Содержание к диссертации
Введение
1 Анализ проблем маршрутизации вызовов в низкоскоростной сети связи с коммутацией каналов 13
1.1 Общая характеристика области и предмета исследования 13
1.1.1 Область исследования 13
1.1.2 Разделение маршрутизации на два этапа 15
1.1.3 Особенность исследования сетей связи с коммутацией каналов 16
1.1.4 Проблемы сети связи с низкоскоростными каналами связи 17
1.2 Существующие методы решения проблем и их недостатки 17
1.2.1 Увеличение числа линий связи 17
1.2.2 Увеличение скорости передачи в линиях связи 18
1.2.3 Замена парка оборудования в узлах коммутации 19
1.2.4 Выводы 19
1.3 Анализ используемых в настоящее время методов статической маршрутизации 19
1.3.1 Иерархическая маршрутизация 19
1.3.2 Альтернативная маршрутизация на основе топологии 20
1.3.3 Альтернативная маршрутизация на основе таблиц маршрутов 21
1.3.4 Выводы 22
1.4 Анализ методов динамической маршрутизации 23
1.4.1 Динамическая маршрутизация, зависящая от времени 23
1.4.2 Динамическая маршрутизация, зависящая от состояния линий связи 25
1.4.3 Динамическая маршрутизация, зависящая от события 30
1.5 Выводы и формулировка основных задач исследования 31
2 Разработка алгоритмов динамической маршрутизации вызовов для низкоскоростных сетей связи с коммутацией каналов 34
2.1 Анализ математических моделей узла коммутации 34
2.1.1 Общая модель динамической маршрутизации 34
2.1.2 Модели процесса формирования плана распределения информации 35
2.1.3 Модель процесса выбора исходящих линий связи в узле коммутации 39
2.1.4 Математические модели узла коммутации 40
2.1.5 Обобщенная математическая модель системы распределения информации в узле коммутации 46
2.2 Разработка алгоритма изолированно-адаптационной маршрутизации на основе регрессионного анализа 48
2.2.1 Постановка задачи 48
2.2.2 Описание алгоритма маршрутизации 49
2.2.3 Пример использования алгоритма маршрутизации 55
2.3 Разработка алгоритма распределенно-адаптационной
маршрутизации на основе регрессионного анализа 59
2.3.1 Постановка задачи 59
2.3.2 Описание алгоритма 61
2.3.3 Пример использования алгоритма 65
2.4 Оценка временной сложности алгоритмов динамической маршрутизации для низкоскоростных каналов связи 67
2.4.1 Методика оценки временной сложности алгоритмов маршрутизации 67
2.4.2 Результаты оценки временной сложности алгоритмов динамической маршрутизации 72
2.5 Определение позиции предложенных адаптационных алгоритмов в
общей классификации динамической маршрутизации вызовов 72
2.6 Выводы по главе 2 74
3 Исследование алгоритмов динамической маршрутизации вызовов для низкоскоростных территориально-распределенных сетей связи 75
3.1 Имитационное моделирование работы узла коммутации 75
3.1.1 Описание этапов моделирования 75
3.1.2 Формирование модели работы узла коммутации 76
3.1.3 Методика процесса имитации территориально-распределенной сети связи с коммутацией каналов 81
3.2 Имитационное исследование на основе данных сети связи в
лаборатории 84
3.2.1 Описание имитационной системы связи 84
3.2.2 Результаты моделирования 87
3.3 Имитационное исследование на основе данных реальной сети связи
91
3.3.1 Описание имитационной системы связи 91
3.3.2 Результаты моделирования 95
3.4 Выводы по главе 3 98
4 Натурное испытание адаптационных алгоритмов динамической маршрутизации вызовов в низкоскоростной сети связи с коммутацией каналов 100
4.1 Объектно-ориентированное представление абстрактного типа данных алгоритма динамической маршрутизации 100
4.1.1 Абстрагирование элементов узла коммутации 100
4.1.2 Разработка взаимосвязи структур данных 102
4.2 Реализация программного обеспечения модуля маршрутизации . 103
4.2.1 Использование ЭВМ для управления узлом коммутации 103
4.2.2 Схема реализации алгоритмов маршрутизации вызовов 112
4.3 Натурное исследование временных характеристик алгоритмов маршрутизации для низкоскоростной сети связи 113
4.4 Натурное исследование алгоритмов маршрутизации для 4 низкоскоростной сети связи в лабораторных условиях 116
4.4.1 Описание системы связи в лаборатории 116
4.4.2 Результаты исследования 118
4.5 Выводы по главе 4 121
Заключение 122
Список литературы
- Разделение маршрутизации на два этапа
- Модели процесса формирования плана распределения информации
- Формирование модели работы узла коммутации
- Реализация программного обеспечения модуля маршрутизации
Введение к работе
Сегодня низкоскоростная территориально-распределенная сеть связи с коммутацией каналов - доминирующая технология передачи голоса и данных. Эта сеть связи включает в себя совокупность узлов коммутации, линий связи и абонентов (терминалов) [77].
При взаимодействии путем коммутации каналов предполагается, что между двумя узлами коммутации существует выделенный маршрут. Этот маршрут представляет собой связную последовательность линий связи между узлами коммутации. Установка выделенного маршрута (установка канала) включает процедуры маршрутизации и передачи управляющих сигналов. Наиболее распространенным примером сети с коммутацией каналов является телефонная сеть.
При установке маршрута от узла источника к узлу получателю для уменьшения времени установления соединения требуется минимизировать количество используемых узлов коммутации и линий связи. Кроме этого, сеть связи должна предоставлять маршрут при любых неисправностях линий связи или узлов коммутации [77].
В настоящее время 80% цифровых каналов, проложенных на всей территории РФ, имеет низкую скорость передачи 1,2 - 9,6 кбит/сек. Постоянное увеличение числа вызовов на одну линию связи приводит к снижению качества обслуживания в низкоскоростных сетях связи, определяемое средним временем установления соединения и вероятностью блокировки вызовов. Эффективное управление вызовами в низкоскоростных сетях связи возможно только заменой узлов коммутации современными аппаратно-программными комплексами управления вызовами, включающими в себя процесс маршрутизации вызовов [26], [19].
На эксплуатирующихся сегодня узлах коммутации используются статические методы маршрутизации (иерархическая, альтернативная маршрутизация). Для них характерны следующие недостатки: отсутствие возможности
адаптации к изменяющимся условиям, постоянная схема маршрутизации для конкретной сети связи, избыточное и неэффективное использование ресурсов и отсутствие глобальной оптимизации сети связи [43], [44].
Простые динамические методы маршрутизации (зависящие от времени и события) не обеспечивают адекватное реагирование на неожиданные события в сети в реальном масштабе времени, так же в этих методах отсутствует прогноз успешности установки соединения и с увеличением числа вызовов значительно увеличивается вероятность блокировки (примеры систем динамической маршрутизации: DNHR, STR, DAR, STT, LAW, AMI).
Высокоэффективные алгоритмы динамической маршрутизации, зависящие от состояния канала (примеры систем динамической маршрутизации: GTAI, DCR, WIN, RTNR, RINR) требуют наличия общеканальной сигнализации, которая может быть реализована только в высокоскоростной сети связи с коммутацией каналов (от 64 кбит/сек) [59], [20].
Таким образом, на низкоскоростных территориально-распределенных сетях связи с коммутацией каналов существуют следующие проблемы:
низкая достоверность вызовов, когда сетью выбираются ненадежные линии связи;
низкая оперативность, когда затрачивается относительно большой период времени для установки канала связи;
низкая пропускная способность из-за несоответствия числа соединительных линий направления и числа соединительных линий реально требуемого для обслуживания поступившей нагрузки;
отсутствие процесса автоматического переход на резервные соединительные линии;
- отсутствие автоматического восстановления после сбоев и отказов.
Следовательно, существующая низкоскоростная территориально-
распределенная сеть связи с коммутацией каналов, использующая статические методы маршрутизации, работает ненадежно, а в часы наивысшей на-
грузки может вообще не работать, при возрастающей нагрузке на узлы коммутации [77], [73].
Большой вклад в развитие методов динамической маршрутизации вызовов в сетях связи с коммутацией каналов внесли Р. Гиббенс, Франк Келли, Г.Р. Эш, А. Чанг, Э. Вонг, Б.С. Гольдштейн, М.П. Березко, В.М. Вишневский, В.И. Нейман, Т.М. Мансуров, К.А. Мешковский, А.Ю. Рокотян, А.Ю. Гребешков и многие другие авторы. По вопросам разработки и анализа динамических алгоритмов маршрутизации высокоскоростных сетей связи имеются многочисленные научные публикации как зарубежных, так и отечественных авторов. Большая их часть посвящена проблемам коммутации пакетов [64], [65], [23], однако на низких скоростях организовать пакетную передачу речи достаточного качества невозможно, и поэтому сегодня коммутация каналов представляет собой основную технологию передачи голоса и данных [59].
В научных публикациях не отражена:
четкая классификация алгоритмов маршрутизации в сетях связи с коммутацией каналов;
проблема оптимизации объема служебной информации, передаваемой от узла к узлу при обновлении таблицы коммутации;
проблема уязвимости к изменениям сетевой ситуации при распределенной маршрутизации в сетях связи с коммутацией каналов;
методика моделирования процесса маршрутизации в низкоскоростных территориально-распределенных сетях связи с коммутацией каналов.
Целью работы является разработка алгоритмов динамической маршрутизации вызовов в низкоскоростных территориально-распределенных сетях связи с коммутацией каналов, уменьшающих среднее время установления соединения и вероятность блокировки вызовов.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
рассмотреть текущее состояние и проблемы низкоскоростной терри-ториально-распределенной сети связи с коммутацией каналов и провести анализ существующих методов динамической маршрутизации вызовов;
исследовать методы динамической маршрутизации, повышающие эффективность использования каналов связи, а также проанализировать влияние отказов системы на изменения характеристик маршрутизации системы связи;
разработать алгоритмы динамической маршрутизации вызовов, позволяющие снизить среднее время установления связи по альтернативному направлению плана связи и уменьшить вероятность блокировки вызовов;
исследовать временную сложность разработанных алгоритмов;
провести имитационное моделирование с целью исследования вероятностно-временных характеристик разработанных алгоритмов динамической маршрутизации вызовов;
экспериментально проверить теоретические исследования в условиях перегрузок и отказов оборудования.
Методы исследования. В работе использовались методы математического и имитационного моделирования. Использованы элементы теории статистического анализа, теории телетрафика.
Научная новизна работы заключается в том, что впервые предложены:
систематизация алгоритмов маршрутизации на основе обзора литературы;
алгоритм изолированно-адаптационной динамической маршрутизации на основе регрессионного анализа;
алгоритм распределенно-адаптационной динамической маршрутизации на основе регрессионного анализа;
объектно-ориентированное представление абстрактного типа данных алгоритма динамической маршрутизации.
Практическая значимость полученных в работе результатов:
разработанные алгоритмы динамической маршрутизации позволяют повысить эффективность функционирования существующих низкоскоростных сетей связи с коммутацией каналов, уменьшив время установки соединения на 20% и вероятность блокировки вызовов от 1,2 до 2,2 раза в зависимости от нагрузки;
предложенные алгоритмы позволяют разработать модуль нового поколения для автоматической телефонной станции ведомственного назначения в низкоскоростных сетях связи;
предложенные модели облегчают разработку программного обеспечения для модуля маршрутизации.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях и семинарах:
1. XIII Всероссийская научно-техническая конференция (Computer-
Based Conference). Н.Новгород, 2004г.
Международный Форум по проблемам науки, техники и образования (International Forum), Москва, 2004г.
XXX Гагаринские чтения. Москва, 2004г.
XI Всероссийская научно-техническую конференция студентов, молодых ученых и специалистов. Рязанская государственная радиотехническая академия, Рязань, 2006г.
Международная научная конференция. Таганрогский государственный радиотехнический университет, Таганрог, 2006г.
Публикации по теме диссертации. По теме диссертации опубликовано 14 работ, включая 9 статей и 5 тезисов докладов.
Результаты внедрения.
Разработанные алгоритмы адаптационной маршрутизации для низкоскоростных сетей связи были внедрены в изделиях, выпускаемых ОАО НПП "Звукотехника".
Методика моделирования работы территориально-распределенной сети связи с коммутацией каналов в локальной сети из ЭВМ использованы в процессе разработки программного обеспечения на ОАО НПП "Звукотехника" и в учебном процессе МИ ВлГУ.
Основные результаты и научные положения, выносимые на защиту.
- алгоритм изолированно-адаптационной динамической маршрутиза
ции вызовов на основе регрессионного анализа;
алгоритм распределено-адаптационной динамической маршрутизации вызовов на основе регрессионного анализа;
схема объектно-ориентированное представления абстрактного типа данных для алгоритмов динамической маршрутизации;
методика и результаты имитационного моделирования алгоритмов динамической маршрутизации вызовов в низкоскоростных сетях связи с коммутацией каналов.
Структура работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы. Объем диссертации составляет 141 страницу машинописного текста, включая 50 рисунков, 23 таблицы, список литературы из 106 наименований, включая 14 работ автора.
В первой главе проведен анализ проблем маршрутизации вызовов в низкоскоростных сетях связи с коммутацией каналов. Рассмотрена общая характеристика территориально-распределенной сети связи с коммутацией каналов. Определены проблемы и выявлены методы их решения. Приведен анализ алгоритмов динамической маршрутизации вызовов и сформулированы основные задачи исследования.
Во второй главе проведен анализ математических моделей динамической маршрутизации вызовов и составлена обобщенная математическая модель. Предложены алгоритмы динамической маршрутизации вызовов с использованием регрессионного анализа. Приведена оценка временной сложности алгоритмов маршрутизации.
В третьей главе исследованы алгоритмы динамической маршрутизации вызовов в низкоскоростных сетях связи с коммутацией каналов методами имитационного моделирования. Результаты представлены для трех разных алгоритмов маршрутизации на сети связи из семи и двадцати двух узлов коммутации.
В четвертой главе предложено объектно-ориентированное представление абстрактного типа данных алгоритма динамической маршрутизации. Рассмотрены особенности реализации динамической маршрутизации вызовов. Приведены результаты натуральных испытаний в лабораторных условиях.
В заключении сформулированы основные результаты.
В приложении приведены описание аппаратно-программного комплекса узла коммутации, материалы по имитационному моделированию работы алгоритмов маршрутизации на основе данных реальной сети связи РФ и акт внедрения научных положений и выводов.
Разделение маршрутизации на два этапа
Анализируя процедуры, участвующие в формировании маршрутов, можно заключить, что маршрутизация состоит из двух этапов: - формирование плана распределения информации (ПРИ) на сети связи; - выбор исходящих линий связи в узле коммутации при поиске маршрута между узлом источником и узлом приемником.
В модели взаимосвязи открытых систем (ВОС) функции маршрутизации возложены на третий, сетевой уровень. Данный уровень удобно представить в виде подуровней (рисунок 1.3). На третьем, верхнем подуровне производится формирование ПРИ и принятие решения о его коррекции. Первоначально ПРИ формируется администрацией при проектировании или модификации сети связи [45], [78].
Формирование и корректировка ПРИ 3-Й ПОДУрОВЄНЬ Выбор исходящей ЛС 2-Й ПОДУрОВЄНЬ Передача сообщения с входящей ЛС в J _g ПОДУрОВЄНЬ исходящую ЛС Рисунок 1.3 - Подуровни сетевого уровня
Частота коррекции ПРИ зависит от многих факторов: - использование статических или динамических методов маршрутизации; - набора статистики за определенный период времени о состоянии элементов сети связи (неисправность и перегруженность); - степени централизации устройств управления сетью связи (централизованные, децентрализованные или комбинированные методы управления); - возможности администрации влиять на процесс управления сетью связи; - наличие постоянных (не коммутируемых) соединений между пользо вателями сети связи. Сформированные таблицы маршрутизации для каждого УК передаются на второй подуровень.
На втором подуровне решается задача определения и выбора (в каждом транзитном УК, начиная с УИ) исходящих ЛС. Вызывающий пользователь сети инициирует вызовы на установление соединения с вызываемым пользователем. Пакет вызова, проходя через узлы коммутации, обращается к таблицам маршрутизации, которые сформированы на третьем подуровне. Затем пакет вызова определяет исходящие ЛС. Таким образом, в каждом транзитном УК, начиная с УИ, формируются таблицы коммутации. В таблице коммутации указываются конкретные исходящие ЛС, участвующие в формировании маршрута между вызывающим и вызываемым пользователями.
Сформированные таблицы коммутации передаются на первый подуровень. В данном подуровне в соответствии с таблицами коммутации происхо-дит передача сообщения по маршруту, сформированному на втором подуровне.
Особенность исследования сетей связи с коммутацией каналов Территориально-распределенные сети связи с коммутацией каналов имеют следующие особенности: - низкая скорость передачи информации (от 1,2 кбит/с до 9,6 кбит/с по каналу связи), то есть для управления сетью в реальном времени требуется минимизировать объем передаваемой управляющей информации; - передача управляющих сигналов может быть внутриканальной или по выделенному сигнальному каналу, то есть объем информации для обмена между УК ограничен особенностями кодирования; - в территориально-распределенной сети связи пучок дальних ЛС очень мал и соединительные линии в нем нестабильны; - сеть связи ведомственная, следовательно, отсутствуют предложения оборудования на рынке РФ со специальными требованиями.
Проблемы сети связи с низкоскоростными каналами связи Низкая скорость передачи в каналах связи и несовершенство управляющего оборудования создает ряд проблем в территориально-распределенной сети связи: - низкая достоверность вызовов - сетью выбираются ненадежные соединительные линии; - низкая оперативность - относительно большой период времени для установки канала связи; - низкая пропускная способность - несоответствие количества ЛС направления и реальной нагрузки на данном направлении; - отсутствие процесса автоматического переход на резервные ЛС; - отсутствие автоматического восстановления после сбоев и отказов.
Следовательно, существующая сеть связи с низкоскоростными каналами связи работает ненадежно, а в часы наивысшей нагрузки (ЧНН) вообще может не работать. По данным [92] на рисунке 1.4 видно, что если в ближайшее время не внедрить динамическую маршрутизацию на низкоскоростных каналах, то качество обслуживания вызовов (среднее время установления соединения) будет резко ухудшаться, особенно в часы наивысшей нагрузки. Использование [52] позволяет существенно, на двадцать процентов, уменьшить среднее время установления соединения, приближая низкоскоростные сети связи по этому параметру к высокоскоростным сетям.
Пример использования: на малых не территориально распределенных сетях связи (малые учрежденческие АТС в небольших торговых фирмах, маленьких офисах или магазинах).
Модели процесса формирования плана распределения информации
Для решения поставленных выше задач необходимо разработать математическую модель, которая описывает состояние узла коммутации в любой момент времени и упрощает процесс разработки алгоритмов динамической маршрутизации для низкоскоростных сетей связи.
Варианты математической модели рассмотрены многими авторами [17], [78], [5], [62], [35], [96], [98], [46]. Им присущ недостаток - отсутствие реакции на изменения в сети связи и оперативного реагирования на появление нового узла коммутации.
Общая модель динамической маршрутизации
Для реализации маршрутизации на сети связи в каждом транзитном узле коммутации формируется таблица маршрутизации, которая представляет собой матрицу размерностью (5-1)хЯу Ми) = т(/.] ,nw = ,...,т?,...,т%т%...,т)Р)\ (2.1) (S-D. где S - количество узлов коммутации в сети; Я. - количество исходящих линий связи из/-го узла коммутации.
Матрица MU) (2.1) содержит информацию о предпочтительности выбора исходящей линии связи (ЛС) из у -го узла коммутации при поиске маршрута к z -му узлу. Первый элемент т р вектор-строки указывает номер исходящей линии связи из у-го узла коммутации к смежному узлу коммутации, которую предпочтительнее выбрать для организации маршрута к r -му узлу коммутации. Второй элемент указывает номер следующей исходящей линии связи из 7-го узла коммутации к другому смежному узлу коммутации, которая менее предпочтительна для организации искомого маршрута. И так до #у-го элемента вектор-строки [78], [82].
Недостатки: математическую модель можно использовать только для маршрутизации на текущем узле коммутации.
Достоинства: математическая модель однозначно определяет исходящую линию связи для организации оптимального маршрута.
Модели процесса формирования плана распределения информации
а) Формирование плана распределения информации (ПРИ) осуществляется на основе накопленной ранее статистики установления соединения между заданной парой узлов коммутации. Перед началом использования необходимо сформировать начальный ПРИ в виде набора таблиц маршрутизации. Для того, чтобы объективно оценить каждый маршрут, составим сначала матрицу весовых коэффициентов, где каждому значению возможного направления присваивается некоторый весовой коэффициент р\(]. Причем р]л = (р ,...,р ,...,р ); v = ljt; i,j = lS; i j, нормируется / =1. в Ре"
Определение маршрута и формирование ПРИ на сети осуществляется следующим образом. Во всех транзитных узлах коммутации при поиске маршрута к і-му узлу происходит обращение к /-м строкам матриц маршрутизации (2.2). В /-х строках определяется максимальный весовой коэффициент р)?. Тем самым выбирается v-я исходящая линия связи mj-то узла коммутации при организации маршрута к і-му узлу коммутации. В результате данных действий маршрут между заданной парой узлов коммутации будет либо определен, либо данной заявке на определение маршрута будет дан отказ. В первом случае все линии связи, входящие в данный маршрут, поощряются. Весовые коэффициенты р\р данных исходящих линий связи увеличиваются. Во втором случае, когда маршрут не определен, исходящие линии связи, участвующие в данном поиске, штрафуются. Весовые коэффициенты р\р данных исходящих линий связи уменьшаются. В обоих случаях строки j?!/ ; i,j = \,S; ІФ], элементы которых были изменены, нормируются [82], [78].
Таким образом, в процессе эксплуатации сети формируется оптимальный ПРИ. Здесь критерием оптимальности является результат организации маршрутов.
Недостатки: математическую модель можно использовать только для маршрутизации на текущем узле коммутации.
Достоинства: математическая модель однозначно определяет исходящую линию связи для организации оптимального маршрута. б) Модель на основе задачи минимизации.
Маршрутизация в сетях связи основывается, в первую очередь, на решении задачи перечисления возможных путей между соединяемыми абонентами [75]. На множестве узлов сети или вершин представляющего его графа можно определить бинарное отношение (/, у), которое каждой /-ой вершине ставит в соответствие множество {/ } соединенных с ней вершину. Бинарное отношение, очевидно, перечисляет все пути глубиной 1 (прямые соединения) в графе сети. В целях перечисления путей глубиной 2 и более можно воспользоваться следующим подходом. Определим матрицу А, элементами ач которой являются последовательности (i, j), и матрицу А , получающуюся из А при отбрасывании первого элемента в каждой последовательности (i, j). Введем операцию умножения последовательностей [83], [77]: (/,...; ) (к,...т) = (i,...j, к,...т\ j Ф к, и операцию сложения (i,...j)+(k,...m)=(i,...j)[}(k,...m\ Тогда пути глубиной 2 определяются из матрицы Аг=А А , элементы которой а] представляет собой сумму путей вида (i, k, j) из вершины і в вершину j . Пути глубины г определяются рекуррентным способом: А =Аг- А ,г = 2,... (2.4)
Для перечисления путей между вершинами сети или, что эквивалентно, для определения элементов матриц А можно использовать алгоритмы, основанные на графах [71], [6].
Выбор пути передачи информации из имеющегося списка может основываться на процедуре минимизации функции стоимости, зависящей от глубины пути, коэффициентов загрузки и параметров качества каналов, соединяющих узлы сети связи: (tf JV- P„,6)=arg mmw\g;K(PH,Pj\j = l,..Ji\, (2.5) qe(l,...N) где q - глубина пути, К (рн,р,) - вектор коэффициентов загрузки и параметров качества канала, соединяющего узлы Р., и Р.,и {?,} - множество последовательностей вершин путей глубины q, соединяющих вершины а и Ъ. При этом Ри=а и Pq=b.
Решение задачи минимизации (2.5) предполагает наличие в каждом узле информации о состоянии всей сети, получение которой представляется делом практически безнадежным. Поэтому более реальным является децентрализованный способ выбора маршрута, по которому каждый к-й узел определяет направление передачи на основании коэффициентов загрузки и параметров качества каналов, соединяющих этот узел с соседним, а также на основании длины ранее сформированной части пути (от а до к).
Формирование модели работы узла коммутации
Исходя из цели диссертации, требуется определить эффективность разработанных алгоритмов. Для этого оптимально использование имитационного моделирования. В имитационной модели поведение компонент системы описывается набором алгоритмов, с помощью которых реализуются ситуации, возникающие в реальной системе связи. С помощью имитационной модели невозможно заранее вычислить или предсказать поведение системы, для этого необходим эксперимент на имитационной модели при заданных исходных данных. Поэтому для имитации на ЭВМ необходимо конструирование имитационной модели и ее испытания, а также применение модели для изучения проблем динамической маршрутизации.
Реализуя реальные ситуации на имитационной модели, получим возможность решения следующих задач: - оценки среднего времени установления соединения для различных алгоритмов динамической маршрутизации; - оценки вероятности блокировки вызовов для различных алгоритмов динамической маршрутизации; - сравнение показателей алгоритмов динамической маршрутизации для различных вариантов структуры системы связи.
Процесс конструирования имитационной модели носит эволюционный характер: начиная с простой модели, затем усложняя и отрабатывая ее.
Имитационное моделирование выполнено по следующей схеме [76], [87]: - определение системы - установление границ, ограничений и измерителей эффективности; - формирование модели - переход от реальной системы к некоторой логической схеме (абстрагирование); - подготовка данных - отбор данных, необходимых для построения модели и представления их в соответствующей форме; - трансляция модели - описание модели на языке, приемлемом для используемой ЭВМ; - оценка адекватности - повышение до приемлемого уровня степени уверенности, с которой можно судить относительно корректности вывода о реальной системе, полученной на основании обращения к модели; - стратегическое планирование - планирование эксперимента, который должен дать необходимую информацию; - тактическое планирование - определение способа проведения каждой серии испытаний, предусмотренных планом эксперимента; - экспериментирование - процесс осуществления имитации, с целью получения желаемых выходных данных и анализ чувствительности; - интерпретация - построение выводов по данным, полученным с помощью имитации; - реализация - практическое использование модели или результатов моделирования; - документирование - регистрация кода осуществления проекта и его результат, документирование процесса создания и использования модели.
Формирование модели работы узла коммутации Процесс функционирования УК можно рассматривать как последовательную смену его состояний zj(t), z2(t), ... zn(t) в «-мерном фазовом пространстве [39]. Для работы узла коммутации характерны шесть следующих состояний (Рисунок 3.1): -Z](t) -исходное, определяется Ф\ (t, Si, Tj)\ - z2(t) - исходящий вызов, определяется Ф2(и St, ТІ); -z3(t) - входящий вызов, определяется 03(t, St ТІ); - z4(t) - разговор, определяется &4(t, Sit T); - z5(t) - отказ, определяется 0s(t, Sb Ті); -z6(t) - ошибка (неисправность), определяется Ф$, Sb TJ, где Si - входные параметры, 7} - выходные параметры.
Процесс функционирования системы для рассмотренных моментов времени t характеризует свойства системы. Пусть имеются некоторые математические СООТНОШеНИЯ, СВЯЗЫВаЮЩИе СОСТОЯНИЯ СИСТеМЫ Zj(t), z2(t),..., zn(t) с ее параметрами и временем, а также начальные условия: zf, z2, ... , zn для начального момента времени t0.
Предположим сначала, что поведение системы детерминировано, т. е. случайные факторы отсутствуют, тогда состояние процесса функционирования системы УК в момент времени t t0 может быть однозначно определено по математической модели z(t + At) = ФсоспгоянияШ, z(t - At), ... , Z(t + K At), X, t], (3.1) где z(t)=zj(t) ... z„(t) - вектор состояний; x=X]... xn- вектор параметров; Фсостояния- персональный обработчик состояния.
Организуется счетчик системного времени, который в начальный момент показывает время t0, тогда -() = z,- , V{ є І,п. Прибавим интервал времени At, тогда счетчик будет показывать время t\ - t0 + At. Вычислим значение z,- (to + At) по формуле (3.1), предполагая, что z(t0 - At) = 0. Затем перейдем к t2 = tj + At и т. д. Укрупненная схема, моделирующая алгоритм обновления состояний соединительных линий имеет вид, приведенный на рисунке 3.2.
При моделировании алгоритмов динамической маршрутизации вызовов присутствуют случайные факторы, новые состояния вычисляются с учетом индивидуального функционала. Принцип At является самым универсальным принципом моделирования алгоритмов сложных систем [87], [39].
При рассмотрении УК можно обнаружить существенную неравноправность состояний системы в заданном интервале времени. Действительно, имеет место 2 типа состояний: - обычное (не особое) - состояние, в котором система находится почти все время (исходное, разговор); - необычное (особое) состояние - характерное для систем в некоторые изолированные моменты времени (ошибка, исходящий вызов, входящий вызов), совпадающие с моментом поступления в систему входных сигналов из внешней среды или с выходом одной из фазовых координат z,- (t) на границу области существования системы.
Реализация программного обеспечения модуля маршрутизации
Управление объектами - одно из основных назначений компьютера, поэтому использование вычислительной техники для управления устройством узла коммутации является вполне естественным процессом. Использование такого подхода позволяет построить управляющую систему для узла коммутации на базе персонального компьютера, для чего тот оснащается средствами взаимодействия с устройством управления и устройством коммутации [11], [14], [48].
Программное обеспечение должно выполнять все основные функции, необходимые для работы узла коммутации [43], [47]: - установление и сброс соединений между абонентами и каналами. - опрос и отображение на экране монитора состояния подключенных к узлу коммутации устройств (абонентских и канальных комплектов); - удобное изменение параметров устройств на основе редактирования баз данных абонентских и канальных комплектов; - получение статистических данных о нагрузках на абоненты и каналы; - диагностирование исправности абонентов и каналов и получение результатов отчета в удобном виде.
Предлагается программное обеспечение организовать из трех уровней: - программное обеспечение нижнего уровня предназначено для непосредственного взаимодействия с аппаратурой. В нем представлены подпрограммы для чтения/записи данных в абонентские и канальные устройства, обработки поступающих от них прерываний и программирования коммутационного устройства. При этом информация обо всех устройствах унифицируется и представляется в виде одной структуры "Физ. устройство" (Рисунок 4.2). - программное обеспечение среднего уровня предназначено для непосредственной обработки поступающих от устройств команд. В процессе их обработки состояние устройств меняется и происходит создание, изменение и уничтожение соединений между устройствами: "Устройство", "Соединение". - графической оболочки, осуществляющий весь процесс диалога с пользователем на основе диалоговых окон и меню. Этот компонент исполь зует программное обеспечение среднего уровня для получения информации о текущем состоянии устройств и обратного воздействия, связанного с изменением конфигурации устройств.
Все находящиеся в системе устройства предлагается пронумеровать уникальными станционными номерами, под которыми хранится информация в базе данных. Абонентские и канальные комплекты кроме станционных номеров обладают еще и сетевыми номера, т.е. номерами, используемыми при доступе с телефонного аппарата. Кроме того, абонентские комплекты содержат информацию о категории (т.е. уровне привилегий) и разрешенных видах дополнительного обслуживания (установление исходящих соединений, возможность переадресации разговора, установления справок в процессе разговора и получении уведомления о вызове). Канальные комплекты должны содержать информацию о настройках (виде связи, используемом при соединении через устройство и виде используемой аппаратуры) [34].
Все подключаемые к узлу коммутации устройства предлагается обобщить, и для каждого из них заводится структура данных, содержащая следующие данные об устройстве: - тип устройства; - номер устройства в общей системе нумерации устройств; - флаги, отражающие текущее состояние устройства; - указатель на структуру данных, описывающую устройство управления, через которое идет обмен данными с устройством; - буфер для хранения посылаемой или принимаемой информации; - указатели на подпрограммы, выполняемые при получении сигналов от устройства; - указатель на структуру данных, описывающую устройство на более высоком уровне.
При получении команды от устройства управления из полученного пакета извлекаются данные об устройстве, пославшем команду, и находится соответствующая структура, описывающая данное устройство. По данным из этой структуры определяется текущее состояние устройства и то действие, которое необходимо предпринять в ответ на полученную команду.
Для осуществления передачи команд через устройство управления рационально организовать очередь передаваемых команд. При необходимости передать команду в устройство для команды заводится пакет, который необходимым образом заполняется и ставится в очередь на передачу. По мере того, как устройство управления освобождается, со стороны ЭВМ происходит выборка пакетов на передачу из очереди и выдача их в устройство управления.
Для осуществления управления устройством коммутации целесообразно завести прямоугольную таблицу коммутации, в которую будут заноситься данные о соединяемых между собой устройствах (Рисунок 4.3). Данные из этой таблицы периодически, например, по сигналам таймера, необходимо записывать в устройство коммутации для отражения текущего состояния [60].
