация может быть успешно применена не только в КК, но и в КП. Идентификация блоков данных с помощью меток, применяемая в КП, может применяться в КК.
На основании введенных выше обобщений предложен метод коммутации, который назван методом коммутации блоков.
В предлагаемом методе коммутации блоков текущее время разбивается на интервалы одинаковой длительности, соответствующие базовому интервалу мультиплексирования (БИМ). БИМ представляет собой интервал времени, относительно которого отсчитывается положение фактических интервалов мультиплексирования (рис. 2).
Границы фактических ИМ могут изменяться во времени, таким образом, длительности разных ИМ могут отличаться. Тем не менее, существует некоторое максимальное отклонение границ фактического ИМ от эталонного БИМ (на рис. 2 отклонение обозначено символом ). Фактический ИМ может изменять свой размер только в определенных границах. Для каждого фактического ИМ существует соответствующий ему БИМ.
Блоки данных статистически мультиплексируются внутри интервалов мультиплексирования.
Данный подход позволяет улучшить статистическое мультиплексирование блоков данных внутри ИМ по сравнению с КК, так как, адаптируя длину ИМ динамически, можно успешно сглаживать пульсации трафика. Например, в случае, если в i-м ИМ передается относительно небольшое количество трафика, а (i+1)-й ИМ наоборот переполнен, (i+1)-й ИМ может быть расширен за счет уменьшения размера i-го ИМ.
На рис. 3 приведен пример мультиплексирования пульсирующего трафика в ИМ в случае использования ИМ фиксированного размера (рис. 3а) и в случае использования ИМ переменной длительности (рис. 3б).
Рис. 1. Интервалы мультиплексирования переменной длительности
На рис. 3а (ИМ фиксированной длины) хорошо видно, что в случае, если во время текущего ИМ пришло трафика меньше, чем может быть размещено внутри ИМ, часть ИМ остается незаполненной. В случае если объем трафика превышает размер ИМ, часть трафика теряется (на рис. 3а показано штриховкой).
При использовании ИМ переменной длительности (рис. 3б) при мультиплексировании трафика того же вида – потери значительно меньше.
Необходимо отметить, что в данном случае рассматривалась передача трафика РВ, чувствительного к задержкам. При передаче трафика не РВ, часть трафика, не помещающаяся в текущем ИМ, может быть оставлена в буфере для передачи в последующих ИМ.
Можно сказать, что сети КК «страдают» от слишком жесткого общесетевого регулирования, а сети с КП – от его отсутствия. Отсутствие общесетевого регулирования во временной области и приводит к тому, что в сетях с КП невозможно обеспечить временную прозрачность.
Обеспечение временной прозрачности в сочетании с инвариантностью к соотношению между различными видами трафика и эффективным использованием сетевых ресурсов, очевидно, требует некоторых элементов общесетевого регулирования. В предлагаемой технологии такое регулирование осуществляется введением интервала мультиплексирования переменной длительности (на разных участках сети длительность базового ИМ может быть разной). Именно в этом и состоит основной компромисс между КК и КП, реализуемый в предлагаемом подходе, так что каждый из конкурирующих методов коммутации является частным случаем предлагаемого метода. Если установить фиксированные значения интервалов мультиплексирования (цикл) и блоков данных (временной интервал) и перейти к синхронному мультиплексированию, технология примет вид КК. Если, наоборот не задавать четких границ изменения интервала мультиплексирования, а фактически изменять его длительность на каждом узле коммутации, в зависимости от изменения нагрузки, то будет произведен переход к КП.
В главе 3 описаны три разработанные аналитические модели, на основе которых произведено сравнение методов коммутации.
Для математического анализа предлагаемого метода коммутации и расчета ВВХ разработана математическая модель коммутатора блоков с изменяемой длиной интервала мультиплексирования.
Для сравнения предложенного метода коммутации с методом КБ с постоянной длительностью интервала мультиплексирования и методом коммутации пакетов разработаны модель КБ с ИМ постоянной длительности и модель КП.
Рассчитаны графики ВВХ для каждого из методов, и произведено сравнение методов коммутации на основе разработанных аналитических моделей коммутаторов.
Модель предлагаемого метода КБ с ИМ переменной длительности представляет собой мультиплексор, с множеством входов (по числу источников блоков данных) и общим выходом. На входы мультиплексора поступают блоки данных от разных источников. Мультиплексор передает их на выход, размещая их внутри интервалов мультиплексирования (рис. 4). Эффективность применения предлагаемой технологии рассмотрена на примере передачи только одного вида трафика, а именно – трафика реального времени (РВ), передача которого средствами КП сопряжена с наибольшими издержками. Передача трафика данных не рассматривается, так как его передача в предлагаемой технологии осуществляется так же, как и при КП. Эффективность сетевых механизмов используемых при передаче трафика РВ обычно предполагает расчет задержек и их вариации при допустимом уровне потерь блоков данных.
Предполагается, что передача осуществляется блоками данных постоянного размера так, что в пределах БИМ может разместиться n блоков данных (рис. 5).
Рис. 2. Положение ИМ внутри базового ИМ
Пусть вследствие пульсаций трафика (i–1)-й ИМ закончился раньше окончания соответствующего БИМ. Тогда начало i-го ИМ может быть смещено влево (т.е. начаться раньше начала соответствующего БИМ) на соответствующее число блоков данных, что обеспечивает возможность увеличения ИМ и передачи в нем больше чем n блоков данных. Максимально возможное смещение принято равным времени передачи n блоков, т.е. длительности БИМ. При этом i-й ИМ должен обязательно закончиться до начала (i+1)-го ИМ так, что для каждого ИМ всегда гарантируется длительность не менее БИМ (возможность передачи не менее n блоков данных).
С другой стороны, начало ИМ не может смещаться по оси времени влево относительно соответствующего ему БИМ более чем на длительность БИМ. Поэтому, если вследствие низкой нагрузки или пульсаций трафика оказывается, что конец i-го ИМ может разместиться в пределах (i–1)-го БИМ, то в конце i-го ИМ или после его окончания передаются “пустые” блоки данных (пауза в передаче) c тем, чтобы (i+1)-й ИМ начинался не ранее начала i-го БИМ.
Таким образом, максимальная длительность ИМ соответствует передаче 2n блоков данных, а минимальная – 0 блоков.
Рассматривается случай поступления блоков, при котором число установленных соединений равно N>n и все соединения имеют одинаковые параметры. Поступление блоков данных для передачи в очередном интервале мультиплексирования не зависит от предшествующих, блоки данных различных соединений поступают независимо, и вероятность появления блока данных одного соединения равна q. Вероятность появления ровно i блоков, подлежащих передаче в очередном интервале, определяется по формуле:
i=0,1,…, N
Среднее число блоков на входе системы: 
. Средняя эффективная пропускная способность системы за ИМ (такт) равна размеру БИМ: 
.
Поскольку рассматривается передача трафика РВ, то будем считать, что, если число блоков, подлежащих передаче в очередном интервале, больше, чем можно разместить в этом интервале, то “лишние” блоки отбрасываются, т.е. рассматривается система с потерями.
Аналитическая модель построена с использованием аппарата вложенных цепей Маркова. Состояние системы рассматривалось в моменты окончания интервалов мультиплексирования (окончания обслуживания блоков данных). Под состоянием понимается положение начала очередного интервала мультиплексирования относительно начала базового интервала мультиплексирования, как это показано на рис. 5. Общее число состояний равно n+1. Под заявкой понимается блок данных, подлежащий передаче (обслуживанию) в очередном интервале.
Матрица переходных вероятностей для такой цепи имеет вид:
| П= |
|
Необходимо заметить, что значения переходных вероятностей приведены для случая N 2n. В случае N<2n матрица принимает вид верхней треугольной в связи с тем, что вероятности прихода k>N заявок равны нулю.
В общем случае, переходные вероятности рассчитываются по формулам:
Стационарные вероятности Pi (i=0,1,2,…, n) – вероятности нахождения моделируемой системы в состоянии i находятся из системы уравнений равновесия вместе с условием нормировки:
, где 
– вектор-строка.
Вероятность потери k блоков – P(k) и среднее число потерянных блоков – kср определяются по формулам:
.
Вероятность потери блока рассчитана как:
, где =
Данную систему можно рассматривать как систему массового обслуживания (СМО) со следующими характеристиками.
- с потерями;
- с числом источников заявок равным N;
- с групповым поступлением заявок, при этом закон распределения времени между заявками для каждого источника – биномиальный;
- с групповым обслуживанием, при этом время обслуживания фиксировано и равно одному такту системы;
- с переменным числом обслуживающих приборов; число обслуживающих приборов варьируется от такта к такту; диапазон вариации:
; - с переменным размером буфера (размер буфера варьируется от такта к такту); диапазон вариации:
.
В символике Кендалла это может быть записано как: 
.
С помощью полученных формул построены ВВХ для метода КБ в трехмерной (рис. 6) и двумерной формах.
Вычисление ВВХ по полученным формулам для случаев n>80 затруднительно, в связи с большими размерами матриц и сложностью вычислений. Также начинает играть роль погрешность, вносимая вычислительной машиной, связанная с размером разрядной сетки.
В связи с этим произведена аппроксимация функций вычисления вероятности потери блока (рис. 7) с помощью функций следующего вида:
.
 |  |
| Рис. 3. Зависимость вероятности потери блока от нагрузки и длины ИМ | Рис. 4. График аппроксимирующей функции Y. Точками отмечены значения аппроксимируемой функции |
Полученные аппроксимирующие функции также использовались для решения задач нахождения параметров сети, работающей по методу КБ на основании требований, предъявляемых к сети.
Для демонстрации эффективности предложенного метода КБ с переменной длительностью ИМ разработана аналитическая модель КБ с постоянным размером ИМ. Вероятность потери блока для метода КБ с ИМ постоянной длительностью рассчитана как:
.
Для сравнения предложенного метода КБ с переменной длиной ИМ с методом КП разработана модель коммутатора пакетов. После анализа существующих моделей КП было принято решение построить собственную аналитическую модель КП в тех же терминах, что и рассмотренная выше аналитическая модель коммутации блоков. Это обусловлено необходимостью сравнения поведения моделей КБ и КП при тех же условиях.
Для построения аналитической модели для метода коммутации пакетов применен метод Марковских цепей. Рассматривается коммутатор пакетов с буфером емкостью n блоков данных. На коммутатор поступают заявки от N источников. Время дискретно. В каждый момент времени (такт) на коммутатор может поступить несколько заявок (максимум N). За каждый такт коммутатор обслу-
живает одну заявку из очереди (посылает в канал). Каждое состояние этой Марковской цепи характеризуется числом заявок в буфере коммутатора. За один такт в систему может поступить сразу несколько заявок, а обработана может быть только одна.
Получены формулы для расчета вероятности потери блока для данной модели:
, где 
.
, 
, 
, 
, 
.
На основании разработанных моделей произведено сравнение методов КБ с постоянной длительностью ИМ, КБ с ИМ переменной длительности и КП.
На рис. 8 приведены графики сравнения среднего числа потерь в зависимости от нагрузки для методов КП и КБ с ИМ переменной длительности, полученные с использованием описанных выше математических моделей при следующих параметрах: число источников – 64, нагрузка – 0.95, размер БИМ – 16, емкость буфера коммутатора пакетов – 16 и 32.
 а) |  б) |
Рис. 5. Зависимость вероятности потери блока от нагрузки
На рис. 8а приведен график зависимости вероятности потери блока от нагрузки для метода КБ с ИМ постоянной длительности (кривая 1) и метода КБ с переменной длиной ИМ (кривая 2). При нагрузке близкой к единице разница в вероятности потери пакета составляет примерно 350%. При нагрузке 0.95 –порядка 1000%. При более низкой нагрузке разрыв ещё более увеличивается. Таким образом, предложенный метод вариации длины ИМ позволяет значительно сократить потери.
На рис. 8б дополнительно к кривым вероятности потери блока для метода КБ приведены результаты, полученные для метода КП (кривые 3 и 3’).
При использовании метода КП средняя задержка коммутации меньше, чем при использовании метода КБ (для метода КБ задержка коммутации постоянна). Однако, при передаче трафика РВ необходимо учитывать вариацию задержки, вносимую каждым коммутатором. При этом появляется необходимость в сглаживающем джиттер буфере на сетевых окончаниях. Данный буфер выравнивает задержку для приходящих из сети блоков данных в соответствии с наиболее «задержавшимися» в сети блоками. Таким образом, сравнение методов КП и КБ при передаче трафика РВ необходимо производить при равенстве задержки коммутации для КБ максимальной величине задержки для КП. Поэтому при проведении сравнения размер буфера коммутатора пакетов выбирался равным размеру БИМ КБ (16 блоков).
Как видно из рисунка, предлагаемый метод КБ с переменной длиной ИМ (кривая 2) обеспечивает меньшую вероятность потери блока в сравнении с методом КП (кривая 3) при той же задержке. При загрузке близкой к единице разница в вероятности потери пакета составляет примерно 50%. При более низкой нагрузке разрыв ещё более увеличивается. При увеличении емкости буфера коммутатора пакетов в два раза, вероятность потери блока при КП несколько снижается (кривая 3'), однако, задержка при передаче трафика РВ при этом увеличивается в два раза по сравнению с методом КБ.
На аналитических моделях показано, что предложенный метод коммутации блоков с динамически изменяемым интервалом мультиплексирования позволяет значительно улучшить мультиплексирование и снизить потери в сравнении с использованием ИМ постоянной длительности, превосходя также КП по данному показателю. При этом, в отличие от метода КП, при КБ отсутствует джиттер, а значит и накладные расходы, связанные с эмуляцией временной прозрачности.
Четвертая глава диссертационной работы посвящена имитационному моделированию. Имитационная модель разработана на языке Java с использованием инструментария пакета моделирования AnyLogic 5.0.
В процессе исследований модель строилась поэтапно. Первоначально была построена модель коммутатора, работающего с множеством источников на входе и имеющим один выход для проведения сравнения результатов имитационного и аналитического моделирования.
На рис. 9 приведены графики вероятности потери блока на имитационной и аналитической моделях (N=100, n=10).
 а) |  б) |
Рис. 6. Сравнение результатов аналитической и имитационной моделей
а – ИМ постоянной длины, б – ИМ переменной длины
Линией с точками на графиках показаны результаты, полученные на имитационной модели, сплошной линией – результаты, полученные на аналитической модели. Из графиков видно, что в целом результаты, полученные на имитационной модели, соответствуют результатам, полученным на аналитической модели. Погрешность при этом составляет единицы процентов, что является хорошим показателем.
Выше рассматривались модели коммутаторов, в которых использовались биномиальные законы распределения количества заявок на входе. Мультимедиа трафик имеет свои особенности, и простые модели, такие как биномиальная модель, недостаточно точно описывают источники трафика такого типа. В связи с этим, для имитационного моделирования наряду с биномиальной моделью использовалась модель источников трафика On-Off, которая, как показано в ряде исследований, хорошо подходит для описания трафика РВ (использование данной модели трафика для построения аналитической модели затруднительно).
На рис.10 приведены результаты, полученные на имитационной модели коммутатора для сравнения биномиальных источников (кривая 1) и источников On-Off (кривая 2). Число источников трафика N=40.
 а) |  б) |
Рис.7. Сравнение источников On-Off и биномиального распределения.
а – ИМ постоянной длины б – ИМ переменной длины
Из рис.10 видно, что потери при передаче трафика источников On-Off выше, чем для случая биномиальных источников, что объясняется существованием зависимости между объемом трафика On-Off источников в различных ИМ.
Однако, качественно результаты не отличаются.
Сравнивая рис.10а и рис.10б можно заключить, что использование переменного ИМ позволило значительно (на несколько порядков) сократить потери, как при мультиплексировании трафика биномиальных источников, так и источников трафика On-Off. Таким образом, можно заключить, что предлагаемая технология обеспечивает эффективное мультиплексирования трафика, распределенного по закону On-Off.
В процессе исследования имитационная модель была расширена возможностью моделирования сети из множества коммутаторов. При этом предоставляется простой и удобный интерфейс для изменения сетевой топологии. В процессе исследования произведены эксперименты на нескольких сетевых топологиях. Моделирование производилось в режиме КБ с постоянной длительностью ИМ, в режиме КБ с ИМ переменной длины и в режиме КП.
На рис. 11 представлена одна из исследованных моделей сетей, состоящая из восьми узлов и восьми сетевых окончаний.
 | Рис. 8. Внешний вид модели сети из 8 узлов и 8 сетевых окончаний |
Результаты работы данной модели представлены на рис. 12. На рис. 12а представлены зависимости вероятности потери блока от загрузки при использовании БИМ размером 20 блоков: для сети КБ с постоянной длительностью ИМ (кривая 1), для сети КП (кривая 2) и для сети КБ с изменяемой длительностью ИМ (кривая 3). На рис. 12б – представлены результаты при использовании ИМ размером 40 блоков. Емкость буфера коммутаторов пакетов выбиралась равной размеру БИМ метода КБ.
 а) |  б) |
Рис. 9. Зависимость вероятности потери блока для сети из 8 узлов при использовании
буфера размером: а – 20, и б – 40
Применение ИМ переменной длительности позволяет значительно (на несколько порядков) уменьшить вероятность потери блока для сети из 8 коммутаторов по сравнению с использованием ИМ постоянной длительности при этом задержка остается фиксированной, как при использовании КК. По сравнению с КП выигрыш также составляет более 10% при нагрузке 0.95 и увеличивается с уменьшением нагрузки (100% при нагрузке 0.9).
Для других исследованных топологий сети результаты качественно не отличались. Таким образом, метод КБ показал свою эффективность при моделировании сетей, состоящих из множества коммутаторов и сетевых окончаний.
Заключение
В процессе проведенных в диссертационной работе исследований получены следующие основные результаты.
1. Рассмотрены существующие сетевые технологии с точки зрения возможности их применения для построения МСС. Сделан вывод о необходимости поиска новой технологии передачи информации.
2. Рассмотрены существующие методы коммутации, предложен общий подход к коммутации, при этом каждая из существующих сетевых технологий является частным случаем предложенного подхода.
3. На основании общего подхода предложен метод коммутации блоков для передачи мультимедиа трафика, обеспечивающий следующие преимущества:
а) сеть, построенная с использование метода КБ, обеспечивает временную прозрачность при передаче трафика РВ – фиксированную задержку;
б) метод обеспечивает высокую эффективность мультиплексирования, свойственную методу КП;
в) передача трафика РВ осуществляется с небольшими накладными расходами, механизмы обеспечения качества обслуживания заложены в сам метод коммутации, а не эмулируются;
г) передача трафика данных осуществляется с той же эффективностью, что и при КП;
д) предложенный метод инвариантен к структуре трафика – соотношением между его различными видами (доля трафика РВ по сравнению с технологией TCP/IP может быть увеличена более чем в 2,5 раза при сохранении допустимого уровня потерь);
е) предлагаемое решение обеспечивает мультиплексирование всех видов трафика (включая сигнализацию) в одном канале, эффективно используя и динамически распределяя между ними канальные ресурсы.
4. Эффективность предложенного метода показана на разработанной аналитической модели коммутатора блоков. В ходе работы получены ВВХ для предложенного метода КБ с переменной длиной ИМ, а также для методов КП и КБ с фиксированной длиной ИМ. Произведено сравнение с существующими подходами на основании аналитических моделей, в результате чего показана эффективность предложенного подхода.
5. Решены задачи определения параметров сети под заданные требования к задержке и уровню потерь с помощью аналитической модели.
6. Результаты аналитического моделирования подтверждены с помощью разработанной имитационной модели коммутатора блоков.
7. Исследование предложенной технологии на имитационных моделях сетей различных топологий также подтвердило высокую эффективность предложенного подхода.
Список публикаций по теме диссертации
- Харитонов В.В., Харитонов В.Х. О подходе к построению мультисервисной сети // Вестник Международной академии МАИСУ. 2003. №1. – СПб.: МАИСУ, 2003.
- Харитонов В.В. Транспортная система мультисервисной сети // Сборник трудов конференции "Техника и технология связи". Новосибирск, 2003.
- Харитонов В.В., Харитонов В.Х. Качество обслуживания и эффективное использование ресурсов в мультисервисных сетях // Вестник связи. 2004. №12.
- Харитонов В.В. Технология синхронно-асинхронной передачи // 56-я НТК профессорско-преподавательского состава, научных сотрудников и аспирантов: мат-лы – СПб.: СПбГУТ, 2004.
- Харитонов В.В., Харитонов В.Х. Способ коммутации при передаче и приеме мультимедийной информации – Патент № 2236092 (РФ). Заявка № 2003103729.
- Kharitonov V.V., Kharitonov V.K. Transport System for Multiservice Network // Next Generation Teletraffic and Wired/Wireless Advanced Networking Proceedings. Institute of Communications Engiineering, 2004.
Подписано к печати 04.05.2006.
Объем 1 печ. л. Тираж 70 экз.
Тип. СПбГУТ. 191186 СПб, наб р. Мойки, 61
