Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Стратегия модернизатщи корпоративных frame relay сетей
1.1 Архитектура конвергентных Frame Relay-ЦВЧ сетей
1.2 Область применения и практический опыт организации Frame Relay-ЦВЧ
1.4 Степень разработанности тематики, посвященной ГР-ЦВЧ сетям
1.5 Стратегия модернизации Frame Relay-ЦВЧ сетей с применением ГР
ГЛАВА 2. Разработка методов повышения эффективности
2.1 Задачи
2.2 Оценка эффективности использования Ethernet-ретрансляторов для передачи
2.3 Разработка методов повышения эффективности передачи ГР-трафика в ЦВЧ сетях
2.3.1 Технологии организациитранспарентных синхронных соединений .
2.3.3 Факторы, осложняющие использование компрессии заголовков ГР-пакетов в ЦВЧ сетях
пакетов
2.3.4 Обоснование применения в ГР-ЦВЧ сетях сжатия заголовков VoIP
2.3.5 Аналитическое моделирование параметров передачи пакетов данных
гарантированной доставки со сжатием заголовков в ГР-ЦВЧ каналах 2.4 Расчет эффективности использования пропускной способности для ГР-ЦВЧ каналов на основе синхронных транспарентных соединений со сжатием заголовков ГР-пакетов
ГЛАВА 3. Исследование вопросов передачи трафика
3.1 Задачи
3.2 Анализ информационного трафика электроэнергетических предприятий .
3.3 Анализ информационного взаимодействия объектов в ЦВЧ сетях электроэнергетических предприятии
3.4.1 Выбор технологии приоритезации пакетов в ГР-ЦВЧ сетях
3.4.2 Выбор дисциплины обработки очередей в маршрутизаторах 5 9
3.5 Разработка метода управления интенсивностью передачи пакетов данных между Ethernet и WAN-интерфейсами маршрутизатора
3.6 Разработка правил планирования ГР-ЦВЧ сетей в рамках решения задачи по
обеспечению требований к задержке передачи речи 3.6.2 Концепция совместного использования ЦВЧ оборудования различной архитектуры
3.6.3 Расчет допустимого количества участков в транзитном ЦВЧ канале
ГЛАВА 4. Экспериментальное исследование методов
4.1 Задачи
4.2.3 Генерация ГР-трафика и измерение параметров его передачи
4.3 Экспериментальное исследование параметров работы компрессии
4.3.1 Методика и результаты эксперимента по определению эффективности передачи пакетов со сжатыми заголовками
4.3.2 Методика и результаты эксперимента по определению параметров работы технологий компрессии заголовков при воздействии помех
4.4 Экспериментальная проверка выбранных технологий приоритезации ГР
4.5 Экспериментальная оценка задержки передачи речевых сигналов в ЦВЧ
Заключение
Список использованнных источников
- Область применения и практический опыт организации Frame Relay-ЦВЧ
- Разработка методов повышения эффективности передачи ГР-трафика в ЦВЧ сетях
- Анализ информационного взаимодействия объектов в ЦВЧ сетях электроэнергетических предприятии
- Методика и результаты эксперимента по определению эффективности передачи пакетов со сжатыми заголовками
Введение к работе
Актуальность темы исследования. В корпоративных сетях связи электроэнергетических компаний цифровые каналы ВЧ связи (ЦВЧ) используются достаточно широко. Существуют пакетные конвергентные ЦВЧ сети на основе Frame Relay-технологии – Frame Relay-ЦВЧ сети.
Необходимость повышения эффективности пакетных ЦВЧ сетей и исследование методов перехода в них от Frame Relay к IP-технологии связана, в первую очередь, с двумя причинами. В последние годы со стороны эксплуатирующих организаций появились требования обеспечить возможность передачи IP-трафика в Frame Relay-ЦВЧ сетях, для чего требуется их серьезная модернизация. Из-за завершения производства Frame Relay мультиплексоров (FRAD) стало невозможным расширение существующих Frame Relay-ЦВЧ сетей. Для модернизации и расширения сети требуется использование альтернативного сетевого оборудования, идентичного по функциональности FRAD, но поддерживающего передачу IP-трафика.
Модернизацию Frame Relay-ЦВЧ сетей осложняет отсутствие научно-технической основы технологии создания ЦВЧ сетей на основе IP-протокола и методов обеспечения их эффективного функционирования.
Актуальность работы с экономической стороны подтверждается исследованиями рынка систем ВЧ связи (в целом для линий электропередачи низкого, среднего и высокого напряжения), проведенного компаний Markets&Markets. C 2012 по 2018 годы объем рынка увеличится почти втрое, доля ВЧ систем по высоковольтным линиям электропередачи составит более 12%.
Степень разработанности темы. В литературных источниках детальной информации о построении IP-сетей по ЦВЧ каналам найти не удалось. Наиболее близкой к теме исследования публикацией является работа «LAN/IP – Connections over HV Power Lines Using Digital PLC», авторами которой являются H. Spiess, А.Khatchatourov, V.Radziuk. В работе говорится об опыте организации межмашинного обмена по ВЛ 220 кВ. Итогом исследования является заключение о принципиальной возможности выполнения этой задачи с использованием ЦВЧ оборудования. Описание стратегии применения ВЧ оборудования в пакетных сетях электроэнергетических предприятий дано в работе «High Voltage PLC Roles in Packet Switching Networks of Power Utilities», авторы А. Muji, N. Suljanovi, M. Zaj, J. Tasi. Анализ применения Ethernet-технологии в современных телекоммуникационных сетях электроэнергетических компаний представлен в отчете рабочей группы D2.23 Совета CIGRE – «The use of Ethernet technology in the power utility environment».
Можно сказать, что тема организации конвергентных пакетных ЦВЧ сетей с применением IP-технологии, в литературе практически не раскрыта.
Объектом исследования являются корпоративные Frame Relay-сети электроэнергетических компаний, построенные с использованием ЦВЧ каналов
Предметом исследования являются методы сохранения функциональности и обеспечения технической эффективности ЦВЧ сетей при переходе от Frame Relay к IP-технологии.
Целью работы является повышение эффективности корпоративных пакетных ЦВЧ сетей электроэнергетических компаний путем применения в них вместо Frame Relay-технологии IP-технологии.
Задачи исследования
1. Разработка стратегии модернизации Frame Relay-ЦВЧ сетей на основе
применения IP-технологии.
-
Разработка методов организации IP-ЦВЧ каналов повышающих эффективность передачи IP-трафика в ЦВЧ сетях.
-
Разработка метода управления интенсивностью передачи пакетов данных между абонентскими Ethernet и линейными WAN-интерфейсами маршрутизатора на основе коррекции интенсивности потока данных.
-
Разработка правил планирования транзитных IP-ЦВЧ каналов согласно требованиям норм к задержке передачи речевых сигналов.
Научная новизна работы заключается в следующем:
-
Разработана стратегия модернизации пакетных ЦВЧ сетей, в которых используется технология Frame Relay, на основе применения IP-технологии, обеспечивающая сохранение их функциональности при высокой экономичности и технологичности перехода (модернизации).
-
Предложен метод организации IP-ЦВЧ каналов, отличающийся применением синхронной передачи данных через физические транспарентные WAN-соединения при сжатии заголовков IP-пакетов, позволяющий сохранить сопоставимую с Frame Relay-ЦВЧ сетями эффективность использования пропускной способности канала, обеспечивающий экономическую эффективность модернизации ЦВЧ сети.
-
Предложен метод управления интенсивностью передачи пакетов данных между абонентскими Ethernet и линейными WAN-интерфейсами маршрутизатора, отличающийся использованием буфера абонентского Ethernet-порта для временного хранения пакетов, что позволяет исключить перегрузки в IP-ЦВЧ сетях.
-
Установлены ограничения на использование ЦВЧ систем в транзитных каналах, обеспечивающие требования по допустимой задержке передачи речевых сигналов, позволяющие повысить качество проектирования IP-ЦВЧ сетей.
Теоретическая и практическая ценность полученных результатов состоит в возможности их использования при проектировании новых IP-ЦВЧ сетей и модернизации существующих Frame Relay-ЦВЧ сетей с применением IP-технологии.
Разработанные принципы организации IP-ЦВЧ сетей внедрены в корпоративных ЦВЧ сетях электроэнергетических предприятий России и Казахстана.
На основе исследований технологий компрессии заголовков IP-пакетов было опубликовано учебное пособие, которое успешно применяется в учебном процессе в Алматинском университете энергетики и связи при изучении дисциплин «IP-телефония и видеосвязь».
Рекомендации по организации IP-ЦВЧ каналов применяются в проектах организаций НПО «ЭКРА» (Россия), ТОО «СИМЕНС», АО «Казсельэнергопроект», АО «Казахстанский институт нефти и газа», АО «КАЗНИИПИЭТЭС «Энергия», ТОО «Talgau SM» (Казахстан), о чем имеются акты внедрении.
Методы исследования. Проведение исследований основывается на системном подходе к изучаемым вопросам, обобщении и анализе данных об опыте построения пакетных ЦВЧ сетей, расчетах с использованием математического аппарата теории вероятностей, и статистической обработки данных, натурном моделировании исследуемых явлений.
Положения выносимые на защиту:
-
Стратегия модернизации пакетных ЦВЧ сетей, в которых используется технология Frame Relay, на основе применения IP-технологии.
-
Метод организации IP-ЦВЧ каналов, отличающийся применением синхронной передачи данных через физические транспарентные WAN-соединения при сжатии заголовков IP-пакетов, позволяющий сохранить сопоставимую с Frame Relay-ЦВЧ сетями эффективность использования пропускной способности канала, обеспечивающий экономическую эффективность модернизации ЦВЧ сети.
-
Метод управления интенсивностью передачи пакетов данных между абонентскими Ethernet и линейными WAN-интерфейсами маршрутизатора, отличающийся использованием буфера абонентского Ethernet-порта для временного хранения пакетов, что позволяет исключить перегрузки в IP-ЦВЧ сетях.
-
Правила планирования транзитных IP-ЦВЧ каналов, обеспечивающие требования по допустимой задержке передачи речевых сигналов, позволяющие повысить качество проектирования IP-ЦВЧ сетей.
Достоверность научных и практических результатов работы. Диссертация охватывает основные вопросы научной задачи и соответствует критерию внутреннего единства, что подтверждается наличием последовательного плана исследования, концептуальностью и взаимосвязью выводов.
Правильность теоретических наработок подтверждена экспериментально с применением промышленных образцов ЦВЧ оборудования и опытом эксплуатации IP-ЦВЧ каналов, а также корректным использованием соответствующего математического аппарата.
Личный вклад автора. Все результаты диссертационной работы получены автором самостоятельно.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на следующих международных конференциях и форумах: IEEE Сибирская конференция по управлению и связи SIBCON-2015. Россия, Омск; International Energy Conference, IEEE ENERGYCON 2014. Хорватия, Дубровник, 2014; Second International Conference on Applied Innovations in IT, ICAIIT 2014. Германия, Кёттен, 2014; Всероссийская научно-техническая конференция с международным участием «Надежность функционирования и информационная безопасность телекоммуникационных систем железнодорожного транспорта». Россия, Омск, 2013; Международный форум по информатизации «Международный конгресс телекоммуникационные технологии и сети». Россия, Москва 2011, 2010; International Conference on Telecommunications and Network Engineering WASET ICTNE 2012. ОАЭ, Дубай, 2012; Международная научно-техническая конференция «Энергетика, телекоммуникации и высшее образование в современных условиях». Казахстан, Алматы, 2014, 2012; International Conference on Electrical Power and Energy Systems WASET ICEPES 2011. Нидерланды, Амстердам , 2011.
Публикации. Материалы, отражающие основные технические результаты диссертационной работы, опубликованы в сборниках докладов научно-технических конференций и в отраслевых журналах. Всего опубликована 19 работ, из них – 5 статей в изданиях, рекомендованных ВАК Министерства образования и науки Российской Федерации, 1 статья в коллективной монографии НП Сибирской ассоциации консультантов «СибАК» и 1 учебное пособие. Две работы включены в реферативную базу Scopus.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 4-х глав, заключения, списка сокращений и условных обозначений, списка использованных источников и 7 приложений. Работа содержит 138 страниц машинописного текста, включая приложения, и библиографический список из 81 наименования.
Область применения и практический опыт организации Frame Relay-ЦВЧ
Изменение затухания ВЧ тракта связано с образованием инея и гололеда на фазных проводах. При выпадении гололеда затухание ВЧ тракта может увеличиться более чем в два раза. Грозы, дожди, повышение влажности приводят к увеличению уровня шума в ВЛ. Худшим вариантом является одновременное воздействие обоих факторов, например, при мокром снеге. Влияние указанных факторов может приводить к уменьшению ОСШ в течение длительного времени - часов и даже суток. Методики расчета энергетических характеристик ВЧ трактов представлены в книгах отечественных и зарубежных авторов Г.В. Микуцкого, К.Я. Кафиевой, Я.Л. Быховского, Ю.П. ШкаринаМ.В. Костенко, М. Sanders и др. [5-19].
По своей природе ЦВЧ каналы имеют небольшую пропускную способность. Скорость передачи в них зависит от полосы пропускания, технической реализации модемов оборудования и энергетических характеристик ВЧ тракта.
Остановимся на характеристиках ЦВЧ оборудования. Сравнительное исследование характеристик современных ЦВЧ систем изложено в работе автора [21]. Спектральная эффективность современных ЦВЧ систем приближается к теоретическому пределу Шеннона и равна 8-10 Бит/с/Гц. На рисунке 1.2. приводится график зависимости спектральной эффективности r ЦВЧ оборудования от величины h [20].
Для ЦВЧ систем характерен большой разброс значений аппаратной задержки - от 20 до 180 мс, которая зависит от архитектуры оборудования [22]-[31]. В приложении 3 представлена сводная таблица с характеристиками ЦВЧ систем большинства мировых производителей. От 22 метим, что наиболее совершенными являются ЦВЧ системы PowerLink 50/100 (Siemens AG, Германия), ETL 600 (ABB, Швейцария), OPU-1 (DIMAT, Испания). Из отечественных произво дителей в этот ряд можно отнести оборудование ЦВК-16 производства НПФ «Модем».
ЦВЧ системы можно разделить на два класса - к первому относится оборудование с QAM модемами, ко второму классу - с OFDM модемами [21]. Характеристики систем внутри классов очень схожи. Аппаратная задержка ЦВЧ оборудования с OFDM модемами зависит от их полосы пропускания, для QAM систем такая зависимость почти отсутствует. Приведем типовые значения аппаратной задержки ЦВЧ систем:
Существующие Frame Relay-ЦВЧ сети организованы с использованием только ЦВЧ оборудования ESB2000i [32] и PowerLink 40/80 [33] с OFDM модемами. Каналы в этих сетях имеют полосу пропускания 8 кГц для соединений с транзитными участками и 4 или 8 кГц для соединений без транзита.
Энергетика ВЧ трактов такова, что построение ЦВЧ сетей наиболее перспективно преимущественно для ВЛ классов напряжения 35 и 110 кВ, реже 220 кВ, при протяженности до 150 км. Надо отметить, что существуют исключения, но это единичные случаи. В Казахстане организованы ЦВЧ каналы в полосе 4 кГц со скоростью передачи информации 19,2 кбит/с по ВЛ 500 кВ ПС «Агадырь-500» - Жезказганская ТЭЦ длиной 400 км, а также ПС «Есиль-500» -ПС «ЦГГШ-500» длиной 300 км, успешно эксплуатируемые уже более 8-ми лет. В обоих случаях частоты ВЧ каналов находятся в диапазоне ниже 50 кГц, передача данных и голоса осуществляется с использованием мультиплексоров FRAD (по данным технических отчетов ТОО «Сименс» Казахстан).
В телекоммуникационной сети электроэнергетических предприятий, как правило, используются несколько видов связи. Применение ЦВЧ каналов и построение ЦВЧ сетей в основном применяется для следующих случаев:
1. Организации связи на месторождениях полезных ископаемых, когда на сравнительно небольшой площади располагаются несколько подстанций 35 или 110 кВ, питающие насосы, экскаваторы и другие машины и приспособления, используемые при добыче руды. Решение широко востребовано в горнодобывающей отрасли. В Казахстане создана крупнейшая в СНГ Frame Relay-ЦВЧ сеть для узла ПС Ру-6, состоящая из 10 мультиплексоров FRAD и 13 ЦВЧ каналов. Связь осуществляется по линиям 110 и 35 кВ между подстанциями на рудниках (по данным технических отчетов ТОО «Сименс», Казахстан).
2. Организация каналов связи между подстанциями в малонаселенных регионах, расположенными в труднодоступных районах. Примером может служить электрическая сеть между небольшими гидроэлектростанциями и подстанциями, расположенными по руслу реки.
3. Решение «последней мили». В этом случае ЦВЧ оборудования используется для обеспечения связи между питающей подстанцией и подстанцией, располагающейся на территории какого-нибудь промышленного предприятия.
Информационная нагрузка в Frame Relay-ЦВЧ сетях состоит из речевых сигналов диспетчерской (ДКС) и технологической связи (ТКС), сигналов данных АСУ ТП и АПИС КУЭ, также возможна передача факсимильных сообщений. Рассмотрим несколько практических примеров построения FR-ЦВЧ сетей, реализова-ных в период 2005-2010 года в разных странах мира.
Первый проект по организации Frame Relay-ЦВЧ сети был выполнен более 10 лет назад. В горах Перу для связи с подстанциями на медных рудниках компании RED DE ISA была п-строена сеть связи, структурная схема которой показана на рисунке 1.3. Примечателен тот факт, что подстанция La Oroya расположена на высоте 5800 метров над уровнем моря.
В Приложении 4 показана Frame Relay-ЦВЧ сеть Жезказганской региональной электр-ческой компании (АО «ЖРЭК», Казахстан). Проект был выполнен в 2006-2008 гг. Линии эле-тропередачи, по которым организованы ЦВЧ каналы, имеют класс напряжения 220 и 110 кВ с протяженностью от 50 до 140 км. Годовой коэффициент готовности сети составляет 0,9991, что для ЦВЧ сетей является высоким показателем (по данным технических отчетов ТОО «Сименс», Казахстан). ЦВЧ каналы используются для передачи сигналов диспетчерской и технологической связи, а также сигналов данных системы АПИС КУЭ.
Интереснейший проект построения Frame Relay-ЦВЧ сети был выполнен в рамках м-дернизация электрической сети Монголии. Структурная схема сети с учетом включения в 2009 году российского сегмента приведена в приложении 5 (по данным технических отчетов ТОО «Сименс», Казахстан).
Между подстанциями и электростанциями, находящимися недалеко от города Улан-Батор, построено оптическое кольцо, а связь с удаленными регионами осуществляется через Frame Relay-ЦВЧ сеть. Для двух участков сети ТЭЦ-4 - ПС Багануур и ТЭЦ-4 - ПС Эрденет используются аналоговые ВЧ каналы связи.
В ходе реализации проекта было решено множество вопросов, в основном связанных с правильным частотным планированием. ЦВЧ каналы используются для передачи сигналов данных диспетчерской и технологической связи и данных системы АСУ ТП. Проект реализовывал-ся с 2005 по 2007 годы, коэффициент готовности ЦВЧ сети на момент завершения проекта составил 0,9987 (по данным технических отчетов ТОО «Сименс», Казахстан). Примечателен тот факт, что один из ЦВЧ каналов был организован по изолированному грозозащитному тросу.
В 2009 году было выполнено расширение сети и организация связи между двумя диспетчерскими центрами в городах Улан-Удэ и Улан-Батор (по данным технических отчетов ТОО «Сименс», Казахстан). На Российской стороне были организованы два ЦВЧ канала между Гу-синоозерской ГРЭС и ПС Селендума, которые через межгосударственную ВЛ 220кВ ПС Се-лендума - ПС Дархан были включены в ЦВЧ сеть на стороне Монголии.
В 2008 - 2010 годах был выполнен проект модернизации электроэнергетической сети Грузии. В этом проекте также было организовано оптическое кольцо между крупными подстанциями и подключение удаленных регионов с использованием ЦВЧ каналов связи. Отметим тот факт, что на момент завершения проекта в ЦВЧ сеть включала в себя два сегмента, построенных с использованием оборудования различных производителей, подключенного к однотипным узловым мультиплексорам FRAD. В сеть, организованную на оборудовании PowerLink, были включены два сегмента с оборудованием ETL 500 производства компании ABB.
Разработка методов повышения эффективности передачи ГР-трафика в ЦВЧ сетях
Информация о технологиях сжатия заголовков представлена в документах Request for Comments (RFC) инженерного совета Интернет (IETF). Отметим, что в русскоязычной литер-туре данная тематика почти не встречается. На основе изучения множества источников автором было издано учебное пособие, в котором подробно рассмотрены алгоритмы работы технологий компрессии заголовков [40]. Исследованию проблем применения технологий компрессии з-головков в беспроводных сетях посвящены работы [41-50]. Для того, чтобы в дальнейшем обосновать целесообразность применения технологий сжатия заголовков в IP-ЦВЧ каналах, приведем следующий теоретический базис.
Работа любой технологии компрессии основывается на том, что после установления се-сии в заголовках пакетов изменяется лишь незначительная часть полей. Большая часть полей в течение всей сессии остается статичной или меняется редко. При установлении сессии отправ-тель и получатель обмениваются так называемым контекстом (CONTEXT) сессии - информац-ей обо всех полях в заголовке IP-пакета. При использовании сжатия заголовков сторона отпр-вителя, выполняющая компрессию, именуется компрессором (COMPRESSOR), а сторона получателя, выполняющая их восстановление, - декомпрессором (DECOMPRESSOR).
Информация об изменении значений полей может передаваться несколькими методами. Наиболее простой - это передача абсолютных значений изменившихся полей. Причем в плане помехоустойчивости этот метод наиболее прост и совершенен. Это обусловлено тем, что при восстановлении заголовков пакеты не зависят друг от друга. Даже при потере групп пакетов, декомпрессор может восстанавливать заголовки, так как в сжатом заголовке присутствует вся информация об абсолютных значениях изменившихся полей.
Существует метод передачи дельта-значений изменившихся полей заголовка. В этом случае передается лишь разница между значениями полей соседних пакетов. Этот метод наз-вается DELTA-кодированием. Достоинством DELTA-кодирования является увеличение коэффициента компрессии в сравнении с методом передачи абсолютных значений. Недостатком я-ляется тот факт, что в процессе восстановления заголовков пакеты зависят друг от друга. Пот-ря даже единичного пакета может привести к аварии контекста сессии, так как, не имея данных об изменении дельта-значений да-ого пакета, декомпрессор не сможет восстановить заголовок пакета т+1.
Наиболее совершенным на сегодняшний день методом передачи информации об изм-нении значений полей заголовка является Window Based Least Significant Bit Encoding - или к-дирование младших бит внутри окна пакетов. У технологий компрессии, где используется WB-LSB кодирование, есть две основные особенности. Во-первых, декомпрессор может сохранять контекст сессии, если количество последовательно потерянных или принятых с ошибками п-кетов не превышает размер окна. Поэтому такие технологии компрессии могут успешно применяться в беспроводных каналах связи, где нередки замирания радиосигнала. Вторая особе-ность заключается в том, что в сжатых заголовках передается не дельта-значение изменения полей соседних заголовков, а информация о том, как меняются младшие биты полей, значения которых должны быть переданы. Такой подход позволяет увеличить коэффициент сжатия при сохранении высокой помехоустойчивости. Рассмотрим далее технологии компрессии на основе DELTA и WB-LSB кодирования и представим их классификацию.
Метод DELTA-кодирования является простейшим методом передачи информации об изменении значений полей заголовков. На основе этого метода работают технологии компрессии VJHC (RFC 1144), IPHC (RFC207), cRTP/ECRTP (RFC2508/3545). Рассмотрим специфику их работы.
RFC 1144 (Van Jacobson Header Compression) [51]. В 1990 году V. Jacobson (CISCO Systems) предложил технологию компрессии заголовков пакетов данных. По имени изобретателя сейчас ее именуют Van Jacobson Header Compression или VJHC. Документ описывает алгоритм сжатия заголовков IPv4/TCP. Технология позволяет уменьшить размер заголовка IPv4/TCP с 40 байт до минимального размера в 4-7 байт. Недостатком работы алгоритмов технологии VJHC является низкая помехоустойчивость и отсутствие механизмов восстановления контекста се-сии.
RFC 2507 (IP Header Compression) [52]. В 1999 году вышел в свет документ RFC 2507 IP Header Compression или IPHC. Авторами документа являются M. Degermark, B. Nordgren, S.Pink (Lulea University of Technology). IPHC является мультипротокольной технологией, позволяющей выполнять компрессию заголовков IPv4/IPv6, TCP и UDP. При этом алгоритмы работы компрессора и декомпрессора имеют существенные отличия в сравнении с технологией VJHC. При компрессии заголовков IPv4/TCP размер сжатого заголовка равен 4 - 7 байт, при компре-сии IPv4/UDP - 2 - 5 байт.
Для повышения помехоустойчивости работы декомпрессора в технологии IPHC был внесен ряд дополнений:
Применение алгоритa TWICE. Принцип работы алгоритма основывается на утверждении, что дельты полей заголовков для соседних пакетов имеют одинаковое значение. Поя-ним одну важную особенность того, как происходит потеря контекста сессии в декомпрессоре. Декомпрессор теряет контекст не в момент принятия пакета N, поврежденного ошибками, а в момент восстановления заголовка пакета N+1. Проверка контрольной суммы транспортного протокола TCP или UDP будет показывать ошибку, так как дельты полей заголовков пакета N+1 изменились больше, чем на заданную величину, например, 1. Алгоритм TWICE позволяет увеличить дельта значения полей заголовка на заданную величину. Если повторный расчет контрольной суммы транспортного протокола дает положительный результат, контекст сессии считается восстановленным, в противном случае требуется обновление контекста сессии путем передачи пакета с полноразмерным заголовком FULLHEADER. RFC 2508 (Compressed RTP) [53]. Принципы работы технологии компрессии cRTP описываются в документе RFC 2508, авторами которого являются S. Casner и V. Jacobson (CISCO Systems). Документ был издан в 1999 году. Фактически это адаптация алгоритмов, используемых в технологии IPHC RFC 2507, для передачи речевых пакетов. Сжатый заголовок IPv4/UDP/RTP имеет минимальный размер, равный 2-м байтам. При передаче значений проверочной суммы UDP размер заголовка увеличивается до 4-х байт.
Технология сжатия cRTP имеет ряд недостатков, связанных в основном с тем, что при повреждении контекста на линиях с большой задержкой до получения пакета FULLHEADER может быть потеряно большое количество пакетов. Улучшить помехоустойчивость можно, используя алгоритм TWICE, но при этом необходимо включать в передачу поле контрольной суммы UDP, что увеличивает размер сжатого заголовка до 4-х байт. Повреждение нагрузки пакета приводит к ошибке в контрольной сумме UDP. И даже, если вокодер способен исправлять ошибки, он не сможет обработать пакет, так как декомпрессор не восстановит заголовок и не передаст пакет приложению.
Анализ информационного взаимодействия объектов в ЦВЧ сетях электроэнергетических предприятии
Каждый из информационных сигналов характеризуется некоторой интенсивностью передачи пакетов. Для речевых сигналов интенсивность изначально определена, постоянна и зависит от специфики работы вокодера. Для сигналов данных интенсивность потока пакетов, попадающих в буфер очереди PQ, необходимо регулировать и ограничивать. Поясним, с чем связана эта необходимость. В FR-сетях устройства передачи данных подключаются к FRAD через интерфейсы со скоростью передачи килобиты в секунду. Скорость передачи линейного интерфейса FRAD также имеет размерность килобиты в секунду. В ІР-ЦВЧ сетях скорость абонентского интерфейса Ethernet имеет размерность мегабиты в секунду, что на три порядка больше скорости линейного WAN-интерфейса. При использовании метода PQ из-за большой разницы между скоростью абонентских Ethernet-интерфейсов и линейного WAN-интерфейса может возникнуть следующая проблема. Допустим, что приложение генерирует единовременно X] пакетов данных с высоким приоритетом, и все они через интерфейс Ethernet оказываются в буфере маршрутизатора в классе очередей PQ №2. Если маршрутизатор получает от второго линейного интерфейса транзитный сигнал данных того же приоритета, он ставит его в очередь за уже обрабатываемыми пакетами, которые он получил с собственного Ethernet-интерфейса. И пока «собственные» пакеты не будут переданы полностью, транзитный пакет будет ждать, потому что у всех пакетов сигнала D1 одинаковая метка ГР Precedence, и все они обрабатываются оче 69 редью №2. Происходит блокирование обслуживания пакетов. Естественно, что в этом случае, чем дальше находится подстанция, тем хуже будут условия передачи от нее сигналов данных.
Поэтому в IP-ЦВЧ сетях существует задача поиска методов и подходов к обработке сетевого трафика таким образом, чтобы при передаче высокоприоритетных пакетов данных исключить появление в ЦВЧ сети пиков нагрузки, описанных в вышеприведенном примере. Ф-зически скорость передачи информации Ethernet-интерфейса остается равной 10 или 100 Мбит/с, но в буфер PQ, где происходит распределение в очереди, пакеты должны передаваться со скоростью несколько килобит в секунду.
Необходимо разработать метод управления интенсивностью передачи пакетов данных между абонентскими Ethernet и линейными WAN-интерфейсами маршрутизатора на основе коррекции параметров входящего потока данных.
Рассмотрим вопрос о том, какие особенности необходимо учитывать при передаче пакетов данных в IP-ЦВЧ сетях. Передача данных между подстанциями производится с использов-нием транспортного протокола гарантированной доставки - TCP. Специфика работы протокола такова, что в базовой конфигурации подтверждения о принятии пересылается для каждого вт-рого сегмента.
Изначально ЦВЧ системы характеризуются большой аппаратной задержкой 7PROC. При организации транзитных ЦВЧ каналов задержка передачи данных может достигать нескольких сотен миллисекунд. При одинаковом объеме данных очень сложно обеспечить одинаковые условия передачи для подстанций, находящихся на разном удалении от диспетчерского центра.
Для того, чтобы показать, что происходит при передаче данных с подтверждением пр-нятия каждого второго сегмента, были построены временные диаграммы для значений задер-ки кругового времени передачи RTTот 100 до 600 мс - рисунок 3.5 (а-г). Условимся, что в зн-чении RTT учитывается только аппаратная задержка ЦВЧ систем и не учитывается задержка обслуживания пакетов на WAN-интерфейсов, так как она зависит от количества транзитных маршрутизаторов и пропускной способности ЦВЧ каналов. В данном случае необходимо тол-ко понимание общей картины. Рисунок 3.5- диаграммы передачи данных с подтверждением каждого второго сегмента Естественно, что с увеличением значения RTT уменьшается количество пакетов, которое может быть передано в единицу времени. На практике диаграммы (а) и (б) означают передачу данных без транзитных участков, причем, только для ЦВЧ оборудования с OFDM модемом с полосой пропускания не менее 12 кГц или QAM-модемами (при любой полосе), так как они имеют относительно низкую аппаратную задержку в 20-40 мс. Диаграмма (в) характерна для систем с OFDM-модемами с полосой 4 кГц. При организации транзитных участков характеризовать передачу данных будут только диаграммы (в) и (г).
Из-за большой задержки RTT в ІР-ЦВЧ сетях будет наблюдаться явление низкой загрузки канала. Для систем, передающих очень небольшой объем данных, например, системы АИИ-СКУЭ ничего менять или адаптировать не требуется.
Возникает вопрос о том, как повысить эффективность загрузки канала связи при передаче данных и при этом исключить возникновение пиков нагрузки внутри сети при организации транзитных ЦВЧ каналов. В системах АСУ ТП, как правило, позволяется настраивать объем данных, который может быть передан до получения первого подтверждения. При передаче данных между компьютерами работу протокола TCP можно адаптировать с использованием функций настройки частоты подтверждений, селективных подтверждений, регулировкой размера окна TCP. Но, если УСПД передаст в буфер PQ сразу несколько десятков пакетов, будет наблюдаться явление блокировки обслуживания транзитных пакетов с одинаковым приоритетом обработки. Пояснение этому явлению было приведено ранее. Следовательно, нужен метод, который позволит УСПД передать маршрутизатору некоторое количество пакетов, но при этом обеспечит отсутствие перегрузки в маршрутизаторе и блокировку обслуживания транзитных пакетов.
Достичь этого можно внесением задержки передачи пакетов данных с абонентского Ethernet-порта в буфер PQ линейного порта. Используя функцию ограничения пропускной способности можно логически реализовать схему подключения УСПД к маршрутизатору, как в Frame Relay-ЦВЧ сетях - со скоростью несколько килобит в секунду.
На Рисунке 3.6 представлена функциональная схема маршрутизатора, на которой показаны какие аппаратные и логические функции задействованы при переде данных. На схеме показаны линейные синхронные WAN-интерфейсы (Х.21), абонентский интерфейс Ethernet, к которому подключено УСПД или компьютер, буферы FIFO и PQ, ограничитель пропускной способности BWP (Bandwidth Policing). На WAN-интерфейсах выполняется процедура компрессии/декомпрессии заголовков ГР-пакетов - НС.
Предложен следующий метод управления интенсивностью пакетов данных: до того, как поступить в буфер PQ пакеты с Ethernet-интерфейса хранятся в его собственном аппаратном буфере FIFO. То есть, выполняется временное хранение данных в аппаратном буфере Ethernet-интерфейса и их постепенная передача с постоянной интенсивностью в буфер PQ за счет использования функции BWP. Регулируя значение CBWP, можно варьировать скорость передачи пакетов из буфера FIFO в буфер PQ, то есть выполнять ограничение и регулирование интенсивности потока пакетов данных Лц. Фактически обеспечивается скорость подключения УСПД к сетевому оборудованию, как в Frame Relay-сетях. При этом внутри ІДВЧ канала интенсивность пакетов данных всегда будет постоянной. Объем данных WDATA, с учетом всех заголовков информационного кадра, который единовременно передается от УСПД или компьютера WDATA должен быть меньше размера буфера FIFO абонентского Ethernet-интерфейса маршрутизатора
Методика и результаты эксперимента по определению эффективности передачи пакетов со сжатыми заголовками
Для подтверждения корректности результатов теоретических исследований, полученных в предыдущих главах, необходимо выполнить ряд натурных экспериментов с применением л-бораторного стенда, а также провести линейные испытания работы IPВЧ канала в условиях реальной ЛЭП. 1. Разработка стенда для проведений натурных испытаний работы IP-ЦВЧ сетей. 2. Экспериментальное исследование параметров работы технологий компрессии заг-ловков IP-пакетов с имитацией воздействия мешающих факторов, характерных для ЛЭП. 3. Экспериментальная проверка работы методов приоритезации и обработки очередей IP-пакетов в IP-ЦВЧ сетях. 4. Измерение задержки передачи речевых сигналов в IP-ЦВЧ сетях в зависимости от х-рактеристик ЦВЧ оборудования и количества транзитных участков. 5. Проведение линейных испытаний IP-ЦВЧ канала. 4.2 Разработка испытательного стенда Для проведения натурных испытаний работы IP-ЦВЧ сетей необходимо собрать эксп-риментальный стенд, составляющие элементы которого должны обеспечивать выполнение сл-дующих функций: 1. Генерировать IP-трафик с заданными параметрами, выполнять измерение параметров передачи IP-пакетов. 2. Выполнять компрессию заголовков IP-пакетов речи и данных и осуществлять управление трафиком. 3. Имитировать воздействие погодных факторов. 4.2.1 Описание испытательного стенда Для проведения эксперимента был разработан и собран стенд, структурная схема кот-рого показана на рисунке 4.1.
Оборудование имеет встроенную функцию определения величины коэффициента ошибок. Минимальный коэффициент Кош, при котором еще возможна синхронизация между модемами, примерно равен 10" . Модем ЦВЧ оборудования работает с OFDM модуляцией. В зависимости от полосы пропускания оборудование имеет следующие величины аппаратной задержки: при В = 4 кГц, Гркос = 160 мс; при 5 = 8 кГц, ТШОс = 80 мс; при В 12 кГц, ТШОс = 40 мс.
Компьютеры с установленным программным обеспечением (ПО) для тестирования пакетных сетей IXIA v6.70 [76]. ПО IXIA позволяет производить тестирование пакетных сетей путем генерации различных видов сетевого трафика и измерения параметров передачи пакетов. Структурная схема тестирования IP-сети с использованием ПО IXIA показана на рисунке 4.3.
На компьютере ПК1 устанавливается ПО консоли управления (CONSOLE) и ПО к-нечного терминала (END POINT), на компьютерах ПК2 устанавливается ПО конечного терм-нала. Компьютер ПК 2 имеет в своем составе LAN-карту с 4-мя Ethernet-интерфейсами, IP-адреса которых могут быть сконфигурированы под разные подсети. Реализация двух конечных терминалов на ПК2 выполнена с помощью ПО Virtual Machine с загруженным образом отдел-ного ПК. Консоль формирует участников передачи сигнала. Можно задать количество и пар-метры передаваемых сигналов и номера задействованных в процессе передачи конечных терминалов. После завершения тестирования консольный терминал формирует отчет о выполне-ных измерениях. ПК 3, 4 и 5 используются только в опыте по определению задержки передачи речи в МСКС.
В ходе тестирования измеряются значения задержки передачи в одну сторону OWD (One Way Transmission), задержки передачи из конца в конец EED (End to End Transmission), джитте-pa пакетов, процента потерянных пакетов, нагрузки в канале и ряда других параметров. Путем конфигурации настроек шаблонов различного вида трафика можно получить требуемые исходные характеристики информационных кадров: размер, количество, временной период передачи и частоту генерации.
При измерении параметров передачи пакетов VoIP обязательным является синхрониз-ция времени ПК, на которых установлены консоль и конечные терминалы. Чем выше прецези-онность синхронизации времени ПК, тем точнее будут проводиться измерения. Лучшие показ-тели обеспечивает использование специализированных GPS приемников IXIA, но ввиду их о-сутствия синхронизация выполняется с использованием NTP сервера Symmetricom Sync Server 100 [77].
Анализатор AnCom A7-307 [78]. Анализатор предназначен специально для измерения параметров ВЧ каналов и имеет в своем составе генератор различных сигналов, в том числе генератор белого шума и спектроанализатор;
Сеть, реализованная на испытательном стенде, состоит из 4-х ЦВЧ каналов. Физически используются 2 комплекта (по 2 устройства) ЦВЧ оборудования. Используя встроенный мул-типлексор с двумя интерфейсами X.21, имитируется 4-х сегментный ЦВЧ канал. Скорость п-редачи для каждого участка выбирается программным путем.
Соединение между ЦВЧ оборудованием и IP-маршрутизаторами выполняется через и-терфейс X.21. На стороне оборудования PowerLink отсутствуют провода управления CONTROL и INDICATION, поэтому интерфейс был адаптирован для того, чтобы маршрутизатор, раб-тающий в режиме DTE, мог принимать синхросигнал TIMING от оборудования ВЧ связи. На рисунке 4.4 приводится схема сигналов интерфейсов X.21 оборудования PowerLink и маршрутизаторов CISCO.