Содержание к диссертации
Введение
1 Анализ основных направлений развития сетей фиксированной связи в условиях информатизации общества, принципов и телекоммуникацион ных технологий для построения сетей связи следующего поколения 19
1.1 Основные направления государственной политики Российской Федерации в области построения информационного общества 19
1.2 Архитектура построения сетей связи следующего поколения 23
1.3 Транспортные сети NGN 27
1.4 Сети доступа NGN 31
1.5 Построение систем управления вызовами 33
1.5.1 Построение системы управления вызовами на базе гибких коммутаторов (Softswitch) 33
1.5.2 Протоколы управления вызовами в сетях NGN 37
1.5.3 Построение системы управления вызовами на базе подсистемы IMS 42
1.5.4. Стратегия применения решений на базе Softswitch и IMS 44
1.6 Архитектура платформы услуг и приложений NGN 46
1.7 Архитектура информационной безопасности в сетях NGN 50
1.8 Стратегии внедрения сетей связи следующего поколения на ЕСЭ России.. 54
1.9 Телекоммуникационные технологии для построения транспортных сетей NGN и механизмы обеспечения качества обслуживания в них 58
1.9.1 Протокол IP 59
1.9.1.1 Модель интегрированных услуг 60
1.9.1.2 Модель дифференцированных услуг 62
1.9.1.3 Протоколы транспортного уровня RTP, RTCP 64
1.9.1.4 Пакетная передача речи-VoIP 65
1.9.1.5 Протокол обеспечения информационной безопасности IPsec 66
1.9.1.6 Развитие протокола на основе версии IPv6 67
1.9.2 Технология ATM 71
1.9.2.1 Основные характеристики технологии ATM 71
1.9.2.2 Категории обслуживания технологии ATM 75
1.9.2.3 Маршрутизация в ATM сети 77
1.9.2.4 Управление трафиком в ATM сети 79
1.9.2.5 Информационная безопасность в ATM сети 83
1.9.3 Технология MPLS з
1.9.3.1 Общие принципы построения и функционирования MPLS сети 86
1.9.3.2 Маршрутизация в MPLS сети 89
1.9.3.3 Протокол распределения меток в MPLS сети 91
1.9.3.4 Конструирование трафика в MPLS сети 93
1.9.3.5 Области применения технологии MPLS 95
1.10 Выводы 99
2 Метод синтеза сетей связи следующего поколения на основе векторного критерия 103
2.1 Общие цели, задачи, принципы и методология проектирования сетей связи 104
2.2 Аналитическое описание сетей связи на основе теории систем и графов. Морфологическая модель сети связи 107
2.3 Качество телекоммуникационных услуг. Состав и взаимосвязь показателей качества обслуживания 108
2.3.1 Состав и взаимосвязь показателей качества обслуживания сетей связи на основе международных стандартов 109
2.3.2 Иерархическая система показателей качества обслуживания. Выбор и обоснование обобщённого показателя эффективности функционирования. Методология оценивания эффективности функционирования сетей связи ИЗ
2.3.3 Качество телекоммуникационных услуг в сетях связи следующего поколения 122
2.4 Метод синтеза сетей связи следующего поколения на основе векторного критерия 124
2.5 Выводы 133
3 Метод синтеза сетевых структур при обеспечении требований устойчивости 136
3.1 Методика анализа устойчивости сетей связи 137
3.2 Методика анализа надёжности сетей связи 140
3.2.1 Анализ показателей и требований по надёжности первичных сетей связи 140
3.2.1.1 Характеристика надёжности типовых трактов магистральной, внутризоновой и местной связи 140
3.2.1.2 Характеристика надёжности резервируемых систем 142
3.2.1.3 Требования по надёжности соединений первичной сети 144
3.2.2 Методика анализа структурной надёжности (живучести) сетей связи 145
3.3 Методика анализа живучести сетей связи 148
3.4 Метод синтеза сетевых структур при обеспечении требований устойчивости 150
3.4.1 Формирование начальной структуры сети связи 151
3.4.2 Алгоритм управления свойством устойчивости сети связи на основе структурных преобразований и защиты её элементов 153
3.4.3 Принципы и способы обеспечения устойчивости (живучести) сетей связи 161
3.5 Выводы 164
4 Теоретические основы исследования процессов функционирования узлов коммутации сетей связи следующего поколения при произвольньтх распределениях поступления и обслуживания заявок различных классов качества (приоритетов) 166
4.1 Основные ограничения и допущения 166
4.2 Модель узлов коммутации типа Мг/М /V/К с относительными приоритетами и учётом реальной надёжности обслуживающих приборов 170
4.2.1 Описание процессов функционирования узла коммутации 170
4.2.2 Анализ показателей качества функционирования узлов коммутации... 173
4.2.2.1 Стационарное распределение вероятностей состояний 173
4.2.2.2 Стационарное распределение времени ожидания пакетов 176
4.2.2.3 Стационарное распределение времени пребывания пакетов 179
4.2.3 Оптимизация назначения приоритетов 182
4.2.4 Влияние конечной надёжности обслуживающих приборов на функционирование узлов коммутации типа My/M/V/K 185
4.3 Модель узлов коммутации типа Mr/M/Vr/Kr с относительными приоритетами, резервированием ресурсов и учётом реальной надёжности обслуживающих приборов 193
4.3.1 Описание процессов функционирования узлов коммутации 193
4.3.2 Анализ показателей качества функционирования узлов коммутации... 197
4.4 Метод моделирования процессов функционирования узлов коммута ции сетей связи следующего поколения при произвольных распределениях поступления и обслуживания заявок различных классов качества (приоритетов) 203
4.4.1 Структура метода моделирования процессов функционирования узлов коммутации при произвольных распределениях поступления и обслуживания требований различных классов качества (приоритетов) 204 4.4.2 Модель узлов коммутации типа Gr/G/V/ К, GrIGlVr/Kr с отно
сительными приоритетами и резервированием ресурсов. Применение раз работанного метода для анализа показателей качества функционирования узлов коммутации типа Mr/D/V/K, Mr/D/Vr/Kr 208
4.4.3 Определение оптимального порога резервирования ресурсов 217
4.5 Определение верхних и нижних граничных оценок показателей качества функционирования узлов коммутации. Исследование свойств разработанных моделей 219
4.5.1 Определение верхних и нижних граничных оценок показателей ка \ чества функционирования узлов коммутации 219
4.5.2 Оценка чувствительности разработанных моделей к изменению входных параметров 222
4.5.3 Оценка достоверности полученных результатов 230
4.5.3.1 Сходимость полученных результатов к известным в теории очередей 230
4.5.3.2 Имитационное моделирование 232
4.6 Выводы 237
5 Метод моделирования процессов функционирования узлов коммутации сетей связи следующего поколения при обслуживании асимптотически и строго самоподобного трафика с учётом классов качества 242
5.1 Определения и свойства самоподобного трафика 243
5.2 Моделирование самоподобного трафика 247
5.3 Метод моделирования процессов функционирования узлов коммутации сетей связи следующего поколения при обслуживании асимптотически самоподобного трафика с учётом классов качества 251
5.3.1 Развитие модели узлов коммутации типа P/G/1/co на основе введе ния классов качества 251
5.3.1.1 Общая характеристика узлов коммутации типа P/G/1/oo 251
5.3.1.2 Модели узлов коммутации типа PrIGIVIK, PrIGIVrIKr с относительными приоритетами и резервированием ресурсов 255
5.3.1.3 Определение результирующего значения показателя Херста и эффективности статистического мультиплексирования источников трафика 259
5.3.1.4 Определение минимального объёма буфера, при котором потери пакетов различных классов обслуживания будут соответствовать соглашению по трафику 264
5.3.1.5 Определение выравнивающей задержки для трафика реального
времени 265
5.3.2 Метод моделирования процессов функционирования узлов коммутации сетей связи следующего поколения при обслуживании асимптотически самоподобного трафика с учётом классов качества 267
5.4 Метод моделирования процессов функционирования узлов коммутации сетей связи следующего поколения при обслуживании строго самоподобного трафика с учётом классов качества 270
5.4.1 Развитие модели Норроса для узлов коммутации типа /B/G/1/co на основе введения классов качества обслуживания. Модели узлов коммутации типа fBr /G/1/oo с относительными приоритетами 270
5.4.1.1 Средняя длина очереди и среднее время доставки пакетов 270
5.4.1.2 Вероятность потери пакетов 274
5.4.2 Метод моделирования процессов функционирования узлов коммутации сетей связи следующего поколения при обслуживании строго самоподобного трафика с учётом классов качества 280
5.5 Определение верхних и нижних граничных оценок показателей качества функционирования узлов коммутации. Исследование свойств разработанных моделей 282
5.6 Выводы 289
6 Моделирование процессов функционирования и оптимизация пропускной способности каналов передачи мультисервисных сетей связи 293
6.1 Обоснование метода моделирования сетей связи следующего поколения 295
6Л.1 Точные методы анализа сетей связи 295
6.1.2 Приближённые методы анализа сетей связи 296
6.2 Маршрутизация и распределение информационных потоков в сетях связи следующего поколения 299
6.3 Моделирование и оценивание эффективности (качества) функционирования сетей связи следующего поколения 304
6.3.1 Анализ среднего времени доставки сообщений 304
6.3.2 Анализ вероятности своевременной доставки сообщений 308
6.4 Оптимизация пропускной способности каналов передачи сетей связи следующего поколения 310
6.4.1 Постановка задачи оптимизации 310
6.4.2 Метод оптимизации пропускной способности каналов передачи сетей связи следующего поколения 312
6.5 Выводы 317
Заключение и общие выводы 320
Библиографический список
- Построение системы управления вызовами на базе гибких коммутаторов (Softswitch)
- Качество телекоммуникационных услуг. Состав и взаимосвязь показателей качества обслуживания
- Характеристика надёжности резервируемых систем
- Влияние конечной надёжности обслуживающих приборов на функционирование узлов коммутации типа My/M/V/K
Введение к работе
Актуальность проблемы. Развитие научно-технического прогресса на рубеже XX-XXI веков определяет переход от индустриального к информационному обществу, в процесс создания которого включена и Россия. С целью интенсификации данного процесса разработана стратегия развития информационного общества России, в настоящее время осуществляется её реализация в направлениях:
создания равных возможностей по доступу к информации и информационно-коммуникационным технологиям (сети связи общего пользования, сети Интернет, сети телерадиовещания) различных групп населения;
повышения эффективности государственного управления, реализуемого путём создания на федеральном и региональном уровнях "электронного правительства" (ФЦП "Электронная Россия (2002-2010 годы)", Концепция региональной информатизации до 2010 года), государственной автоматизированной системы управления приоритетными национальными проектами;
повышение качества образования и здравоохранения, реализуемого в рамках приоритетных национальных проектов "Здоровье", "Образование" и предполагающего обеспечение широкополосного доступа к сети Интернет, построение телемедицинской и образовательной сетей.
В целом развитие информационного общества и информационных систем различного назначения предъявляет ряд новых "революционных" требований к телекоммуникационным системам по видам, объёмам и качеству передаваемой информации, доступности обслуживания. Существенными факторами, также требующими развития телекоммуникационных систем (в первую очередь сетей фиксированной связи), являются:
наличие в телефонной сети связи общего пользования (ТфОП) значительного объёма морально и физически устаревшего (аналогового) оборудования;
"насыщение" уровня развития телефонной сети связи общего пользования, при этом необходимое дальнейшее увеличение телефонной плотности возможно только за счёт удалённых малонаселённых территорий, подключение которых (реализация универсальных услуг связи) с использованием существующих технологий экономически невыгодно;
динамичное развитие инфокоммуникационных услуг, предполагающих в том числе многокомпонентность (мультимедийность) передаваемой информации (голос, данные, видео - triple-play services) и многосвязное взаимодействие;
динамичное развитие сети Интернет и распространение технологии виртуальных локальных сетей (VLAN) для объединения территориально-распределённых корпоративных сетей;
внедрение подвижной связи третьего поколения (3G);
переход на цифровые стандарты телерадиовещания DVB, увеличение количества и качества принимаемых населением телевизионных программ.
Таким образом, развитие информационного общества и динамичный рост потребностей пользователей в инфокоммуникационных услугах определили этапы и направления эволюционного развития сетей фиксированной связи (общего пользования и корпоративных), основными среди которых являются:
цифровизация транспортной сети связи и региональных сетей доступа;
расширение видов предоставляемых услуг и повышение их качества на основе построения цифровых сетей интегрального обслуживания (ISDN), а также сетей передачи данных на технологиях IP, Frame Relay, ATM и др.;
конвергенция (объединение) традиционных сетей телефонной связи и передачи данных на основе технологии коммутации пакетов IP, ATM, MPLS;
интеграция услуг и сетей (фиксированной и сотовой связи, беспроводного широкополосного доступа, Internet) на основе концепции сетей связи следующего поколения (Next Generation Network, NGN).
В целом данные направления в условиях информатизации общества определили переход от построения узкоспециализированных выделенных сетей к муль-тисервисным сетям связи (МСС) на основе концепции сетей связи следующего поколения. Последние обеспечивают предоставление широкого набора услуг с гибкими возможностями по их управлению, персонализации и созданию новых услуг за счёт унификации сетевых решений на основе разделения функций переноса и коммутации, управления вызовами и услугами. Это достигается четырёхуровневой архитектурой построения сетей связи следующего поколения, включающей уровень доступа, транспортный уровень, уровень управления вызовами, уровень управления услугами, а также применением на каждом уровне открытых стандартов.
Транспортную основу сетей связи следующего поколения составляют сети передачи данных с коммутацией пакетов (быстрой коммутацией пакетов) IP, ATM, MPLS. Данные телекоммуникационные технологии различаются возможностями по предоставлению и интеграции различного спектра узкополосных и широкополосных услуг, а также обеспечению качества обслуживания (Quality of Service, QoS). В современных условиях осуществляется процесс стандартизации сетевых механизмов обеспечения качества обслуживания, сближающий рассматриваемые телекоммуникационные технологии между собой (в том числе с позиций моделирования). В перспективе транспортную сеть связи предполагается строить на основе протоколов IP/MPLS, реализующим для NGN концепцию All-IP ("всё по IP"). Уровень доступа образует сеть широкополосного доступа к транспортной сети и обеспечивает доведение услуг NGN до пользователей.
Распределённая архитектура управления вызовами в сетях связи следующего поколения включает центральный элемент - гибкий коммутатор (Softswitch), а также различное шлюзовое оборудование для сопряжения с сетями связи с коммутацией пакетов, с коммутацией каналов, сетями (системами) сигнализации. Для управления мультимедийными соединениями, а также для управления созданием новых услуг на основе ГР-протокола реализуется подсистема IMS. При этом предоставление услуг следующего поколения реализуется с учётом требований информационной безопасности независимыми платформами услуг посредством открытых интерфейсов (OSA/Parlay, JAIN, VoiceXML), обеспечивающими, в отличие от традиционных сетей, их быстрое создание и внедрение, а также поддержку мобильности пользователей.
Изложенные особенности развития сетевых и телекоммуникационных технологий требуют адекватного развития теоретических основ исследования процессов функционирования и оптимизации построения (синтеза) сетей связи.
В настоящее время при общем прогрессе в сфере сетевых технологий заметно отстаёт научно-технический уровень методов, моделей и средств автоматизации структурно-сетевого синтеза современных телекоммуникационных сетей, в том числе комплексного расчётного обоснования состава оборудования. Так существуют частные модели и методы исследования процессов функционирования, оптимизации построения (синтеза), проектирования мультисервисных сетей связи (в том числе на основе концепции NGN), разработанные в трудах Семёнова Ю.В., Ку-
черявого А.Е., Назарова А.Н., Соколова Н.А., Вишневского В.М., Ершова В.А., Кузнецова Н.А., Лагутина B.C., Степанова С.Н. Данные решения основываются на:
общие методы исследования и оптимизации построения сетей связи, разработанные в трудах Филипса Д., Гарсиа-Диаса А., Захарова Г.П., Шварца М., Мартина Дж., Терентьева В.М., Яновского Г.Г., Герасимова А.И., Мизина И.А.;
методы обеспечения устойчивости (надёжности, живучести) сетей, разработанные в трудах Богатырёва В.А., Филина Б.П., Дудника Б.Я., Нетеса В.А., Сте-кольникова Ю.И.;
классическую теорию очередей.
Вместе с тем данные модели и методы не в полной мере учитывают разнородность передаваемой информации (предоставляемых услуг) и, соответственно, многокомпонентность и пачечную природу трафика мультисервисных сетей, исследование процессов обслуживания которого возможно на основе применения:
специальных приложений классической теории очередей в области приоритетных систем, в том числе с ограничениями ресурсов и учётом реальной надёжности обслуживающих приборов, разработанных Клейнроком Л., Башариным Г.П., Бронштейном О.И., Духовным И.М., Гнеденко Б.В., Даниэляном Э.А., Коко-тушкиным В.А., Михалевым Д.Г.;
результатов теории фрактальных (самоподобных) процессов в области телекоммуникаций, полученных зарубежными: Leland W., Taqqu М., Willinger W., Wilson D., Norros 1., Столлингс В. и отечественными: Нейман М.Н., Цыбаков Б.С, Ше-лухин О.И., Тенякшев A.M., Осин А.В., Ершов В.А., Заборовский B.C., Петров М.Н., Симонина О.А. авторами.
Таким образом, на текущий момент не существует обобщённого метода исследования, обеспечивающего анализ эффективности функционирования сетей связи следующего поколения, а также их синтез по критериям затрат, качества обслуживания, устойчивости. При этом непрерывное совершенствование сетевых технологий, этапность жизненного цикла телекоммуникационных сетей и многообразие вариантов построения их структур, необходимость согласования противоречивых интересов операторов связи и поставщиков услуг порождает широкий спектр задач, которые необходимо решить при проектировании (расчёте основных параметров) сетей связи следующего поколения и её элементов.
Данное противоречие между потребностями практики и недостаточной теоретической проработкой предметной области требует систематизации уже известных подходов и разработки новых методов анализа и синтеза сетей связи следующего поколения, учитывающих их специфику:
распределённая архитектура построения, образующая подсистемы: информационного обмена, сигнализации (управления вызовами), управления (оборудованием, услугами и их качеством), информационной безопасности и др.;
многокомпонентный трафик с самоподобной структурой;
ограничения используемых сетевых ресурсов, -
а также необходимость обеспечения в данных условиях устойчивости к воздействию дестабилизирующих факторов и сквозного качества обслуживания на основе введения классов качества по задержкам и потерям пакетов определяемых по видам услуг, категориям пользователей и подсистемам (сигнализации, управления и др.).
Положение дел усложняется неопределённостью предпроектной ситуации, заключающейся:
в отсутствии формализованного перечня исходных данных и трудоёмкости их подготовки;
в дефиците информации о программных реализациях новых методов решения структурно-сетевых задач, их значительным недоиспользованием и большими затратами по перенастройке под новые применения, -
что отрицательно сказывается на стоимости, качестве и продолжительности разработки проектов телекоммуникационных сетей и принятии структурно-сетевых решений. Всё это подчеркивает актуальность темы диссертации и позволяет сформулировать научную проблему, а также определить цель, объект, предмет и задачи исследований.
В соответствии с этим диссертация направлена на решение крупной научной проблемы, имеющей важное хозяйственное значение и предполагающей разработку моделей и методов исследования процессов функционирования и оптимизации построения сетей связи следующего поколения по критериям затрат, устойчивости и качества обслуживания (по классам качества).
Цель исследования заключается в повышении эффективности процессов функционирования, проектирования и развития сетей связи следующего поколения за счёт разработки моделей и методов, обеспечивающих:
расчёт показателей качества функционирования узлов коммутации, управление его ресурсами в условиях практической эксплуатации;
синтез сетей связи следующего поколения по критериям затрат, устойчивости, качества обслуживания (по приоритетам, назначаемым по классам качества (видам) услуг, категориям пользователей, подсистемам и определяемым задержками и потерями пакетов).
Объектом исследования являются построение и процессы функционирования сетей связи следующего поколения.
Предметом исследования является разработка моделей и методов исследования процессов функционирования узлов коммутации и оптимизации построения (синтеза) сетей связи следующего поколения, а также применение разработанных моделей и методов для автоматизированного решения широкого класса прикладных задач проектирования сетей связи следующего поколения.
Для достижения поставленной цели исследований в диссертации решены следующие научные задачи:
проведён анализ основных направлений развития сетей фиксированной связи, архитектуры и телекоммуникационных технологий для построения сетей NGN;
разработан метод синтеза сетей связи следующего поколения на основе векторного критерия и его составные элементы:
метод синтеза сетевых структур при обеспечении требований устойчивости;
метод моделирования процессов функционирования узлов коммутации (УК) сетей связи следующего поколения (шлюзов, гибких коммутаторов, маршрутизаторов транспортной сети, узлов управления услугами) при произвольных распределениях поступления и обслуживания заявок различных классов качества (приоритетов);
метод моделирования процессов функционирования узлов коммутации сетей NGN при обслуживании асимптотически и строго самоподобного трафика с учётом классов качества (приоритетов);
комплекс сетевых моделей и метод оптимизации пропускной способности каналов передачи сетей связи следующего поколения, -
а также проведены экспериментальные исследования с использованием разработанных моделей и методов.
Методы исследования. Для решения поставленных задач в диссертации применялись методы теорий вероятностей, систем, графов, эффективности, очередей, принятия решений, фрактальных процессов ("детерминированного хаоса").
Основные положения, выносимые на защиту. Разработанные в диссертации теоретические положения по исследованию процессов функционирования и оптимизации построения (синтезу) сетей связи следующего поколения содержат следующие новые научно-обоснованные результаты, которые выносятся на защиту:
-
Метод синтеза сетей связи следующего поколения на основе векторного критерия.
-
Метод синтеза сетевых структур при обеспечении требований устойчивости.
-
Метод моделирования процессов функционирования узлов коммутации сетей связи следующего поколения при произвольных распределениях поступления и обслуживания заявок различных классов качества (приоритетов).
-
Метод моделирования процессов функционирования узлов коммутации сетей связи следующего поколения при обслуживании асимптотически и строго самоподобного трафика с учётом классов качества.
-
Метод оптимизации пропускной способности каналов передачи сетей связи следующего поколения.
Научная новизна исследований заключается в том, что разработаны:
-
Метод синтеза сетей связи следующего поколения по критериям затрат, устойчивости и качества обслуживания (по видам услуг и категориям пользователей, включая трафик подсистем сигнализации, управления и др.), реализованный на основе принципа декомпозиции (структурный и параметрический синтез) и последовательной оптимизации на основе обобщённых критериев.
-
Метод синтеза сетевых структур при обеспечении требований устойчивости, отличающийся разработкой:
комплексной методики анализа элементной и структурной устойчивости (надёжности, живучести);
алгоритма управления свойством устойчивости, обеспечивающим поиск уязвимых сетевых элементов со свойствами низкой стойкости и высокой структурной значимости, их ранжирование по степени влияния на устойчивость сети в целом и реализацию механизмов на изменение данных свойств на основе структурных преобразований и защиты элементов.
-
Метод моделирования узлов коммутации NGN, обеспечивающий исследование процессов их функционирования при простейших и произвольных потоках, коммутации пакетов фиксированной и показательной (произвольной) длины, ограниченной очереди, управлении качеством обслуживания на основе относительных приоритетов и резервирования ресурсов (по видам услуг, категориям пользователей и подсистемам), учёте реальной надёжности обслуживающих приборов.
-
Метод моделирования узлов коммутации NGN, обеспечивающий исследование процессов их функционирования при асимптотически и строго самоподобных потоках, коммутации пакетов фиксированной и показательной (произвольной) длины, ограниченной очереди, управлении качеством обслуживания на основе относительных приоритетов и резервирования ресурсов (по видам услуг, категориям пользователей и подсистемам), учёте реальной надёжности обслуживающих приборов.
-
Метод оптимизации пропускной способности каналов передачи сетей связи следующего поколения, обеспечивающий решение задачи минимизации затрат при совместном выполнении требований к вероятности своевременной доставки пакетов (сообщений) и потери пакетов по классам качества обслуживания.
В целом результаты по пунктам 3, 4, 5 характеризуются высокой степенью обобщения и определяют адекватное соответствие основных параметров разработанных моделей узлов коммутации базовым параметрам инфокоммуникационных систем на основе сетевых технологий IP, ATM, MPLS, что позволяет:
учитывать при моделировании специфику совместной передачи разнородной информации с различными требованиями к качеству обслуживания, а также пачечную природу мультимедийного трафика;
определять верхние и нижние граничные оценки показателей качества при анализе эффективности функционирования и синтезе сетей NGN.
Теоретическая значимость исследований заключается в разработке новых методов исследования, моделирования и многокритериального проектирования сетей связи следующего поколения, обеспечивающих учёт специфики их функционирования (распределённая архитектура построения, передача разнородной информации, ограниченность сетевых ресурсов, необходимость обеспечения устойчивости) и связанных с этим способов управления качеством обслуживания на основе введения классов качества (приоритетов) и резервирования ресурсов.
Практическая значимость и результаты внедрения. Практическая значимость работы заключается в том, что полученные решения позволят:
повысить эффективность деятельности проектных организаций, а также автоматизировать процессы проектирования МСС и сетей связи следующего поколения (как общего пользования, так и специального назначения, корпоративных), в том числе и виртуальных частных сетей;
в условиях практической эксплуатации управлять ресурсами узлов коммутации для обеспечения качества обслуживания (по классам качества) при передаче разнородного трафика (в том числе с самоподобной структурой).
Основные результаты исследований получены в ходе выполнения ведомственных НИР, направленных на исследование путей эволюционного развития и объединения действующих сетей связи специального назначения в мультисервис-ную сеть специальной связи при обеспечении требований качества обслуживания, информационной безопасности и устойчивости функционирования.
Основные результаты исследований, соответствующие задачам исследования и положениям, выносимым на защиту, использованы:
в ЦНИИС - при проведении НИР "Восстановление", направленной на разработку Концепции построения системы восстановления Взаимоувязанной сети связи России;
в учебном процессе кафедры "Вычислительные сети и системы" Московского государственного института электроники и математики;
в Военной академии связи им. СМ. Будённого - при проведении НИР "По-ток-07", а также в учебном процессе при чтении дисциплины "Основы построения телекоммуникационных систем и сетей";
в Академии ФСБ России - в учебном процессе при чтении дисциплин "Основы проектирования и эксплуатации защищенных телекоммуникационных систем", "Современные сетевые технологии", "Современные государственные и ведомственные сети конфиденциальной связи";
в в/ч 58861 - при проведении НИР "Система", "Каскад", "Лабиринт", -что подтверждается актами реализации.
Также основные результаты исследований, а именно их применение к комплексному исследованию эффективности функционирования сетей связи специального назначения, осуществлению планирования их развития при оптимизации за-
трат, повышении качества обслуживания и устойчивости, использованы в/ч 58861 при формировании Государственной программы вооружения на 2007-2015 годы.
Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались на 21 научной конференции, включая: научно-техническую конференцию "Приоритетные пути развития систем военной связи" (г. С.-Петербург, ВАС, 1997); всероссийскую научно-техническую конференцию "Радио и волоконно-оптическая связь, локация и навигация" (г. Воронеж, ВГУ, 1997); всероссийскую научно-техническую конференцию "Проблемы создания и развития информационно-телекоммуникационных систем специального назначения" (г. Орёл, ВИПС, 1998, 1999, Академия ФАПСИ, 2001, 2003, 2005); межведомственную конференцию "Научно-техническое и информационное обеспечение деятельности спецслужб" (г. Москва, ИКСИ Академии ФСБ России, 1998, 2000, 2008); всероссийскую научно-техническую конференцию "Информационная безопасность автоматизированных систем" (г. Воронеж, ВГУ, 1998); межрегиональную конференцию "Информационная безопасность регионов России" (г. С.-Петербург, 1999); научные сессии РНТО РЭС им. А.С. Попова (г. Москва, 1996, 1998, 2000, 2005, 2007); 9-ю научно-техническую конференцию по криптографии (г. Москва, Академия криптографии РФ, 2001); межрегиональную научно-практическую конференцию "Информация и безопасность" (г. Воронеж, ВГТУ, 2002); XV международную научную конференцию "Информатизация и информационная безопасность правоохранительных органов" (г. Москва, Академия управления МВД России, 2006); 5-ю всероссийскую научную конференцию "Проблемы развития системы специальной связи и специального информационного обеспечения" (г. Орёл, Академия ФСО России, 2007).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 43 научных работы в том числе: 2 монографии, 8 статей в изданиях, входящих в перечень ВАК России, 8 статей в других изданиях, 21 доклад на научных конференциях, получены 3 патента на изобретения и свидетельство о регистрации программы для ЭВМ.
Личное участие автора в полученных результатах. Представленные результаты исследований получены автором лично. В работах, опубликованных в соавторстве, соискателю принадлежит ведущая роль при постановке задачи, разработке метода её решения и обобщении полученных результатов.
Структура и объём диссертации. Диссертация состоит из введения, 6 глав, заключения, 5 приложений, изложенных на 385 станицах. Она содержит 76 рисунков, 25 таблиц и список использованных источников из 206 наименований.
Построение системы управления вызовами на базе гибких коммутаторов (Softswitch)
Как показано выше (п. 1.2) основу сети NGN составляет мультипротоколь-ная (ATM, IP, MPLS) транспортная сеть (рис. 1.3), которая предоставляет услуги переноса и реализует функции транспортного уровня и уровня управления вызовами. Целью построения транспортной сети NGN является переход от выделенных сетей для отдельных групп пользователей (частные, корпоративные и др.) или услуг (телефония, данные и др.) к интегрированной сети с гарантированным качеством обслуживания. В состав интегрированной транспортной сети NGN могут входить:
Построение мультипротокольной транспортной сети связи NGN - транзитные узлы, выполняющие функции переноса и коммутации; - оконечные (граничные) узлы, обеспечивающие доступ абонентов; - контроллеры сигнализации или контроллеры медиашлюзов (Media Gateway Controller, MGC / Softswitch), выполняющие функции обработки информации сигнализации, управления вызовами (запросами) и соединениями, а также управления транспортной сетью NGN; - шлюзы, осуществляющие подключение традиционных сетей связи: - медиашлюз или транспортный шлюз (Media Gateway, MG), предназначенный для преобразования речевой информации в 1Р-пакеты/АТМ-ячейки и маршрутизации 1Р-пакетов/АТМ-ячеек; - сигнальный шлюз (Signalling Gateway, SG), предназначенный для преобразования систем межстанционной сигнализации; - транкинговый шлюз (Trunking Gateway, TG), выполняющий функции транспортного и сигнального шлюзов; - шлюз доступа (Access Gateway, AG), выполняющий функции транспортного и сигнального шлюзов при подключении по интерфейсу V.5; - резидентный шлюз доступа (Residential Access Gateway, RAG), предназначенный для подключения пользователей ТфОПЩСИС; - пограничный контроллер соединений (Session Border Controller, SBC), обеспечивающий сопряжение оборудования нескольких производителей и выполняющий функции шлюза сигнализации и медиа-шлюза, контроля за установлением соединений (Call Admission Control, САС), управления качеством обслуживания (QoS, SLA), концентрации голосового/сигнального трафика; - сетевые устройства на основе стандарта Н.323 для реализации узкополосных аудио/видео услуг в комбинированных коммутируемых и пакетных сетях: - шлюз Н.323 (Access Gateway, AG), предназначенный для преобразования медиа-потоков между коммутируемыми и пакетными сетями; - привратник (Gatekeeper Н.323), предназначенный для преобразования адресации (IP, телефонных номеров) между коммутируемыми и пакетными сетями, а также управления полосой пропускания; - блок многоточечного управления (Multipoint Control Unit, MCU), предназначенный для обеспечения конференцсвязи. Построение транспортной сети NGN предполагает создание регионального и магистрального уровней (сегментов). При этом на региональном уровне должно обеспечиваться подключение пользователей и предоставление им транспортных услуг, а также взаимодействие с аналогичными региональными транспортными сетями. На магистральном уровне должно обеспечиваться предоставление услуг переноса конвергентного трафика для взаимодействия региональных сетей, а также для передачи трафика всех существующих сетей.
Модель звена транспортной сети NGN представлена на рисунке 1.4. При этом в данной модели для реализации любых сетевых услуг предполагается использование на сетевом уровне IP-технологии. На канальном уровне транспортной сети NGN выполняются функции: формирования цифрового тракта связи — на основе технологий SDH, POS, xWDM, Ethernet (Gigabit Ethernet/ 10-Gigabit Ethernet - для построения магистральной сети городского масштаба) и др., а также обеспечения качества обслуживания - на основе технологий ATM, MPLS и др. В свою очередь физический уровень - среда передачи сигналов - реализуется на основе волоконно-оптических, радиорелейных и спутниковых линий связи.
Среда передачи сигналов (волоконно-оптические, радиорелейные линии связи) Рис. 1.4. Модель звена транспортной сети связи NGN В соответствии с этим при построении существующих транспортных сетей NGN обеспечиваются следующие сочетания (связки) транспортных технологий: - IP/ATM/SDH/оптика, 1Р/АТМ/оптика; - IP/SDH/оптика, 1Р/оптика; - IP/MPLS/оптика, каждая из которых (IP, ATM, MPLS) имеет свои достоинства и недостатки, рассмотренные ниже (п. 1.9). При этом выбор оператором стратегии внедрения NGN, зо а также конкретных технологий и оборудования должен осуществляться с учётом уже сделанных инвестиций в построение и развитие существующей сети (п. 1.8).
Для построения транспортных сетей нового поколения могут применяться технологии SDH нового поколения (NGSDH), оптических транспортных сетей (OTN), которые будут обеспечивать более высокую эффективность использования сетевых ресурсов при передаче разнородного трафика, прежде всего, за счёт механизмов заложенных в самой технологии, а не с привлечением сложных дополнительных механизмов [22, 181].
В перспективе построение транспортной сети NGN будет мигрировать к однородной конвергентной структуре на базе связки протоколов IP/MPLS - концепция All-IP (рис. 1.5). При этом данная транспортная сеть будет включать два домена (плоскости): сетевой и сервисный. Первый включает:
В свою очередь сервисный домен включает различные платформы приложений (в том числе IMS) и серверы приложений. Данный подход обеспечит дальнейшее повышение эффективности использования сетевых ресурсов и снижение эксплуатационных расходов при внедрении NGN за счёт объединения различных сетей фиксированной и мобильной связи в единую транспортную сеть IP/MPLS, поддерживающую широкий спектр технологий доступа (см. п. 1.4).
Качество телекоммуникационных услуг. Состав и взаимосвязь показателей качества обслуживания
Протоколы SIP/SIP. Протокол прикладного уровня SIP (RFC 3261) также предназначен для организации мультимедийных сеансов связи и передачи речи по IP сети, обеспечивая автоматическое определение местоположения вызываемого абонента с помощью сервера, обрабатывающего SIP-адреса, а также технических возможностей оконечных устройств [18-20, 22, 116]. Кроме того, протокол SIP обеспечивает взаимодействие гибких коммутаторов.
Протокол SIP функционирует поверх протоколов UDP, TCP, IPX, Х.25, ATM/AAL5. Его архитектура включает протоколы резервирования ресурсов (RSVP), транспортный протокол реального времени (RTP), транспортный протокол передачи потоков реального времени (RTCP), описания параметров связи (SDP) и уведомления о связи (SAP). При этом в отличие от протокола Н.323 протокол SIP построен на архитектуре "клиент-сервер", формируя сигнальные сообщения двух типов "запрос-ответ", что подобно протоколу передачи гипертекста (HTTP) сети Интернет и делает протокол SIP более эффективным для применения в данной сети.
В настоящее время предложены спецификации протокола, обеспечивающие средства управления безопасностью вызова, запроса качества обслуживания, сигнализации изменения состояния сети, разработана спецификация протокола SIP (Session Initiation Protocol for Telephones, RFC 3372), обеспечивающая инкапсуляцию и трансляцию сигнализации ОКС № 7 (подсистема ISUP) существующей ТфОП в сигнализацию SIP.
Протокол MGCP. Протокол MGCP используется для управления шлюзами. В соответствии с этим в архитектуре протокола MGCP выделяются два функциональных компонента. Первый является шлюзом или IP-телефоном, а второй -устройством управления вызовом (контроллером сигнализации или Softswitch). Модель вызовов MGCP рассматривает шлюзы как набор конечных точек, которые можно соединять друг с другом. При этом конечные точки могут быть либо физическими (телефонная линия) либо виртуальными (поток данных по соединению UDP/IP). В результате управление сигнализацией сосредоточено в контроллере сигнализации MGC и полностью отделено от медиапотоков.
Протокол MEGACO/H.248. Протокол MEGACO/H.248 служит общей платформой для шлюзов, управления многоточечными соединениями (MCU) и уст 41 ройств интерактивного голосового ответа - реализует маршрутизацию вызовов в распределённой мультисервисной инфраструктуре медиашлюзов. Данный протокол должен заменить протокол MGCP в качестве стандарта управления шлюзами MG.
Модель соединений данного протокола концептуально более проста, чем для протокола MGCP. MEGACO рассматривает шлюзы как набор оконечных устройств, которые могут быть соотнесены с друг-другом внутри определённого контекста. Оконечное устройство является источником и приёмником медиапотоков. При этом, как и в MGCP, оконечные устройства могут быть либо физическими, либо виртуальными. Соединение реализуется, когда одно устройство помещается в контекст другого. Например, переадресация вызова осуществляется перемещением оконечного устройства из одного контекста в другой, а видеоконференция инициализируется размещением нескольких оконечных устройств в общем контексте.
Протокол BICC (рек. Q.1901). Протокол управления вызовом, независящим от среды передачи BICC (Bearer Independent Call Control Protocol) предназначен для взаимодействия MGC между собой при установлении соединения от/к абоненту ТфОП. Данный протокол используется с целью соединения двух сетей ОКС №7 через сеть пакетной коммутации (независимо от протокола IP, ATM), обеспечивая полный набор услуг ТфОП/ISDN.
Протокол SIGTRAN (Signaling Transport) представляет собой набор протоколов для передачи сигнальной информации (ISDN и ОКС№ 7) по IP-сетям. Он является основным транспортным компонентом в распределённой архитектуре VoIP в следующих устройствах (SG, MGC, Gatekeeper). Протокол SIGTRAN реализует функции протокола управления передачи потоков данных SCTP (Stream Control Transmission Protocol) и уровней адаптации. При этом SCTP отвечает за надёжную передачу сигнальной информации, осуществляет управление потоком, обеспечивает безопасность. В функции уровня адаптации входит передача сигнальной информации от соответствующих сигнальных уровней, использующих службы SCTP. Эти протоколы отвечают за сегментацию и пакетное преобразование пользовательских данных, а также обеспечение информационной безопасности. 1.5.3 Построение системы управления вызовами на базе подсистемы IMS
IMS (IP Multimedia Subsystem) - это спецификация стандартной архитектуры по управлению мультимедийными услугами на основе IP-протокола для сетей следующего поколения, обеспечивающая реальную конвергенцию услуг передачи речи и данных, предоставляемых различными поставщиками, через общую транспортную инфраструктуру IP/MPLS-сети с возможностью роуминга через различные виды доступа мобильных и фиксированных сетей [22, 189, 190].
Концепция IMS разрабатывалась консорциумом 3GPP для сетей 3G/WCDMA (стандарт 3GPP R.5). Стандарт IMS определяет базовую архитектуру сети для предоставления в реальном времени услуг VoIP и мультимедийных услуг (видеотелефония, видеоконференцсвязь) на основе протокола SIP при обеспечении качества обслуживания (QoS) и управлении мобильностью пользователя, а также гибкое управление созданием новых услуг. В настоящее время стандартизация IMS (3GPP R.6-R.8) обеспечивает конвергенцию мобильных и фиксированных сетей без привязки к конкретной сети доступа. При этом архитектура IMS представляет собой набор логических функций, разделяемых на три уровня (рис. 1.12):
Характеристика надёжности резервируемых систем
В связи с тем, что все состояния рассматриваемой системы обслуживания сообщающиеся (рис. 4.5), а их число - конечно (0 i Vr+Kr), то в силу эргодичности получаемого случайного процесса стационарный режим функционирования и, соответственно, стационарные распределения вероятностей состояний (времени ожидания обслуживания и др.) существуют при любых начальных условиях и при любых загрузках рг, даже в случае переполняющих входящих потоков, когда Vr pr co.
Исходя из диаграммы состояний и переходов (рис. 4.5), по аналогии с решением (4.12) и диаграммой состояний и переходов (рис. 4.3), для каждого приоритетного класса можно непосредственно записать стационарное распределение вероятностей состояний узла коммутации типа Мг /М/Vr /Кг (при этом показатели общего для всех приоритетных классов ресурсов V, К заменяются показателями доступного ресурса Vr,Kr, г = \,R):
ВСД пакетов r-го приоритета в УК типа Мг /М/Vr /Кг может быть определена на основе выражения (4.28) путём подстановки P(wr Пптр(г)) (4.59).
В свою очередь производительность СМО Мг / М /Vr / Кг у (г) и обслуженная в ней нагрузка Yr, определяются выражениями (4.29), (4.30) путём подстановки в них выражений для Пп(г)- пптр(г)] и i TK (г, Fr) (4.54), соответственно.
Учёт влияния конечной (реальной) надёжности ОП на показатели качества функционирования УК типа Мг /М/Vr /Кг также реализуется на основе формулы полной вероятности по всем вариантам распределения числа исправных каналов (ОП) Е , k = 0,V (4.38) и условиям их наступления. Получаемые в результате выражения, характеризующие: совместную ФР времени ожидания (пребывания) пакетов r-го приоритета; вероятность отказа в обслуживании пакетов r-го приоритета; среднее время ожидания обслуживания и пребывания пакетов r-го приоритета, среднюю длину очереди пакетов r-го приоритета; вероятность того, что пакет r-го приоритета, поступивший в произвольный момент времени в УК, попадает на ожидание и среднее время его ожидания не превысит допустимого: P\wr tnn (г)J ; ВСД пакетов r-го приоритета и обслуженную нагрузку (производитель ность), аналогичны выражениям (4.39)-(4.49) для УК типа Mr IМIVIК и получаются при подстановки в них стационарного распределения вероятностей состояний (4.53) для УК типа Mr /M/Vr /Кг.
При этом разработанная модель УК типа Мг / М /Vr / Кг, учитывающая реальную надёжность обслуживающих приборов, является наиболее общей и при соответствующем выборе параметров может быть сведена к различным производным (частным) вариантам узлов коммутации, рассмотренным выше. Так, при Аг = 0 осуществляется переход к УК типа Мг /М /V/К без резервирования ресурсов (с полнодоступным включением каналов и буфера). Изменение параметра R изменяет тип дисциплины обслуживания. При R = 1 имеем обслуживание без приоритетов, а при R 1 - с относительными приоритетами. Соответственно, при К = 0 получаем модель УК с чистыми потерями. Варьирование интенсивностью отказов оборудования позволяет при XQ = 0 исследовать надёжные УК, в свою очередь, при Ло 0 учитывается конечная надёжность оборудования и ОП.
Метод моделирования процессов функционирования узлов коммутации сетей связи следующего поколения при произвольных распределениях поступления и обслуживания заявок различных классов качества (приоритетов)
Выше (п.п. 4.2, 4.3) на основе классической теории очередей получены точные решения для узлов коммутации NGN типа Мг /М /V / К, Мг /М /Vr / Кг с коммутацией пакетов переменной (экспоненциальной) длины, ограниченным буфером, относительными приоритетами, резервированием ресурсов, учётом реальной надёжности обслуживающих приборов, что являлось оценкой показателей качества их функционирования на наихудший случай. Вместе с тем согласно спецификаций протоколов IP, ATM сообщения, поступающие в УК, разбиваются на пакеты фиксированной длины (кадры, пакеты, ячейки). При этом длительность обслуживания пакетов различных приоритетов - случайная величина с вырожденной ФР6 [31, 35, 54, 147]:
Влияние конечной надёжности обслуживающих приборов на функционирование узлов коммутации типа My/M/V/K
С точки зрения моделирования сети связи могут классифицироваться как однородные и смешанные, открытые и замкнутые [38, 42, 48, 54, 132, 174, 175]. В однородных сетях циркулируют сообщения (пакеты) одного класса, в смешанных сетях циркулируют разнородные сообщения (пакеты) r = l,R классов с различными требованиями к качеству обслуживания /дс тр (г). В открытых сетях сообщения поступают извне и, пройдя определённый цикл обслуживания, покидают её. В замкнутых сетях сообщения извне не поступают и не покидают её, количество сообщений, циркулирующих в сети, постоянно.
Для анализа процессов функционирования сетей связи могут использоваться точные и приближённые методы. В ряде случаев для исследования процессов функционирования сетей связи может использоваться математический аппарат тензорного анализа [176, 177] и оптимального распределения потоков [34].
Точные методы анализа разработаны для однородных экспоненциальных (сеть Джексона) [48, 54, 132, 175], а также смешанных сетей связи (с несколькими классами сообщений), удовлетворяющих условию теоремы ВСМР (Baskett F., Chandy К., Muntz R., Palacios F) [32, 132]. Согласно условий теоремы при моделировании сети связи применяются следующие модели узлов коммутации:
Исследование процессов функционирования подобных сетей связи осуществляется с применением алгоритмов свёртки и анализа средних значений [32, 132, 174].
Алгоритм свёртки основан на составлении уравнений глобального баланса относительно вектора вероятностей состояний сети связи. При этом стационарные вероятности состояний данных сетей имеют мультипликативную форму и рассчитываются относительно нормализующей константы. Полученные стационарные вероятности состояний позволяют рассчитать среднее число сообщений и их задержки в сети. Однако при увеличении размерности сети применение данного алгоритма становится невозможным из-за большого числа состояний анализируемой сети и возникающими вычислительными трудностями, характерными для NP-полных задач. При этом наблюдается экспоненциальный рост числа операций в зависимости от числа узлов и классов сообщений [132].
Итерационный алгоритм анализа средних значений основан на применении формулы Литтла, что позволяет при расчёте среднего числа сообщений и их задержек в сети избежать трудностей, связанных с решением NP-полной задачи -определения распределения вероятностей состояний сети и нормализующей константы.
Вместе с тем необходимость исследования более широкого класса неэкспоненциальных смешанных сетей связи (с произвольной длительностью обслуживания, рекуррентными входящими потоками), в первую очередь мультисервисных сетей связи и сетей связи следующего поколения, определяет в дальнейшем использование приближённых методов анализа.
Имитационное моделирование является мощным, универсальным средством приближённого анализа сетей связи и основывается на теории вероятностей, математической статистики и планирования эксперимента. Вместе с тем имитационное моделирование во многом остается интуитивным процессом и требует значительных временных ресурсов на разработку и проведение экспериментов, особенно, для многопотоковых сетей большой размерности и при получении статистически устойчивых оценок для малых значений вероятностей событий (например, вероятности потери пакета 10 с точностью порядка 1%). Кроме того, имитационное моделирование зачастую не позволяет обнаружить закономерности в поведении узлов коммутации и для обеспечения достоверности результатов моделирования требует постоянного сравнения с известными ("эталонными") результатами. Для получения таких эталонных результатов и изучения закономерностей поведения узлов коммутации и применяют аналитические методы [32, 33, 162].
Аналитические приближённые методы исследования сетей связи различного назначения в настоящее время достаточно хорошо разработаны [32, 132, 174] и в большинстве случаев не требуют больших временных затрат на компьютерное моделирование, что и определяет их широкое применение. Преимущество аналитических методов заключается в том, что они позволяют за конечное число шагов получить точечные или интервальные оценки (верхние и нижние граничные оценки) процессов функционирования исследуемых сетей связи. При этом, как показывают исследования (п.п. 4.5, 5.5), характеристики функционирования большинства исследуемых сетей, в том числе и сетей NGN, лежат в интервале, задаваемом экспоненциальным (наихудший случай) и детерминированным (наилучший случай) временем обслуживания.
Рассмотрим наиболее известный в теории [32, 35, 42, 43, 126, 132, 165, 174, 204] приближённый метод - метод декомпозиционной аппроксимации, который эффективно применяется для исследования открытых и смешанных сетей связи в широком диапазоне изменения входных данных, типов сетевых структур, а также характеристик входящих потоков, длительностей и дисциплин обслуживания.
