Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Методология проектирования телекоммуникационных систем 22
1.1. Сравнительный анализ методологий и подходов разработки телекоммуникационных систем передачи данных 23
1.2. Особенности процесса проектирования и реализации научно-образовательных телекоммуникационных систем передачи данных в России 52
1.3. Выводы 54
Глава 2. Модель региональной телекоммуникационной сети передачи данных образования и науки 57
2.1. Роль и место моделирования в исследовании телекоммуникационных систем 57
2.2. Создание концептуальной модели телекоммуникационной сети передачи данных 61
2.3. Исходные данные моделирования телекоммуникационной сети 71
2.4. Математическая модель телекоммуникационной сети 72
2.5. Методы и средства моделирования телекоммуникационной сети 89
2.6. Адекватность модели 90
2.7. Выводы 91
Глава 3. Исследование и разработка телекоммуникационных систем региональной сети передачи данных 93
3.1. Исследование и разработка цифровых каналов передачи данных телекоммуникационной сети с использованием сетей SDH 93
3.2. Разработка методов резервирования каналов передачи данных ядра телекоммуникационной сети 105
3.3. Разработка способов снижения загрузки телекоммуникационных систем Cisco Systems 110
3.4. Исследование статистических характеристик сетевого трафика региональной телекоммуникационной сети для выбора его адекватной модели 114
3.5. Разработка методик оценки оперативной памяти маршрутизирующего телекоммуникационного оборудования для повышения стабильности работы телекоммуникационной сети 132
3.6. Выводы 136
Глава 4. Программные средства расчета параметров и управлення телекоммуникационными системами 139
4.1. Программный комплекс расчета параметров оперативной памяти телекоммуникационных систем на базе маршрутизаторов Cisco Systems 139
4.2. Разработка концептуальной модели системы мониторинга и адаптивного контроля перегрузок телекоммуникационной сети 144
4.3. Программный комплекс системы мониторинга и адаптивного контроля перегрузок каналов связи в телекоммуникационной сети 154
4.4. Выводы 165
Заключение 167
Литература 173
Приложения
- Сравнительный анализ методологий и подходов разработки телекоммуникационных систем передачи данных
- Роль и место моделирования в исследовании телекоммуникационных систем
- Исследование и разработка цифровых каналов передачи данных телекоммуникационной сети с использованием сетей SDH
- Программный комплекс расчета параметров оперативной памяти телекоммуникационных систем на базе маршрутизаторов Cisco Systems
Введение к работе
Актуальность темы диссертации.
Одним из необходимых условий развития информационного пространства России является создание телекоммуникационной инфраструктуры передачи данных, необходимой для различных видов обмена информацией, в том числе я области науки и образования, в различных регионах Российской Федерации
Государственная политика в области информатизации науки и образования н рамках Межведомственной программы создания «Национальной сети компьютерных коммуникаций для науки и высшей школы» способствовала созданию опорных научно-образовательных сетей федерального значения RBNet и RUNNet, осуществляющих передачу данных в регионы по специальным бюджетным тарифам. Ввиду того, что данный трафик предназначен для некоммерческого использования, федеральные операторы научно-образовательных сетей обязывают создавать телекоммуникационные инфраструктуры его доставки и распределения внутри региона.
Сложившаяся практика развития российских научно-образовательных сетей такова, что распределение бюджетного трафика внутри региона обеспечивает бюджетный оператор (БО), имеющий лицензии Минииформсвязи на соответствующие услуги и статус представителя федеральных научно-образовательных сетей в регионе.
В условиях ярко выраженного фактического монополизма коммерческих операторов (КО) связи внутригородского и междугороднего уровней, оператор научно-образовательной сети (БО) рассматривается коммерческим оператором в качестве конкурента. Поскольку создание собственных протяженных коммуникаций не каждому НО под силу, жизнь заставляет использовать линейную инфраструктуру первичных операторов связи, организуя каналы передачи данных согласно имеющихся у КО технических условии. Это значительно затрудняет построение в полной мерс масштабируемой и отказоустойчивой инфраструктуры научно-образовательных сетей.
В отличие от стран мира с развитыми информационными сетями, где телекоммуникационная инфраструктура системно создавалась типовыми решениями в течение многих лет, в России создание в регионах телекоммуникационных сетей и применение современного телекоммуникационного оборудования осложнено необходимостью быстрого внедрения инфокоммуникаций и огромным разнообразием технических условий для их построения. Это многообразие является следствие больших географических масштабов, отсутствием достаточных средств для прокладки современных линий связи, а также нежелания КО предоставлять для использования существующую кабельную инфраструктуру для нужд БО.
Принципиальной особенностью построения телекоммуникационных сетей для КО является жесткие финансовые ограничения. Это требует исследования и применения оригинальных научно-технических решений, позволяющих создавал, надежные телекоммуникационные системы при минимальных загратах как в процессе инсталляции, так и в процессе эксплуатации.
Несмотря на одинаковую формулировку требований к региональным сетям передачи данных подходы к их созданию на местах зависят от технических условий. Поэтому создание телекоммуникационной инфраструктуры передачи данных в каждом регионе является научно-технической проблемой, решение когорой часто требует научпнх исследований и оригинальных технических решений.
Значительный вклад в исследования и создание телекоммуникационных систем внесли В.М.Вишневский, Б.Я.Лихтциндер, Б.СЦмбахов, О.В.Шелухви, Л.И.Лбросвмоя, Е.А.Богатырев и др., коллективы Государственного научно-исследовательского института информационных технологий и телекоммуникаций (ГосНИИ И'ГГ «Иифщмшгя») код
руководством А.Н.Тихонова, Российского научно-иседа цяитоцямсиШМеЖгДОЭДювития
2ФЯИ{ \
общественных сетей (РосНИИРОС) под руководством J .11 ПлфявАНйФВМА-росс^йского
регионального центра информатизации Ростовского государственного университета
(Ю1ШІФО PI У) под руководством Л. А.Крукиера и др.
Несмотря на решение широкого круга вопросов исследования и создания
телекоммуникационных сетей, приходится копстагировать, чго остается ряд нерешенных
задач, особенно актуальных для БО. К ним можно отнести: отсутствие решений lro адаптивной реакции на перегрузку интерфейсов
телекоммуникационных систем передачи данных на основании свойств сетевого трафика недостаточную информацию о поведении сетевой задержки, вносимой
іелекоммуникационной системой при изменении ее параметров, что часто имеет место в
сину жменения технических и финансовых условий
адекватность конфигурации телекоммуникационного оборудования состоянию
сетевого трафика для сохранения работоспособности и управляемости сети передачи
данных
Таким образом, является актуальным создание региональных сегментов
российской телекоммуникационной сети передачи данных для решения задач в области
образования и науки, способной сохранять работоспособность в условиях интенсивного
сетевого і рафика за счет автоматической адаптивной реакции на перегрузки интерфейсов
телекоммуникационных систем.
Нес это определяет объект исследований, которым является региональная
телекоммуникационная сеть передачи данных для учреждений образования и науки в
рамках уникальных технических условий региона и финансовых ограничений на ее
построение и эксплуатацию.
Предметами исследования являются"
Телекоммуникационные системы на базе стандартного телекоммуникационного оборудования с использованием сетей SDH.
Телекоммуникационные системы с использованием оборудования Cisco Systems
серий 2600, 3600, 3700 в условиях интенсивного сетевого трафика
Кош роль и нредогвращение перегрузок телекоммуникационных систем сети в
условиях интенсивного трафика с учегом его свойств.
Необходимость создания региональных сегменгов российской
телекоммуникационной инфраструктуры образования и науки определяет цель
диссертационной рабшы - исследование и создание адаптивных телекоммуникационных
систем региональной опорной сети передачи данных, способных осуществлять
мониторинг и предупреждать перегрузки на участках сети путем автоматической
реконфигурации интерфейсов на основании свойств сетевого трафика
Для достижения поставленной цели в диссертации решались следующие основные
задачи:
Проведение сравнительного анализа существующих методологий исследования телекоммуникационных сетей и разработка модели региональной телекоммуникационной сети передачи данных в рамках технических условий, бюджетных ограничений и специфических отношений БО и КО Исследование и разработка цифровых каналов передачи данных для интеграции региональной телекоммуникационной сети в опорные федеральные сети и методов резервирования каналов ядра региональной телекоммуникационной сети. Исследование статистических характеристик сетевого трафика абонентов региональной телекоммуникационной сети передачи данных для выбора его адекватной модели.
Разработка концепции адаптивной системы мониторинга региональной телекоммуникационной сети передачи данных и создание программных комплексов оценки параметров телекоммуникационного оборудования Cisco Systems серий 2600, 3600, 3700 и предупреждения перегрузок каналов связи в региональной
телекоммуникационной сети передачи данных на основании текущих статистических характеристик сетевого трафика.
Методы исследования, использованные в диссертагдеи, включают системный анализ, эмпирическое исследование в виде измерений и эксперимента, теорию массового обслуживания, теорию фракталов и статистических расчетов.
Научную новизну данной работы определяют следующие результаты: Впервые на основании полученной в диссертации формулы для расчета средней задержки пакетов в іелекоммуникапионной сети усыновлено, что при наличии эффекта самоподобия трафика в телекоммуникационной системе с дефицитом полосы пропускания время задержки снижается при определенных значениях коэффициента использования интерфейсов.
Обобщена формула Клейирока отношения чадержек одноканальних телекоммуникационных систем для случая самоподобного трафика, в резулыате
1 чего удалось определить области значений коэффициента использования, при
которых достигается снижение задержки па «зажатом» канале и покачана связь данного явления со степенью самоподобия сетевого трафика.
, - Предложены методика расчета оперативной памяти ввода/вывода и орштшальпмс
способы снижения загрузки центрального процессора и экономии оперативной памяти телекоммуникационных систем Cisco Systems серий 2600, 3600, 3700 в условиях самоподобного сетевого трафика и обоснована необходимость уточнения фирменной методики Cisco Systems для расчета памяти этих систем. Разработаны оригинальные структурная схема и алгоритм работы адангинпой телекоммуникационной системы, обеспечивающей контроль и предотвращение перегрузок сети, построенной с использованием телекоммуникационных систем компании Cisco Systems серий 2600, 3600 и 3700 на основе обработки текущих параметров сетевого трафика
Практическая значимость данной работы определяется-
Созданием системы мониторинга телекоммуникационных систем сети регионального масшгаба, которая обеспечивает автомагическую ацаптивную реакцию на наступающие перегрузки интерфейсов телекоммуникационных систем ядра сети, не зависящей от типа используемых протоколов сетевого и транспортного уровней модели OSI.
Экономией финансовых средств на апнарагную модернизацию телекоммуникационных систем региональной сети передачи данных, исключение
/ необходимости приобретения коммерческих систем мониторинга и повышение
1 оперативности службы технической поддержки сети при уменьшении се
численности и квалификации.
[ - Повышением стабильности работы я/фа региональной телекоммуникационной сети
образования и науки за счет снижения процента загрузки центрального процессора
и оперативной памяти телекоммуникационных систем на базе оборудования Cisco
серий 2600, 3600 и 3700 и разработанного способа резервирования каналов связи
Созданием цифровых каналов передачи данных на базе телекоммуникационных
систем «Морион», RAD и Cisco с использованием инфраструктуры сетей SDII, что
позволяет создавать отказоустойчивые телекоммуникационные сети передачи
данных различного уровня на базе инфраструктуры первичных операторов связи.
Разработкой программного комплекса оценки объема памяти ввода/вывода
телекоммуникационных систем компании Cisco Systems серий 2600, 3600 и 3700
исходя из текущих характеристик трафика в каналах передачи данных
Разработкой программного комплекса сравнительной оценки степени самоподобия
сетевого трафика, необходимой для выбора адекватного метода ее оценки на
конкретных массивах эмпирических данных, полученных с
телекоммуникационного оборудования.
Использованием материалов диссертации в учебном процессе на факультете и информационных технологий и телекоммуникаций (ФИТТ) Волгоградского i-осударстнеішого университета.
Учитывай широкое распространение телекоммуникационного оборудования Cisco Systems, KAU, «Морион» и инфраструктуры SDH, полученные результаты могут быть использованы любой организацией, осуществляющей создание отказоустойчивой іелскоммупикациониой инфраструктуры передачи данных и ее последующую жснлуатацию.
Практическая значимость диссертационной работы подтверждается актами инедрения ее резульгатов ТУ-5 Южного филиала ОАО «Ростелеком», коммерческими Интернет-провайдерами «ВИСТ он-лайн» и «УНИКО», бюджетным Интернет-провайдером Центром Ингернет ВолГУ, а также в учебный процесс факультета информационных технологий и телекоммуникаций ВолГУ. Аиробинии результатов работы и публикации.
Основные результаты диссертационной работы докладывались, обсуждались и
были одобрены на VII Всероссийской Конференции представителей региональных научно- ,
образовательных сетей «RELARN-2000» (Самара, 2000), VIII Всероссийской Конференции
иредстави гелей региональных научно-образовательных сетей «RELARN-2001»
(Петрозаводск, 2001), Всероссийской научной конференции «Научный сервис в сети '
Интернет» (Новороссийск, 2001), IX Всероссийской Конференции представителей реї иональпых научио-образомательных сетей «RELARN-2002» (Нижний Новгород, 2002), Всероссийской научной конференции «Научный сервис в сети Интернет» (Новороссийск, 2002), X Всероссийской Конференции представителей региональных научно-образовательных сетей «RELARN-2003» (Санкт-Петербург, 2003), Международном конгрессе конференций ИТО-2003 «Информационные технологии в образовании» (Москва, 2003), XI Всероссийской Конференции представигелей региональных научно-образовательных сетей «RELARN-2004» (Самара, 2004), XI Всероссийской научно-методической конференции «Телематика-2004» (Санкт-Петербург, 2004), XII Всероссийской Конференции представителей решональных научно-образоваїельньїх сетей «RMLARN-2005» (Нижний Новгород, 2005).
Публикации. По материалам диссертационных исследований опубликовано 3 с і альи в периодических изданиях, 11 публикаций в виде тезисов докладов, из них одна на Международном конгрессе конференций Ни заши гу выносится:
Концептуальная модель, алгоритм работы адаптивной телекоммуникационной
системы с предупреждением и предотвращением перегрузок, возникающих в сетях
передачи данных в условиях интенсивного сетевого трафика и ее программный і
комплекс. J
Оценка средней задержки телекоммуникационной сети и влияния на задержку одноканальний телекоммуникационной системы изменения ее параметров в условиях самоподобного трафика
Способ снижения загрузки CPU и экономии оперативной памяти маршрутизаторов Cisco Systems в сетях с интенсивным трафиком, оценка объема памяти ввода/вывода для этих устройств, учитывающая самоподобие трафика и программный комплекс для оценки размера памяти ввода/вывода телекоммуникационных устройств на основании свойств сетевого трафика Схема построения цифровых каналов передачи данных на основе оборудования Cisco Systems и «Морион» с использование сетей SDH и алгоритм резервирования каналов передачи данных и маршрутных путей для случая линейного типа ядра телекоммуникационной сети.
Программный комплекс сравнительной оценки самоподобия трафика и
аппроксимации распределения сетевого трафика в телекоммуникационных
системах
Объем и структура работы.
Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и 12 приложений Основная часть содержит 185 станиц, включая 34 рисунка и 3 таблицы. Список литературы содержит 121 наименование
Сравнительный анализ методологий и подходов разработки телекоммуникационных систем передачи данных
Целью диссертационной работы является исследование и разработка телекоммуникационных систем региональной опорной сети передачи данных и создание адаптивной системы ее мониторинга.
Под термином «телекоммуникационная система» мы понимаем аппаратно-программный комплекс передачи данных без изменения их контента. Телекоммуникационная сеть есть интеграция телекоммуникационных систем, которая, в свою очередь, является телекоммуникационной системой более крупной телекоммуникационной сети.
Процесс проектирования начинается с формулировки требований к телекоммуникационной системе, принципиальному выбору применяемых сетевых технологий, проектирования задержек, канальных ресурсов на основе оценок роста трафика и параметров телекоммуникационных устройств, разработки Backbone и уровня доступа, выбор способов маршрутизации и адресации, организация сетевого управления, сетевой безопасности и биллинга. Практическая реализация указанных замыслов выливается в исследование и разработку конкретных телекоммуникационных систем. На каждом из вышеперечисленных этапов разработчик работает в рамках уникальных технических условий, решая аналогичные задачи по-разному. При этом возникает необходимость исследования возможных конфигураций телекоммуникационной системы.
Обзор литературы по этим вопросам целесообразно разделить на две части. В первой части будут рассмотрены книги, охватывающие данную тематику, а во второй - журнальные публикации. Такое деление, по мнению автора, удобно потому, что журнальные публикации рассматривают чаще всего достаточно узкую проблематику, тогда как книги, как правило, включают рассмотрение сразу нескольких направлений разработки телекоммуникационных систем.
Источников, посвящающих хотя бы отдельный параграф важности определения и увязки требований к телекоммуникационным системам, очень немного. В последнее время появилось достаточно книг, посвященных сетям передачи данных. Некоторые из них посвящены только одной технологии и освещают ее предельно подробно, другие — издания энциклопедического плана, повествуют о различных сетевых технологиях и способах их применения. Среди них необходимо отметить [ 1 ], в которой рассматриваются базовые сетевые технологии, основные сетевые устройства, затронуты вопросы методологии построения сети, достаточно подробно охвачены стек TCP/IP и основные протоколы маршрутизации, а также много внимания уделено технологии ATM. Однако формулировка требований к сети в рамках предлагаемой здесь методологии проектирования сводится к общим словам о концептуальных понятиях, таких, ка к масштабируемость, производительность и управляемость. Недостаток такого подхода в [1] состоит в том, что данные требования не предполагают количественного эквивалента и, соответственно, не могут быть измерены. В [1] ничего не говорится, например, о таком важном моменте проектирования сети, как соблюдение определенной задержки сигнала и времени отклика. Остальные вопросы формулировки требований к сети, по мнению автора, отмечены правильно. К ним относятся, например, критерии выбора сетевых технологий, выбор сетевых протоколов, системы адресации хостов, топологии сети, пропускной способности, ее тестирования и т.д. С утверждением автора [1] о том, что не может быть универсальной методики проектирования, можно поспорить. На мой взгляд, методика должна быть универсальной, а вот конкретные решения проблем в рамках данной методологии являются уникальными в силу различных технических условий реализации проекта.
Именно по такому пути идет автор работы [5], фундаментальный труд которого выдержал уже три издания в своей стране. Данная книга дает масштабный охват всех вопросов создания сетей передачи данных. Остается лишь сожалеть, что она так и не переведена на русский язык. В ней только вопросам формулировки требований к сетям передачи данных уделяется отдельная глава. Однако очень кратко освещены вопросы моделирования сетевого трафика и определения необходимых канальных емкостей. Напротив, много внимания автор уделяет границам применимости различных телекоммуникационных технологий с точки зрения выработанных требований к сети передачи данных. Вопросы иерархического проектирования сетей передачи данных выделены в отдельную часть книги. В главе, посвященной проектированию уровням распределения трафика, которые автор [5] ошибочно называет уровнями доступа, подробно рассмотрена методика выбора физических интерфейсов телекоммуникационных систем, сетевых протоколов, архитектур уровней и требуемых сетевых сервисов. Далее в [5] обсуждаются вопросы проектирования канальных емкостей, исходя из архитектуры узлов сети, их рабочей загрузки и перспективы роста сетевой инфраструктуры на уровне распределения. В заключении [5] автором книги конкретизируется выбор числа и типов сетевых узлов уровня распределения, а также топология каналов связи. Похожий подход использовал автор [5] и для проектирования ядра сети передачи данных - формулировке требований в Backbone, выработке на их основе пропускной способности каналов связи ядра и конкретных телекоммуникационных технологий, типов маршрутизации и видов топологии. В [5] также подчеркивается, что без грамотного проектирования адресного пространства даже при правильном иерархическом проектировании сеть передачи данных будет работать неэффективно. Поэтому дизайну сетевых адресов посвящена отдельная глава. Автор данной книги считает также важным организацию эффективного управления сетями передачи данных. В этой главе освещаются технические и организационные вопросы, такие как определение принципов сетевого управления, выбор соответствующих сетевых протоколов, информационная безопасность, биллинг, документирование и обучение персонала. Все вышесказанное в [5] следует за подробным описанием всех сетевых технологий, вышедших на рынок, на момент издания книги, включая рассмотрение стандартов, протоколов физического, канального и сетевого уровней модели OSI, физических интерфейсов и технологий мультиплексирования и коммутации. Несмотря на отсутствие в [5] обсуждения взаимодействия различных сетевых технологий, данная книга является подробным источником разнообразных сведений для разработчика сетей передачи данных.
Бестселлером стала книга [2], посвященная современным аспектам развития и проектирования высокоскоростных объединенных сетей. В ней рассматривается широкий круг вопросов - от обработки одиночного пакета на активном сетевом оборудовании до методов резервирования ресурсов для определенного типа трафика, от определения характеристик потока данных до способов их сжатия. Кроме подробных сведений о возможностях широкого спектра сетевых технологий, много внимания автор книги уделил моделированию и оценке производительности сети, расчету канальных емкостей, затронул вопрос вычисления задержек в сетях с коммутацией пакетов. В книге даны понятия теории вероятности и теории массового обслуживания, необходимые для понимания основных подходов к моделированию сетевого трафика — анализа очередей и использования теории хаоса.
Роль и место моделирования в исследовании телекоммуникационных систем
Роль моделирования как метода научного познания всегда рассматривается как важный метод решения научно-технических задач. Достижения математики привели к распространению математического моделирования различных объектов и процессов. Расчетные формулы, которые используются для анализа и синтеза телекоммуникационных систем, зачастую выведены из математических моделей этих систем. На качественно новую ступень поднялось моделирование в результате разработки методологии имитационного моделирования.
При анализе действующих телекоммуникационных систем с помощью моделирования определяют границы работоспособности системы, выполняют имитацшо экстремальных условий, которые могут возникнуть в процессе ее функционирования. Искусственное создание таких условий на действующей системе затруднено и может привести к катастрофическим последствиям, если система не справится со своими функциональными обязанностями. Целесообразность использования моделирования для действующей системы состоит также в том, что можно опытным путем проверить адекватность модели и оригинала и более точно определить те параметры телекоммуникационной системы и внешних воздействий на нее, которые служат исходными данными для моделирования. Это позволяет выявить ее резервы и прогнозировать ее работу.
Применение моделирования может быть полезным при разработке стратегии развития телекоммуникационных систем, их усовершенствования и образования связей с другими системам для интеграции в более крупные телекоммуникационные структуры. Классификация моделей Модели телекоммуникационных сетей можно разделить на две группы: материальные (физические) и абстрактные (математические). Физической моделью обычно называют систему, которая эквивалентна или подобна оригиналу, либо у которой процесс функционирования такой же, как и у оригинала, и имеет ту же или иную физическую природу. Можно выделить следующие виды физических моделей: натурные, квазинатурные, масштабные и аналоговые. Натурные модели - это реальные исследуемые системы, иначе называемые макетами или опытными образцами. Они имеют полную адекватность с системой-оригиналом, что обеспечивает высокую точность и достоверность результатов. Квазинатурные модели представляют собой совокупность натурных и математических моделей. Этот вид моделей используется тогда, когда для определенных частей системы не удается построить математическую модель, или когда часть системы должна быть исследована во взаимодействии с остальными частями, которых пока не существует или включение их в модель затруднено или дорого. Масштабная модель - это система той же физической природы, что и оригинал, но отличающаяся от него масштабами. Методологической основой масштабного моделирования является теория подобия, которая предусматривает соблюдение геометрического подобия оригинала и модели и соответствующих масштабов для их параметров. При проектировании телекоммуникационных систем масштабные модели могут использоваться для анализа вариантов компоновочных решений для конструкции системы и ее элементов. Аналоговыми моделями называют системы, имеющие физическую природу, отличающуюся от оригинала, но сходные с оригиналом процессы функционирования. Математическая модель представляет собой формализованное описание телекоммуникационной системы с помощью математических соотношений, отражающих процесс функционирования системы. К средствам абстрактного описания телекоммуникационных систем относятся также схемы, диаграммы, графики и т.д. Выбор вида модели определяется особенностями изучаемой системы и целями моделирования, т.к. исследование модели позволяет получить ответы на определенную группу вопросов. Для получения иной информации может потребоваться модель другого вида. Среди математических моделей можно выделить по методу их исследования аналитические, численные и имитационные модели. Аналитической моделью называется такое формализованное описание системы, которое позволяет получить зависимость между выходными характеристиками системы и внешними воздействиями на систему при различных параметрах элементов системы на определенном временном интервале. В отличие от аналитической, численная модель характеризуется зависимостью такого вида, которая допускает только частные численные решения для конкретных начальных условий и количественных параметров модели. Имитационная модель - совокупность описания системы и внешних воздействий, алгоритмов функционирования системы или правил изменения состояния системы под влиянием внутренних и внешних возмущений. В частности, автор данной работы использовал масштабное моделирование для исследования и разработки телекоммуникационных систем цифровых каналов передачи данных региональной телекоммуникационной сети. Разработка же методов оценки памяти ввода/вывода телекоммуникационных систем Cisco и предупреждения перегрузок в телекоммуникационной сети осуществлялась автором с помощью программных средств, построенных на основе аналитической модели телекоммуникационной системы. Основные этапы моделирования Для моделирования необходимо создать модель телекоммуникационной системы и провести ее исследование. Перед созданием модели требуется конкретизировать цели моделирования, а после исследования надо выполнить анализ результатов моделирования. Процесс создания модели начинается с изучения самой системы и определения внешних воздействий, а завершается разработкой или выбором математической модели или компьютерной программы, если моделирование будет происходить с ее помощью.
Таким образом, моделирование предполагает наличие следующих этапов: формулирования цели моделирования, разработки концептуальной модели, подготовки исходных данных, разработки математической модели, выбора метода и средств моделирования, разработки программной модели, проверки адекватности и корректировки модели, компьютерного моделирования и анализа его результатов.
При моделировании различных телекоммуникационных систем трудоемкости одних и тех же этапов могут быть разными. В процессе моделирования конкретной телекоммуникационной системы могут иметь место некоторые изменения технологии моделирования. В частности, может быть заранее предопределен метод моделирования и выбрано конкретное средство моделирования. В ином случае математическая модель окажется настолько простой, что не потребуется компьютерного моделирования или разработка программной модели исключит необходимость создания математической модели.
Исследование и разработка цифровых каналов передачи данных телекоммуникационной сети с использованием сетей SDH
Современное развитие цифровых сетей связи создало прекрасные условия для реализации разнообразных телекоммуникационных проектов. Используя инфраструктуру цифровых сетей, стало возможным передавать различные типы трафика, такие как данные, голос, видео, сигнализацию и т.д., в одном физическом канале. При этом цифровые сети связи обеспечивают необходимое качество обслуживания и прогнозируемую сетевую задержку. Они стали универсальной платформой для реализации различных сетевых служб на единой методологической и технической основе.
В различных регионах России уже созданы опорные цифровые сети связи. Создавались они, в первую очередь, для модернизации устаревших телефонных сетей, включающих декадно-шаговые и координатные АТС, межстанционные соединения которых были реализованы на основе устаревших «медных» каналах КАМА, К-60 и ТЧ, которые являются плохо масштабируемыми и дорогими в эксплуатации решениями.
В настоящее время в Волгограде, на базе оборудования Alcatel SM 1660, создана опорная SDH-сеть, объединяющая в единую инфраструктуру городские АТС. Физической средой опорной сети является оптический кабель, обеспечивающий низкий уровень ошибок и большой запас по наращиванию скоростей передачи данных. Внутри сети реализовано стопроцентное резервирование каналов, что позволяет использовать ее не только для традиционной цифровой телефонии, но и для передачи данных.
В рамках развития региональной телекоммуникационной сети образования и науки, перед автором была поставлена научно-техническая задача по исследованию и разработке цифровых каналов передачи данных для подключения образовательных учреждений Волгограда к сети Internet.
Любая организация, вынужденная заниматься построением сетей передачи данных, сталкивается с необходимостью исследования применимости различных научно-технических решений для организации как магистральных каналов передачи данных, так и «последней мили». Уникальность научно-технических решений в каждом случае обусловлена техническими условиями, которые выдвигаются собственниками коммуникаций, с которыми приходится взаимодействовать. Технические условия есть следствие объективных факторов, коими являются географическое положение, нормативные акты Госсвязьнадзора, степень развития инфраструктуры операторов связи и стоимость портов, вопросы аренды кабельного хозяйства и т.д.
Естественное желание не зависеть от чьих-либо кабельных коммуникаций, требует либо строительства собственных, либо применения беспроводных технологий. Однако часто приходится комбинировать эти подходы, ввиду их дороговизны или невозможности, с арендой уже имеющихся "проводов" традиционных операторов, что требует знаний различных технологий передачи данных и возможностей их стыковки. Одной из принципиальных проблем развития телекоммуникационной инфраструктуры научно-образовательной сети передачи данных Волгоградского региона являлась отсутствие надежных цифровых каналов между учреждениями образования и науки. Поэтому перед автором была поставлена научно-техническая задача исследования и разработки цифрового канала между Волгоградским государственным университетом (ВолГУ) и Волгоградским педагогическим университетом (ВГПУ), отстоящих друг от друга на расстояние более 12 км.
Решение данной научно-технической задачи требовалось осуществить в контексте соответствия существующим техническим условиям и максимального использования уже имеющегося оборудования и телекоммуникационной инфраструктуры для минимизации финансовых вложений.
Анализ стоимостных и технологических вариантов решения задачи отверг использования радиоканала ввиду отсутствия соответствующих лицензий Минсвязи, а беспроводный оптический - ввиду большой дальности места назначения от узлов доступа ВолГУ. Из-за невозможности строительства собственных кабельных коммуникаций по финансовым соображениям, было предложено воспользоваться инфраструктурой ГТС для организации канала передачи данных.
К этому времени ВолГУ уже обладал стыковкой с опорным SDH-кольцом ГТС собственным одномодовым оптическим кабелем через оборудование вторичного группообразования ОВГ-25 (ИКМ-120) отечественной компании "Морион". Данное оборудование представляет собой статический (негибкий) неуправляемый мультиплексор, позволяющий объединить в один цифровой поток Е2 четыре потока цифровых потока Е1. При этом возможность деления потоков Е1 по тайм-слотам в данном устройстве не предусмотрена. Кроме того, до ВГПУ от одной из районных АТС, включенной в опорное SDH-кольцо, ранее был проложен одномодовый оптический кабель.
Программный комплекс расчета параметров оперативной памяти телекоммуникационных систем на базе маршрутизаторов Cisco Systems
Задачи мониторинга и контроля перегрузок телекоммуникационных систем являются важной составной частью систем управления телекоммуникационными сетями. Актуальность данной темы для развития телекоммуникаций побудила многих авторов посвятить свои работы по поиску различных технологий контроля перегрузок прямо влияющих на качество обслуживания в высокоскоростных пакетных сетях с интенсивным трафиком.
Решаться данные задачи могут на разных уровнях, начиная от мониторинга интерфейсов телекоммуникационных устройств, и заканчивая анализом пакетов зондами, находящимися в потенциально критичных участках сети,
В телекоммуникационных сетях контроль и управление перегрузками осуществляется, как правило, с помощью средств встроенных операционных систем и механизмов протокола TCP.
Дело в том, что основной в гетерогенных сетях транспортный протокол TCP хотя и имеет механизм предотвращения перегрузок, однако плохо работает в телекоммуникационных сетях с интенсивным трафиком, где в большинстве случаев применяется дисциплина обслуживания очередей FIFO, как наиболее быстродействующая и наименее загружающая центральный процессор маршрутизатора из всех дисциплин обслуживания трафика. Алгоритм «отбрасывания хвоста», применяемый в данной дисциплине обслуживания, сообщает протоколу TCP о перегрузке путем отбрасывания пакета лишь в момент фактического переполнения очереди. Стандартная реакция протокола TCP на эту ситуацию приводит, в конечном итоге, к резким снижениям интенсивности трафика с последующей перегрузкой сети. Это влечет за собой волноподобное изменение размера очереди, получившее название «эффекта глобальной синхронизации». Помимо нежелательного изменения размера очереди, этот эффект способен также привести к возрастанию дрожания задержки трафика (джиттеру) и снижению пропускной способности сети. Поэтому необходимо превентивно управлять очередью с целью сигнализации о перегрузке сети до фактического переполнения очереди, и контроля за ее размером с целью снижения времени обработки пакетов.
Применение алгоритмов превентивного управления очередью с целью предотвращения перегрузки сети в сочетании со средствами протокола TCP дает гораздо лучшие результаты. Целью алгоритма RED является уменьшение среднего размера очереди и, как следствие, сокращения задержки передачи пакетов и предотвращения «эффекта глобальной синхронизации». Работа алгоритма RED основана на применении вероятностной стратегии отбрасывания пакетов в случае нахождения среднего размера очереди между заданными пороговыми значениями. Однако, RED имеет смысл применять в сетях, где передача данных осуществляется исключительно по протоколу TCP, поскольку протокол UDP не имеет аналогичных механизмов адаптации. Кроме того, вероятностная стратегия основывается на предположении о пуассоновской природе входящего трафика, что далеко не всегда имеет место. Взвешенный алгоритм RED (WRED) позволяет настраивать различные параметры RED в зависимости от приоритета трафика. Алгоритм WRED на основе потоков представляет собой расширение алгоритма WRED, призванное обеспечить равномерное применение политики отбрасывания по отношению к пакетам, принадлежащим одному и тому же потоку трафика.
Необходимо отметить, что применение указанных алгоритмов превентивного управления очередью требует значительных аппаратных ресурсов маршрутизатора, таких как объем оперативной памяти и быстродействие центрального процессора. Возможность использования взвешенных алгоритмов обслуживания очередей также зависит от указанных факторов. Это автоматически исключает применение маршрутизаторов устаревших марок на каналах с интенсивным трафиком.
Кроме того, в случае использования в телекоммуникационной сети устройств различных производителей, для каждого из них придется разрабатывать свои решения по превентивному управлению перегрузками, основываясь на их внутренних возможностях. При построении телекоммуникационной сети на оборудовании одного производителя, возможно усилить гибкость системы контроля за счет информации об аппаратной архитектуре и возможностях встроенных операционных систем.
Поэтому, необходима адаптивная система контроля и превентивной реакции на перегрузки, независящая от архитектуры телекоммуникационных устройств, применяемых транспортного протокола и учитывающая параметры сетевого трафика. Формулировка цели моделирования Цель моделирования состоит в создании системы мониторинга региональной телекоммуникационной сети на основе маршрутизаторов Cisco, которая должна осуществлять контроль и адаптивную реакцию на перегрузки телекоммуникационных систем в условиях самоподобной структуры сетевого трафика при любых протоколах сетевого и транспортного уровней..
