Введение к работе
Актуальность проблемы обусловлена высокими темпами развития сетей связи Российской Федерации путем интегрального использования современных информационных технологий и перспективной тенденцией формирования технической политики ведущих операторов связи на основе концепции мультисервисно-го обслуживания Классическая цифровая сеть электросвязи превращается в единую мультисервисную сеть связи (МСС), к которой предъявляются такие требования, как
- передача разных видов трафика, в том числе мультимедийного трафика (данные + голос + видео) в едином пакетном виде:
- обеспечение заданного качества сервиса при передаче всех видов трафика и в том числе, трафика реального времени.
- возможность построения виртуальных частных сетей для корпоративных заказчиков.
- обеспечение высокоскоростного доступа пользователей к сетевым ресурсам,
- повышенная надежность сети путем дублирования и замены сетевых компонентов.
- единые средства управления услугами и сетевыми ресурсами
Как на уровне доступа, так и на транспортном уровне мультисервиснои сети эффективно используется технология ATM, интегрированная со всеми существующими технологиями коммутации пакетов В последнее время технология коммутации меток MPLS (Multiprotocol Label Switching) на базе протоколов IP интенсивно развивается и конкурирует с технологией ATM Привлекательность МСС для пользователей определяется возможностью получения мультимедийной информации по одной линии связи, соединяющей абонента с сетью, что требует создания сетей с высокой пропускной способностью Развитие технологий абонентского доступа (симметричного и асимметричного xDSL-доступа) в последние годы идет в направлении повышения скоростей передачи Одно из наиболее динамично развивающихся направлений расширения спектра предоставляемых услуг - использование имеющейся сети абонентского доступа на медных кабелях для реализации услуги «Видео по заказу», называемой интерактивным телевидением
Интеграция в сетях с коммутацией пакетов различного по своей природе трафика, а также особенности используемых технологий передачи данных и повышенная активность пользователей сетей являются причинами проявления фрактального (самоподобного) характера сетевого трафика, который подразумевает повторяемость распределения нагрузки во времени в различных масштабах, называемую масштабной инвариантностью Влияние фрактальных свойств мультисервисного трафика проявляется в появлении мощных пиковых выбросов: вызывающих значительные потери пакетов Это справедливо и для случаев, когда суммарная потребность передачи всех потоков существенно меньше максимально допустимых значений Распределение запросов пользователей и предпочтений обладают сильными флюктуациями Наличие автокорреляции во времени у сетевого трафика существенно влияет на пропускную способность сетей связи и эффективность ее использования
Современные технологии коммутации пакетов позволяют вести одновременную передачу сообщений информационных потоков с разными требованиями к качеству передачи, располагая широкими возможностями по регулированию интенсивности трафика в зависимости от состояния сети и класса предоставляемых услуг Исследования в области анализа трафика современных сетей с коммутацией пакетов показывают, что трафик сетей, обеспечивающих предоставление интегрированных услуг передачи голосовой информации, данных, видео может быть моделирован фрактальным броуновским движением
В ряде научных работ исследовано влияние фрактальных свойств трафика сетей с коммутацией пакетов на размер буферов коммутационных устройств Научный интерес представляет разработка методов оценки одного из основных показателей качества обслуживания информационных потоков в мультисервисной сети с коммутацией пакетов - вероятности потери ячеек (пакетов) в узлах при их передаче по сети Практический интерес представляет расчет длины буферов в мультиплексорах и коммутаторах сети с коммутацией пакетов с учетом изменения структуры потоков трафика при внедрении новых информационных услуг
Анализ трафика современных сетей коммутации пакетов показывает, что трафик сетей, представляющих интегрированные услуги передачи голосовой информации, данных и видео, может быть моделирован фрактальным броуновским движением Б ряде научных работ исследовано влияние фрактальных свойств трафика сетей с коммутацией пакетов на размер буферов коммутационных устройств Отметим исследования Назарова А Н , Неймана В И , Норроса И , Ше-лухина О И , ТенякшеваА М , Степанова С Н , Цитовича И И
Однако во всех работах обслуживаемый трафик описывался случайным процессами с одинаковыми интегральными свойствами марковскими процессами и их обобщениями или самоподобными процессами с фиксированным значением параметра Херста
В диссертационной работе исследованы возможности обеспечения высокого качества передачи информации в мультисервисной сети при совместной передаче потоков речевого трафика и трафика видеоприложений, а также предложен метод управления качеством предоставления услуг путем регулирования емкости буферов в коммутаторах сети, учитывающий интенсивность потоков трафика разного вида и различную степень их влияния на качество обслуживания абонентов, а также специфику предоставления услуг разного вида на сетях с коммутацией пакетов
Целью диссертации является исследование метода, позволяющего производить расчет характеристик обслуживания с учетом фрактального характера смеси потоков трафика в мультисервисной сети связи и разработка с его помощью методов управления доступом к сети, обеспечиввающих заданные параметры качества обслуживания
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи проанализированы перспективные подходы и концепции построения мультисервисных сетей связи с использованием современных технологий:
разработан метод расчета вероятности потери пакетов при переполнении буферов в коммутаторах мультисервисной сети, учитывающий фрактальный характер потоков трафика и позволяющий производить обоснованный выбор емкости буферных накопителей в коммутаторах мультисервисной сети,
разработана методика расчета вероятности потерь пакетов в зависимости от емкости буферов в коммутаторах мультисервисной сети и рекомендации по организации автоматизированного контроля за качеством обслуживания путем гибкого регулирования входящего трафика мультисервисной сети
Методы исследования В основу проводимых исследований положены методы теории массового обслуживания, вычислительной математики, математической статистики и программирования
Научная новизна диссертационной работы заключается в следующем разработана математическая модель обслуживания в сети с коммутацией пакетов трафика различных источников нагрузки, представляющего собой сумму двух самоподобных процессов с различными значениями параметра Херста, предложены и исследованы путем имитационного моделирования перспективные подходы к повышению устойчивости работы сети с коммутацией пакетов при самоподобном характере трафика, которые позволяют учесть различия в интегральных характеристиках трафика различных источников нагрузки, разработан метод оперативного управления потоками трафика с фрактальными свойствами и получены рекомендации по организации автоматизированного контроля за характеристиками смешанного трафика мультисервисной сети
Основные положения, выносимые на защиту: разработанные подходы к математическому описанию функционирования коммутаторов мультисервисной сети связи, которые позволяют учесть различия в интегральных характеристиках трафика различных источников нагрузки; результаты анализа возможностей управления потоками трафика в мульти-сервисных сетях, в том числе путем использования приоритетного обслуживания и путем регулирования длины буферов в коммутаторах сети с коммутацией пакетов.
разработанные требования к системе контроля входного трафика для обеспечения гарантированного обслуживания требований в сети, высокоприоритетный трафик должен составлять относительно небольшую долю в общем объеме трафика, допустимые размеры которой зависят от возможного значения параметра Херста этого трафика, низкоприоритетный трафик должен контролироваться таким образом, чтобы соответствующий ему параметр Херста не превосходил некоторый заданный уровень, рассчитываемый на основании заданных параметров качества и доли высокоприоритетного трафика, устойчивость математической модели сети позволяет использовать такие средства контроля трафика, которые учитывают макропоказатели функционирования сети, медленно изменяющиеся во времени, и проводить контроль трафика только на входе в сеть, метод расчета характеристик сети коммутации пакетов для смесей потоков трафика, которые образуются при совместной передаче речи, данных и видеоприложений методом коммутации пакетов и рассматриваются как потоки с фрактальными свойствами, результаты имитационного моделирования функционирования коммутаторов мультисервисной сети связи и рекомендации для повышения устойчивости работы сети с коммутацией пакетов при самоподобном характере компонент трафика
Личный вклад. Теоретические и практические исследования, расчеты и проведенное моделирование на ЭВМ, а также полученные из них выводы и рекомендации получены автором лично Практическая ценность диссертации состоит в том, что разработанная в диссертации математическая модель функционирования мультисервисной сети при обслуживании трафика с фрактальными свойствами, позволяет исследовать зависимость вероятности потерь пакетов от характеристик потоков трафика и разработать рекомендации по использованию приоритетов и регулирования емкости буферов для оперативного управления качеством обслуживания. Метод оперативного управления мультисервисной сетью в условиях поступления смеси потоков трафика с фрактальными свойствами позволяет обеспечить защиту от перегрузок. Разработанная методика расчета вероятности потерь пакетов позволяет производить обоснованный выбор емкости буферных накопителей в коммутаторах мультисервисной сети.
Реализация результатов работы. Основные теоретические и практические результаты, полученные в работе, использованы в учебном процессе кафедры СУ ГТС МТУСИ, а также в научно-производственной работе ОАО «Центральная телекоммуникационная компания», ООО «СЦС Совинтел» и ОАО "Российская телекоммуникационная сеть", что подтверждено соответствующими актами.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы были представлены и обсуждались на Международных форумах информатизации, на научно-технической конференции профессорско-преподавательского состава МТУСИ, на заседаниях кафедры систем управления городских телефонных сетей МТУСИ.
Публикации. Основные результаты диссертации изложены в 16 опубликованных работах.
Объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и приложения. Она включает 155 страниц машинописного текста, 26 рисунков. 8 таблиц, 1 прилолжение. Список литературы включает 141 наименование.
