Содержание к диссертации
Введение
1. Мультисервисная сеть и методы коммутации 11
1.1. Возникновение концепции NGN 11
1.2. Виды трафика 14
1.3. Стандартизация сетей следующего поколения 17
1.4. Методы коммутации 18
1.4.1. Коммутация каналов 19
1.4.2. Коммутация пакетов 21
1.4.3. Коммутация ячеек (ATM) 24
1.5. Сравнение существующих методов коммутации с точки зрения их
применимости для построения МСС 24
1.6. Требования к мультисервисной сети 28
Выводы 32
2. Обобщенный подход к коммутации 33
2.1. Коммутируемый блок данных 33
2.2. Интервал мультиплексирования 34
2.3. Методы идентификации блоков данных (соединений) 36
2.4. Коммутация блоков 39
2.5. Коммутация блоков, КК и КП 46
2.6. Коммутация блоков в синхронной среде 48
2.7. Коммутация блоков в асинхронной среде 49
2.8. Коммутация блоков и уровневая модель 50
Выводы 52
3. Анализ метода коммутации блоков на основе аналитических моделей 53
3.1. Модель коммутатора блоков с изменяемой длительностью интервала мультиплексирования 53
3.1.1. ВВХ для модели коммутатора блоков 61
3.1.2. Оценка параметров коммутатора блоков для реальных условий 64
3.1.3. Аппроксимация зависимостей вероятности потери блока 66
3.2. Модель коммутатора блоков при использовании ИМ постоянной
длительности 69
3.2.1. ВВХ для модели коммутатора блоков с постоянной длиной ИМ 71
3.3. Аналитическая модель коммутатора для метода коммутации пакетов 74
3.3.1. ВВХ для модели коммутатора пакетов 79
3.4. Сравнение методов КП, КБ с фиксированной длиной ИМ и КБ с переменной длиной ИМ на аналитических моделях 81
3.5. Аналитическая модель коммутатора с произвольной вариацией длины ИМ в общем виде 86
3.6. Аналитическая модель метода КБ для цепочки из нескольких узлов 88
3.6.1. Расчет вероятности потери блока для цепочки из нескольких коммутаторов 89
3.6.2. Расчет задержки при прохождении блока по сегменту сети 90
3.7. Решение задач на аналитической модели 91
3.7.1. Определение допустимой длины интервала мультиплексирования...91
3.7.2. Определение максимально допустимой нагрузки на сеть 94
3.8. Модель On-Off трафика реального времени 97
Выводы 100
4. Построение имитационной модели предлагаемого метода коммутации 101
4.1. Требования к модели 102
4.2. Выбор пакета прикладных программ (111Ш) имитационного моделирования 103
4.2.1. Пакеты сетевого моделирования 103
4.2.2. Универсальные пакеты имитационного моделирования 106
4.3. Введение в профессиональную среду моделирования гибридных систем AnyLogic 5.0 Ill
4.3.1. Структурная модель AnyLogic 112
4.3.2. Модель поведения (карты состояний) 112
4.4. Описание разработанной имитационной модели на базе выбранного пакета прикладных программ 114
4.4.1. Главный объект программы: Сеть 115
4.4.2. Каналы связи между сетевыми устройствами 116
4.4.3. Класс коммутатора 116
4.4.4. Классы сетевых окончаний 122
4.5. Схема и режимы работы модели 124
4.5.1. Виды собираемой информации 125
4.6. Результаты моделирования 126
4.6.1. Сравнение результатов вычислений аналитической и имитационной моделей для одного коммутатора 126
4.6.2. Сравнение моделей источников: биномиальная модель и модель On-Off 130
4.7. Моделирование сети из нескольких узлов 134
4.7.1. Модель №1. Сеть из четырех узлов - кольцо 135
4.7.2. Модель №2. Сеть из восьми узлов - кольцо 137
4.7.3. Модель №3. Сеть из шести узлов - цепочка 140
Выводы 142
Заключение 144
Литература
- Возникновение концепции NGN
- Коммутируемый блок данных
- Модель коммутатора блоков с изменяемой длительностью интервала мультиплексирования
- Выбор пакета прикладных программ (111Ш) имитационного моделирования
Введение к работе
Актуальность работы. В настоящее время активно обсуждается проблема создания мультисервисных сетей, т.е. сетей, обеспечивающих передачу трафика различного вида: данные, речь, видео,.... Важным вопросом при построении мультисервисных сетей является выбор технологии, на основе которой будут строиться такие сети.
Вопросы построения мультисервисных сетей активно исследуются в работах отечественных (Б.С.Гольдштейн, А.Е.Кучерявый, А.Н.Назаров, Н.А.Соколов, М.А.Шнепс-Шнеппе, Г.Г.Яновский, и др.) и зарубежных (U.Black, J.Davidson, S.Fisher, J.M.Garcia, D.McDysan, D.Minoli, F.A.Tobagi, и др.) авторов.
Большинство специалистов в настоящее время склоняются к использованию технологии IP в качестве платформы для построения сетей NGN. Тем не менее, построение NGN на основе этой технологии сопряжено с рядом проблем, связанных с тем, что технология IP разрабатывалась как технология передачи данных, и передача трафика реального времени в рамках этой технологии сталкивается с рядом трудностей.
Таким образом, вопрос выбора транспортной технологии для построения сетей NGN нельзя считать окончательно решенным.
Цели и задачи исследования. Цель работы состоит в формулировании общего подхода к коммутации, на основе которого предлагается вариант технологии для построения мультисервисной сети.
Для достижения поставленной цели в диссертационной работе решаются следующие задачи:
1. анализ существующих технологий с точки зрения построения на их основе мультисервисной сети;
формулирование обобщенного подхода к методам коммутации, анализ методов коммутации с точки зрения предложенного подхода;
разработка нового метода коммутации блоков (КБ), совмещающего в себе преимущества методов коммутации каналов (КК) и коммутации пакетов (КП);
разработка моделей расчета ВВХ для технологии КБ с постоянным и изменяемым интервалом мультиплексирования (ИМ), а также технологии КП;
сравнение существующих методов коммутации и предлагаемой технологии на основе аналитических и имитационных моделей.
Методы исследования. Проводимые исследования базируются на теории вероятностей, теории численного анализа, теории массового обслуживания и методах имитационного моделирования.
Для численного анализа, проведения вычислений использовались математические пакеты Maple V, TableCurve 2D, TableCurve 3D.
Имитационное моделирование выполнялось с помощью разработанной автором программы на языке Java с использованием библиотек имитационного моделирования ППП AnyLogic 5.0.
Научная новизна. Основные результаты диссертации, обладающие научной новизной:
Обобщение существующих методов коммутации и формулирование обобщенного подхода к коммутации;
Разработка нового метода коммутации блоков (КБ);
Разработка аналитических моделей для расчета ВВХ метода коммутации блоков с ИМ постоянной длительности, метода коммутации блоков с ИМ переменной длительности и метода коммутации пакетов;
Решение задачи расчета параметров сети, работающей по методу КБ при заданных требованиях на разработанной аналитической модели;
Разработка модели на языке JAVA, моделирующей работу сети, построенной по предлагаемому методу. Модель позволяет моделировать сети произвольной топологии с различным количеством узлов (параметры сети, топология, количество узлов задается пользователем с помощью графического интерфейса).
Практическая ценность. Основным практическим результатом диссертационной работы является предложение прототипа сетевой технологии КБ, на основе нового подхода к коммутации, являющегося обобщением методов КП и КК, получение формул для расчета ВВХ для предлагаемой технологии, сравнение метода КБ с существующими на основе аналитических моделей и имитационного моделирования.
Реализация результатов работы. Результаты диссертационной работы использованы при разработке патента РФ, что подтверждается соответствующим документом.
Апробация работы и публикации. Результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на всероссийских и международных научных конференциях: NEW2AN, AFCEA Summit, JASS'2005, а также на научно-технических конференциях и семинарах СПбГУТ.
Основные положения диссертации изложены в 5 докладах на научно-технических конференциях, 5 статьях, а также в патенте РФ.
Основные положения, выносимые на защиту:
Классификация методов коммутации.
Обобщенный подход к коммутации.
Прототип сетевой технологии, базирующийся на предлагаемом подходе.
Аналитические модели расчета параметров сети и ВВХ для предлагаемой сетевой технологии.
Имитационная модель сети, функционирующая по предлагаемой технологии
Личный вклад автора. Основные результаты теоретических и прикладных исследований получены автором самостоятельно. В работах, опубликованных в соавторстве, соискателю принадлежит основная роль при постановке и решении задач и обобщении полученных результатов.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложений. Работа содержит 120 страниц текста, 60 рисунков, 7 таблиц.
Возникновение концепции NGN
На рубеже 20-21 вв. появились публикации, авторы которых пытались сформулировать основные направления развития инфокоммуникаций. Тогда и был введен термин «Сети нового поколения». Чаще в отечественной технической литературе встречается аббревиатура NGN - Next Generation Network.
Л В течение многих лет развития электросвязи основная часть сетей обслуживала узкополосный речевой трафик (ТфОП, подвижная связь 1G и 2G). В это время трафик данных составлял порядка долей процентов от суммарного речевого трафика. Но, начиная с 90-х годов прошлого века, объем трафика данных начинает резко расти. Это явилось следствием широкого распространения ПК и развития сети Интернет, которая стала доступной не только корпоративным, но и частным пользователям, что привело к росту объема таких услуг, как электронная почта, web-приложения и т.п.
Изменение структуры трафика оказало существенное влияние на ф структуру сетей. Взрывной характер роста трафика данных определил изменение требований к полосе пропускания как сетей доступа, так и ф транспортных. Вместе с тем, рост пропускной способности трактов приводит к проблеме создания сетевых узлов с адекватной производительностью. Сети передачи данных определили переход от коммутации каналов к коммутации пакетов, в частности, активное внедрение IP-сетей. Развитие сетей IP привело к распространенности открытых интерфейсов, приведших к явлению «смерти расстояний», позволившему уже сегодня стереть разницу между точками присутствия пользователя. Службы имеют тенденцию к персонализации, становятся все более мобильными и многофункциональными.
Перечисленные процессы привели к идее создания единой сети общего пользования, поддерживающей передачу различных видов трафика, построенной на базе универсальной технологии, обеспечивающей оговоренное в рамках конкретной услуги качество обслуживания. Такая сеть получила название сети следующего поколения (Next Generation Network, NGN). На рубеже веков появился еще один похожий термин: «New Public Network». Соответствующее сокращение (NPN) отличается от аббревиатуры NGN всего одной буквой. Второй термин подчеркивает, что речь идет о # новой сети общего пользования, а не о частных сетях. Аббревиатура NPN не нашла широкого применения, хотя этот вариант названия новой концепции развития инфокоммуникационной системы представляется довольно удачным.
Чуть раньше в отечественных и зарубежных публикациях появился термин «мультисервисная сеть». Этот термин относился к сетям, обеспечивающим обмен информацией различного рода. Прежде всего, речь шла о трех видах информации: речь, данные и видео. В англоязычной технической литературе появился соответствующий термин для описания предоставляемых услуг: «Triple-Play Services».
Концепция NGN также основана на идее мультисервисности. Можно считать, что концепция NGN - один из способов практической реализации ф мультисервисного обслуживания.
Говоря об истории возникновения этого понятия, необходимо отметить несколько важных этапов. Первые шаги были сделаны в 1980-е годы с возникновением узкополосной N-ISDN, когда впервые появился доступ к телефонной станции с конфигураций каналов B+D. Такой доступ сначала также относился к концепции цифровой сети интегрального обслуживания.
Позже, когда были стандартизованы два вида доступа: 2B+D и 30B+D л (существует также доступ на основе каналов НО и НІ) в рекомендациях Международного союза электросвязи (МСЭ) серии I появилось и внятное определение ISDN - цифровой сети интегрального обслуживания (ЦСИО).
На рубеже 80-90х годов возникает концепция B-ISDN или широкополосная цифровая сеть интегрального обслуживания (ШЦСИО), что является фактически синонимом мультисервисной сети. Реализация концепции ШЦСИО предполагалась на базе технологии ATM. Эта технология изначально создавалась как универсальная технология для передачи всех видов информации. Можно сказать, что именно ATM была первой технологией, направленной на построение широкополосной сети интегрального обслуживания.
Тем не менее, несмотря на возлагаемые надежды, ATM не смогла завоевать рынок, и в данное время концепцию NGN связывают с пакетными технологиями и, прежде всего, с технологией TCP/IP
Действительно, в настоящее время наиболее быстрым способом внедрения новых широкополосных услуг является способ использования пакетной коммутации, с использованием широко распространенного стека протоколов TCP/IP. Однако, как это будет показано далее, эффективность этого решения не столь однозначна.
Развитие инфокоммуникаций сопровождается ужесточением требований к качеству и надежности связи. Рекомендация МСЭ Y.1541 устанавливает жесткие нормы на показатели качества обслуживания трафика в пакетных сетях. Сложнее всего обеспечить выполнение этих показателей в период смены технологий коммутаций, т. е. сосуществования сетей с различным поколением систем распределения информации.
Коммутируемый блок данных
Под интервалом мультиплексирования (ИМ) для группы очередей понимается интервал времени, в течение которого реализуется обслуживание всех блоков данных, находящихся в очередях этой группы к началу данного интервала.
Предполагается, что поступающие на входы узла коммутации блоки данных дифференцированы по каким-либо признакам (соединения, потоки, классы обслуживания, и т.д.) и для блоков данных, имеющих общий признак, выделена отдельная очередь.
В частном случае, группа может состоять из одной очереди или, вообще, использоваться одна общая очередь. Количество блоков данных, содержащихся в интервале мультиплексирования, а также их размер может изменяться во времени. Соответственно, интервал мультиплексирования также может иметь переменную длительность. В общем случае, может быть определено несколько ИМ для различных групп очередей.
Например, при коммутации каналов цифровой телефонной сети общего пользования ИМ - это цикл длительностью 125мкс, в котором синхронно мультиплексируются однобайтовые блоки данных (см. рис. 2.1). ИМ в данном случае имеет постоянный размер и, соответственно, длительность во времени. Здесь и далее для упрощения на рисунках не показаны признаки начала циклов (цикловая синхронизация в случае цифровой КК).
Рассмотрим очередь пакетов на выходном порту коммутатора пакетов в момент времени t. Как видно из рисунка, она состоит из 4 пакетов разного размера. Данные пакеты буду мультиплексироваться в канале данных в течение некоторого времени, который, как определялось выше, имеет название интервала мультиплексирования.
В момент времени t2, следующий сразу после окончания передачи пакетов, находившихся в очереди коммутатора в момент времени іІ5 очередь на выходном порту коммутатора пакетов состоит на этот раз из трех пакетов другой длины. Т.о. следующий ИМ будет иметь другой размер и, соответственно, длительность. Таким образом, можно говорить о том, что в случае коммутации пакетов ИМ тоже присутствует, однако имеет переменную длительность.
В КП минимальный размер ИМ определяется временем передачи пакета минимального размера, максимальный размер ИМ - временем передачи пакетов из полностью заполненного буфера коммутатора.
В случае использования нескольких очередей на коммутаторе (при использовании механизмов приоритезации), можно говорить о существовании различных ИМ для каждой из очередей.
Существующие сетевые технологии используют три метода идентификации блоков данных: 1. Идентификация с помощью адресов получателя и отправителя; 2. Идентификация с помощью меток; 3. Идентификация с помощью позиции блока в ИМ. Первый метод идентификации используется в датаграммном режиме КП. Второй метод характерен для КП в режиме виртуальных соединений. Третий метод идентификации с помощью позиций используется в цифровых сетях КК (см. рис. 2.3).
Идентификаторы (метки) | Блоки данных | Свободно Рис. 2.4. Идентификация с помощью меток в режиме КК Каждый блок данных имеет перед собой идентификатор, который указывает, к какому соединению относится данный блок.
Аналогично в качестве меток можно использовать и адреса получателя и отправителя (что характерно для датаграммного режима). Идентификация с использованием позиций в режиме К11 Менее очевидна возможность использования позиций для идентификации блоков данных в режиме КП. На рис. 2.5 приведен пример использования метода позиционной идентификации в режиме КП.
За каждым соединением на этапе установления соединения закрепляется определенная позиция в ИМ. Например, за соединением А закреплена первая позиция, за соединением В - вторая (см. рис. 2.5).
Модель коммутатора блоков с изменяемой длительностью интервала мультиплексирования
Модель представляет собой мультиплексор, с множеством входов (по числу источников блоков данных) и одним выходом с фиксированной полосой пропускания. На входы мультиплексора поступают блоки данных от разных источников. Мультиплексор передает их на выход, размещая их внутри интервалов мультиплексирования (см. рис. 3.1).
Будем рассматривать эффективность применения предлагаемой технологии на примере передачи только одного вида трафика, а именно -трафика реального времени (РВ), передача которого средствами КП сопряжена с наибольшими издержками. Эффективность сетевых механизмов используемых при передаче этого вида трафика обычно предполагает расчет задержек и их вариации при допустимом уровне потерь блоков данных.
Предположим, что передача осуществляется блоками данных постоянного размера так, что в пределах БИМ может разместиться п блоков данных (рис. 3.2). Рассмотрим наиболее естественный и очевидный механизм получения переменной длительности ИМ. Для упрощения здесь не учитываются размеры поля управления и разграничителей ИМ. влево (т.е. начать раньше начала соответствующего БИМ) на соответствующее число блоков данных, что обеспечивает возможность увеличения ИМ и передачи в нем больше чем п блоков данных. Максимально возможное смещение соответствует времени передачи п блоков, т.е. длительности БИМ. При этом /-й ИМ должен обязательно закончиться до начала (/+1)-го ИМ так, что для каждого ИМ всегда гарантируется длительность не менее БИМ (возможность передачи не менее п блоков данных).
С другой стороны, начало ИМ не может смещаться по оси времени влево относительно соответствующего ему БИМ более чем на длительность БИМ. Поэтому, если вследствие низкой нагрузки или пульсаций трафика оказывается, что конец /-го ИМ может разместиться в пределах (/-1)-го БИМ, то в конце /-го ИМ или после его окончания передаются "пустые" блоки данных (пауза в передаче) с тем, чтобы (/+1)-й ИМ начинался не ранее начала /-го БИМ.
Таким образом, максимальная длительность ИМ соответствует передаче 2п блоков данных, а минимальная - 0 блоков.
Рассмотрим случай, когда число установленных соединений равно N n и все соединения имеют одинаковые параметры. Если принять, что поступление блоков данных, для передачи в очередном интервале мультиплексирования не зависит от предшествующих, блоки данных различных соединений поступают независимо и вероятность появления блока данных одного соединения равна q, то вероятность появления ровно і блоков, подлежащих передаче в очередном интервале равна: pi=P(i,N) = CiNqi(l-q)N-i, /=0,7,..., (3.1) Среднее число блоков на входе равно: « = (3-2) Средняя эффективная пропускная способность системы за ИМ (такт) равна размеру БИМ (среднее число блоков, которое может быть обработано за такт):
К пропуск =П V " /
Поскольку рассматривается передача трафика РВ, то будем считать, что, если число блоков, подлежащих передаче в очередном интервале, больше, чем можно разместить в этом интервале, то "лишние" блоки отбрасываются, т.е. рассматривается система с потерями. Выбор отбрасываемых блоков может производиться исходя из различных соображений (например, случайный) и здесь не рассматривается. Отметим, что величина IIq соответствует коэффициенту пульсаций.
Будем рассматривать состояние системы в моменты окончания интервалов мультиплексирования (окончания обслуживания блоков данных). Под состоянием понимается положение начала очередного интервала мультиплексирования относительно начала базового интервала мультиплексирования, как это показано на рис. 3.2. Общее число состояний равно (и+1).
Выбор пакета прикладных программ (111Ш) имитационного моделирования
Существуют специальные, ориентированные на моделирование вычислительных сетей программные системы, в которых процесс создания модели упрощен. Такие программные системы сами генерируют модель сети на основе исходных данных о ее топологии и используемых протоколах, об интенсивностях потоков запросов между компьютерами сети, протяженности линий связи, о типах используемого оборудования и приложений. Программные системы моделирования могут быть узко специализированными и достаточно универсальными, позволяющие имитировать сети самых различных типов.
Программы имитационного моделирования сети используют в своей работе информацию о пространственном расположении сети, числе узлов, конфигурации связей, скоростях передачи данных, используемых протоколах и типе оборудования, а также о выполняемых в сети приложениях.
В табл. 4.1 приведены характеристики нескольких популярных систем имитационного моделирования различного класса - от простых программ, предназначенных для установки на персональном компьютере, до мощных систем, включающих библиотеки большинства имеющихся на рынке коммуникационных устройств и позволяющих в значительной степени автоматизировать исследование изучаемой сети.
Программные системы моделирования сетей - инструмент, который может пригодиться любому администратору корпоративной сети, особенно при проектировании новой сети или внесении кардинальных изменений в уже существующую.
К сожалению, ни один из рассмотренных существующих на рынке специально созданных под моделирование сетей пакетов, не мог обеспечить ряд необходимых требований, которые накладывались спецификой задачи.
А именно, можно отметить следующие два недостатка: 1. Большая часть пакетов моделируют только сети пакетной коммутации, что неприемлемо. 2. Пакеты позволяющие моделировать сети КК ограничены классической КК и не имеют возможности введения процедур управления длиной ИМ.
В результате, было принято решение использовать один из универсальных пакетов имитационного моделирования для построения модели сети, работающей по предлагаемой технологии.
Универсальные пакеты имитационного моделирования используют свой собственный язык для описания модели.
Выбор языка моделирования влечёт за собой принятие концепции авторов языка, что не может не сказаться на стратегии разработки, построения и совершенствования модели, ибо этот процесс существенно зависит от гибкости и мощности изобразительных средств языка, ресурсов, предоставляемыми пользователю.
Для моделирования на ЭВМ сложной системы нужен аппарат программирования, предусматривающий: — способы организации данных, обеспечивающие простое и эффективное моделирование; — удобные средства формализации и воспроизведения динамических свойств моделируемой системы; — возможности имитации стохастических систем, т.е. процедуры генерирования и анализа случайных величин и временных рядов.
Реализация требований к имитационным моделям в рамках универсального языка программирования приводит к громоздким и неудобным для практического использования программам. В большинстве таких программ могут разобраться только их авторы, а любое изменение в постановке задачи требует переработки значительной части текста программы.
Более того, даже при создании специализированных языков имитационного моделирования в зависимости от концептуальной направленности их авторов можно выделить четыре основных класса, которые перечислим в соответствии с классообразующим признаком:
1 Доработка универсального языка группой операторов, реализующих необходимые функции. Этот путь наиболее простой и в литературе приводится много языков, незначительно отличающихся друг от друга.
Наибольшее распространение в этом классе получил язык GASP, который может быть реализован на любой вычислительной системе, имеющей в программной среде компилятор с FORTRAN - IV. Существенным недостатком класса является отсутствие концептуальной выразительности и средств для проверки логики имитационной модели;
2. Ориентация на системы дифференциальных уравнений, удобная для реализации группы исследовательских моделей, породила класс языков, ярким представителем которого является DYNAMO и распространенный в России его диалект ИМИТАК. Оставшиеся языки многие исследователи делят на две школы: школу фирмы IBM, где применяется язык GPSS, использующий в качестве дескрипторов схемные символы, и школу, использующую операторные языки;
