Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Анализ существующих способов управления телекоммуникационным ресурсами 12
1.1. Структура программно-аппаратного комплекса, обеспечивающего доступ к телекоммуникационным ресурсам 13
1.2. Управление оборудованием доступа по команде из СУТР 16
1.2. Управление оборудованием доступа по запросу в СУТР 27
1.3. Сравнение показателей функциональности оборудования доступа 38
1.4. Выводы 41
Глава 2. Методы повышения эффективности систем управления телекоммуникационными ресурсами 42
2.1. СУТР с прямой ретрансляцией запросов в АСР 42
2.2. Кэширование данных в момент предоставления доступа к ресурсам 47
2.3. Предобработка данных о потребленных ресурсах 54
2.4. Автономная система управления телекоммуникационными ресурсами 58
2.5. Оценка свойств применения рассмотренных методов 62
2.6. Выводы 64
Глава 3. Имитационное моделирование СУТР 66
3.1. Математическая модель СУТР по входящему запросу от оборудования доступа 67
3.2. Имитационная модель СУТР с прямой ретрансляцией запросов в АСР 72
3.3. Имитационная модель СУТР с кэшированием и предобработкой данных 88
3.4. Выводы 96
Глава 4. Анализ эффективности кэширования и предобработки данных в работе систем управления телекоммуникационными ресурсами 98
4.1. Условие отсутствия перегрузки АСР 99
4.2. Схема сбоя в абонентской сети оператора 101
4.3. Показатель устойчивости СУТР к сбоям 106
4.4. Оценка эффективности функционирования при различной теоретической нагрузке 111
4.5. Оценка эффективности функционирования при реальной нагрузке 126
4.6. Программная реализация СУТР с использованием предложенных методов повышения эффективности 132
4.7. Выводы 134
Заключение 135
Список литературы 137
Приложение 1. Свидетельства о регистрации программ для ЭВМ 146
Приложение 2. Акты о внедрении результатов работы 149
- Управление оборудованием доступа по команде из СУТР
- Автономная система управления телекоммуникационными ресурсами
- Имитационная модель СУТР с прямой ретрансляцией запросов в АСР
- Оценка эффективности функционирования при различной теоретической нагрузке
Введение к работе
Актуальность исследований. Высокий уровень информатизации общества, вызванный активным развитием информационных технологий с конца XX века, сделал телекоммуникации неотъемлемой частью современного мира. Сегодня интернет, телефония, телевидение активно присутствуют в жизни почти каждого человека, а общий объем рынка электросвязи неуклонно растет от года к году. По данным экспертов, выручка крупнейших телекоммуникационных компаний России в 2016 году составила 1,597 трлн. рублей (на 0,6 % больше, чем в 2015-м), что эквивалентно 1,9 % ВВП страны.
Рынок телекоммуникационных услуг принято разделять на стационарную (фиксированную) и мобильную (сотовую) связь. Несмотря на бурное развитие мобильных технологий в последние годы, фиксированный способ связи продолжает оставаться востребованным среди всех групп абонентов. Это происходит, главным образом, за счет более высокой пропускной способности и стабильности стационарных каналов (ресурсов) связи в сравнении с мобильными.
Предоставление услуг доступа к телекоммуникационным ресурсам (ТР) осуществляется с помощью специализированных программно-аппаратных комплексов. У операторов стационарной связи в центральной части таких комплексов находится оборудование доступа (ОД), работающее совместно с системой управления телекоммуникационными ресурсами (СУТР). Работа СУТР, в свою очередь, напрямую связана с автоматизированной системой расчетов (АСР) — главной информационно-вычислительной системой оператора связи.
На заре автоматизации управления доступом к ТР широкое распространение получило управление ОД по команде из СУТР. Инициатором управляющего воздействия при таком подходе является система управления, которая при изменении конфигурации услуг в АСР формирует команды на изменение текущего состояния оборудования доступа. Однако при всей своей простоте данный способ в последнее время все чаще вытесняется другим подходом — управлением по запросу в СУТР. Инициатором взаимодействия в данном случае выступает оборудование доступа, которое запрашивает текущее состояние услуг в момент поступления запроса на доступ к ним от абонентов.
Переход на управление по запросу в СУТР обусловлен появлением новых функциональных возможностей ОД, использование которых необходимо для расширения спектра оказываемых услуг, но невозможно при
управлении по команде из СУТР. Примером услуги, для которой необходимо управление по запросу в СУТР, является предоставление доступа в сеть по времени. Оно требует наличия у ОД возможности авторизации абонентов с ограничением на время сессии и передачи данных о времени сессий в СУТР.
Изменение способа управления ОД порождает смену характера и рост интенсивности нагрузки на СУТР. В то же время высокая конкуренция на рынке телекоммуникаций требует от операторов поддержания стабильного качества оказываемых услуг, которое напрямую связано с эффективным функционированием и отказоустойчивостью СУТР. Каждый сбой системы управления, влекущий за собой перерыв в оказании услуг, приводит к нарастанию недовольства пользователей, что со временем становится причиной оттока абонентов и потери оператором доли на рынке услуг.
В настоящее время существует ряд как свободных, так и коммерческих реализаций СУТР. Коммерческие решения (например, Aradial), как правило, высокопроизводительны и устойчивы к сбоям, однако обладают закрытой архитектурой и часто разрабатываются под конкретную АСР. Свободные же реализации (например, FreeRADIUS) не обладают должной производительностью и функциональностью для достойной конкуренции с закрытыми решениями и подвергаются сторонним доработкам, которые не представляются широкой общественности.
Таким образом, являются актуальными исследования, направленные на повышение эффективности и отказоустойчивости систем управления телекоммуникационными ресурсами по запросу от оборудования доступа и позволяющие выработать общие рекомендации для проектирования СУТР без привязки к конкретной АСР.
Цель работы заключается в снижении времени обработки запросов в системах управления телекоммуникационными ресурсами по запросу от оборудования доступа за счет применения методов кэширования и предобработки данных.
Для достижения поставленной цели в диссертации решаются следующие научные и практические задачи:
-
Анализ способов управления телекоммуникационными ресурсами и оценка функциональности различных типов оборудования доступа.
-
Анализ методов повышения эффективности СУТР и разработка архитектур систем управления с применением различных методов.
-
Создание аналитических моделей исследуемых СУТР, опирающихся на их представление как систем массового обслуживания.
-
Разработка и верификация имитационных моделей для оценки характеристик обслуживания СУТР с прямой ретрансляцией запросов в АСР и СУТР с кэшированием и предобработкой данных.
-
Определение условия отсутствия перегрузки АСР и разработка показателя устойчивости систем управления к сбоям.
-
Оценка эффективности функционирования СУТР с кэшированием и предобработкой данных при различной нагрузке.
-
Программная реализация системы управления телекоммуникационными ресурсами с кэшированием и предобработкой данных для использования с существующей АСР.
Объект исследования — программно-аппаратные комплексы по предоставлению доступа к телекоммуникационным ресурсам с использованием RADIUS-сервера в качестве системы управления.
Предметом исследования являются методы кэширования и предобработки данных в системах управления телекоммуникационными ресурсами в виде RADIUS-сервера.
Методы исследования. При выполнении диссертационной работы использовались методы системного анализа, теории вероятностей и математической статистики, теории массового обслуживания, а также имитационное моделирование.
Новые научные результаты, полученные в работе:
-
Разработаны архитектуры систем управления телекоммуникационными ресурсами с использованием методов кэширования и предобработки данных, а также метода автономной СУТР.
-
Разработаны имитационные модели систем управления телекоммуникационными ресурсами для варианта с прямой ретрансляцией запросов в АСР и варианта с применением методов кэширования и предобработки данных.
-
Предложены аналитические модели СУТР, опирающиеся на их представление как систем массового обслуживания.
-
Предложено условие отсутствия перегрузки АСР, обобщенная схема сбоя в сети оператора и основанный на них показатель устойчивости СУТР к сбоям.
-
Определен предельный прирост эффективности по различным характеристикам обслуживания системы управления с кэшированием и предобработкой данных по отношению к СУТР с прямой ретрансляцией запросов в АСР.
Практическая ценность диссертации состоит в следующем:
1. Предложены архитектуры СУТР с применением методов кэши
рования и предобработки данных, а также метода автономной СУТР.
Даны рекомендации по их программной реализации для использования
на практике.
-
Созданы имитационные модели системы управления в виде RADIUS-сервера с прямой ретрансляцией запросов в АСР и RADIUS-сервера с кэшированием и предобработкой данных, позволяющие проводить оценку эффективности функционирования систем управления при различных параметрах.
-
Определен показатель устойчивости СУТР к сбоям, позволяющий оценить объем абонентской базы, которая может попасть под сбой в сети оператора без перегрузки АСР.
-
Разработана и внедрена система управления в виде RADIUS-сер-вера с применением методов кэширования и предобработки данных.
Апробация результатов работы. Основные результаты исследования были представлены на следующих конференциях:
1. Микроэлектроника и информатика — 2013. 20-я всероссийская
межвузовская научно-техническая конференция студентов и аспирантов.
МИЭТ.
-
XIV Международная научно-практическая конференция «Перспективы развития информационных технологий» (ПТ-14). ЦРНС, Новосибирск, 2013.
-
XXII Международная научно-практическая конференция «Перспективы развития информационных технологий» (ПТ-22). ЦРНС, Новосибирск, 2014.
-
XXIII Международная научно-практическая конференция «Перспективы развития информационных технологий» (ПТ-23). ЦРНС, Новосибирск, 2015.
-
Микроэлектроника и информатика — 2015. 22-я всероссийская межвузовская научно-техническая конференция студентов и аспирантов.
МИЭТ.
-
2016 IEEE North West Russia Section Young Researchers in Electrical and Electronic Engineering Conference (EIConRusNW 2016). St. Petersburg, Russia, 2016.
-
IХ Международная научно-практическая конференция «Ad-vances in Science and Technology». Научно-издательский центр «Актуальность.РФ», Москва, 2017.
Внедрение результатов. Предложенные в диссертационной работе модели использовались при проектировании RADIUS-сервера для автоматизированной системы расчетов «Гидра». Разработанный RADIUS-сервер совместно с АСР внедрен более чем у 50 операторов России и ближнего зарубежья, что подтверждается актами о внедрения результатов в приложении к диссертации.
Публикация результатов. По материалам диссертации опубликовано 2 тезиса докладов и 10 статей, в том числе 3 в журналах, входящих в перечень ВАК, и 1 работа включена в Scopus и IEEE Library. Получено 3 свидетельства о государственной регистрации программы для ЭВМ.
Положения, выносимые на защиту:
-
Архитектуры систем управления телекоммуникационными ресурсами с использованием методов кэширования и предобработки данных, а также метода автономной СУТР.
-
Аналитическая модель СУТР с кэшированием и предобработкой данных, опирающаяся на ее представление как системы массового обслуживания.
-
Имитационные модели систем управления телекоммуникационными ресурсами для варианта с прямой ретрансляцией запросов в АСР и варианта с применением методов кэширования и предобработки данных.
-
Условие отсутствия перегрузки АСР, обобщенная схема сбоя в сети оператора и основанный на них показатель устойчивости СУТР к сбоям.
-
Результаты анализа эффективности СУТР с кэшированием и предобработкой данных по сравнению с СУТР с прямой ретрансляцией запросов в АСР.
Личный вклад автора. Все изложенные научные и практические результаты диссертационной работы получены лично автором или с его непосредственным участием в качестве ведущего разработчика.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и 2-х приложений. Объем работы без учета приложений составляет 148 страниц. Диссертация содержит 48 иллюстраций и 19 таблиц. Список литературы состоит из 80 наименований.
Управление оборудованием доступа по команде из СУТР
Управление оборудованием доступа по команде из СУТР — исторически первый и традиционный способ. В современной практике его чаще называют про-вижинингом (англ. Provisioning — предоставление ресурсов) — термином, подчеркивающим внешнюю предустановку конфигурации с целью оказания услуг абонентам [15].
С точки зрения системы управления телекоммуникационными ресурсами данный способ является самым простым для реализации, но с его помощью тяжело контролировать время доступа абонентов к сети, что препятствует его использованию для оказания услуг с тарификацией по времени.
Управление по команде из СУТР имеет два варианта: по событию и по расписанию. Первая разновидность считается более прогрессивной, но более сложной, чем вторая. Выбор варианта управления чаще всего связан с размером абонентской базы оператора связи — чем больше число абонентов в сети, тем менее применимо управление по расписанию.
Управление по событию
В данном варианте формирование новой конфигурации для оборудования доступа происходит в момент возникновения передаваемого из АСР в СУТР события, которое может повлиять на текущую конфигурацию оборудования доступа.
К таким событиям относится подключение или отключение услуги, выработка порогового объема трафика или снижение баланса лицевого счета ниже нуля.
Преимущества данного варианта:
1. Возможность формирования новой конфигурации на уровне сущности, по которой произошло событие. Как следствие — сравнительно малое время применения новой конфигурации на оборудовании.
2. Возможность сравнительно быстрого реагирования на изменение конфигурации для критичных по времени реакции событий (например, на выработку порогового объема трафика или уменьшение баланса лицевого счета ниже нуля). Как следствие — уменьшение времени несанкционированного предоставления услуг.
Недостатком варианта является необходимость в реализации событийной логики в АСР и механизма передачи и исполнения команд на стороне СУТР. Управление по расписанию
В данном случае формирование новой конфигурации для оборудования доступа происходит по расписанию (например, раз в 5 минут).
Преимущества и недостатки варианта управления по расписанию зеркальны относительно управления по событию. В данном случае:
1. Отсутствует необходимость в реализации событийной логики в АСР и механизма передачи и исполнения команд на стороне СУТР.
2. Нет возможности формирования новой конфигурации на уровне услуг — каждый раз конфигурация формируется и применяется целиком. Как следствие — увеличивается нагрузка на оборудование, ускоряется выход из строя устройств хранения данных, а также увеличивается время применения новой конфигурации.
3. Нет возможности для быстрого реагирования на события, критичные по времени реакции. Как следствие — увеличивается время несанкционированного предоставления услуг.
На рис. 1.2 представлена в общем виде схема доступа абонентов в сеть при управлении оборудованием доступа по команде из СУТР. В данной схеме СУТР является посредником по выполнению команд из АСР на оборудовании доступа, имеющем внутреннюю память для поддержания собственной конфигурации (сетевые коммутаторы и маршрутизаторы, телефонные станции, DHCP-серверы и т. п.). Абонентским оборудованием могут быть как рабочие станции, так и CPE (англ. Customer-premises equipment — телекоммуникационное оборудование оператора, размещенное в помещении абонента) [16].
Схема обладает следующей последовательностью работы абонента в сети:
1. Конфигурирование состояния оборудования доступа данными из СУТР (по событию или по расписанию) — выполняется, как правило, по одному из стандартных протоколов для конфигурирования телекоммуникационного оборудования (SNMP, Telnet, SSH и др.).
В некоторых сетях доступ абонентов может контролироваться не одним, а несколькими типами устройств (например, маршрутизатором и шейпером) — конфигурация в таких случаях выполняется для каждого типа устройств по-отдельности.
2. Запрос оконечным оборудованием доступа в сеть — осуществляется как явно (например, с помощью DHCP-запроса или запроса SIP INVITE), так и неявно (например, с помощью непосредственной передачи данных на L2- или L3-уровне Ethernet-сети).
Получив запрос доступа в сеть, оборудование выполняет аутентификацию абонента для дальнейшего ответа.
3. Предоставление доступа в сеть — как и запрос доступа, может быть явным (ответы DHCPACK/DHCPNAK или SIP ACK/CANCEL), так и неявным (пропуск или блокировка L2- или L3-трафика). Если на предыдущем этапе абонент был успешно аутентифицирован, предоставление доступа (ответ на запрос доступа) авторизует его на работу в сети.
4. Сбор и передача статистики о потребленных услугах (трафике) в СУТР — осуществляется как с помощью стандартных протоколов (NetFlow, sFlow, SNMP), так и с помощью снятия и загрузки данных в текстовом виде. Данный этап принято называть аккаунтингом (англ. accounting — учет) [17].
В режиме управления по команде из СУТР может работать только то оборудование доступа абонентов в сеть, которое обладает внутренней памятью текущей конфигурации. При этом более удобными с точки зрения управления являются решения с энергонезависимой памятью (NVRAM) — при управлении устройствами с энергозависимой памятью (RAM) возникает задача восстановления их текущего состояния после перезагрузки.
Автономная система управления телекоммуникационными ресурсами
Под автономной системой управления телекоммуникационными ресурсами понимается система, которая не отправляет прямых запросов в АСР при обработке запроса любого класса и взаимодействует с АСР отдельно от обработки запросов [40]. Предлагаемая архитектура такой СУТР и ее связь с ОД и АСР показана на рис. 2.9.
Функционирование автономной СУТР сопряжено с дублированием данных, относящихся к управлению телекоммуникационным ресурсами, в локальном хранилище (базе данных). Управление данным хранилищем происходит как при обработке входящих в СУТР запросов, так и с помощью команд со стороны АСР при изменении конфигурации услуг (по событию или по расписанию — по аналогии с п. 1.2.1). Загрузка данных о потребленных ТР происходит в контроллере базы данных аналогично методу предобработки данных.
Обработка поступающих от оборудования доступа запросов происходит линейно в следующем порядке (рис. 2.10):
1) получение запроса от ОД (адаптер ОД) — приведение запроса к стандартному для СУТР виду;
2) обработка запроса — чтение данных и/или запись изменений в локальную БД СУТР на основании данных запроса;
3) отправка ответа ОД (адаптер ОД) — приведение ответа к стандартному для оборудования доступа виду.
Так как СУТР, работающая по рассматриваемому методу, не имеет прямой связи с АСР в момент обработки каждого запроса, под снижение относительно СУТР с прямой ретрансляцией запросов в АСР попадает время обработки всех классов запросов. Среднее время обработки запроса 2-го класса определяется следующей суперпозицией времени обработки запроса различными звеньями: где ",1 — среднее время обработки запроса 2-го класса с помощью локальной БД.
Выражения (2.4) и (2.26) показывают, что автономная СУТР будет эффективна, если среднее время обработки запроса с помощью локальной БД будет меньше общего времени обработки запроса в АСР:
Выполнение данного условия на практике не составляет труда, т.к. величина ",1 зависит исключительно от текущей утилизации ресурсов СУТР, в то время как на величину Тві оказывает влияние утилизация ресурсов АСР, подвергающейся воздействию со стороны всех узлов, взаимодействующих с АСР в конкретный момент времени.
Отсутствие влияния сторонних узлов на использование хранилища автономной СУТР также положительно влияет на снижение дисперсии времени обработки запросов каждого класса о"р., а не каких-то конкретных как в выше рассмотренных методах.
Под актуальностью состояния хранилища (БД) автономной СУТР понимается соответствие ее содержимого данным АСР — чем больше записей в локальной БД СУТР соответствует БД АСР, тем более она актуальна.
Актуальность локального хранилища важна для обработки запросов на предоставление доступа к сети (класс 1) — запросы с данными о потребленных ресурсах (классы 2-4) этого не требуют по своей природе. Cодержимое ответов на запросы класса 1 состоит из нескольких множеств данных [18]:
Аг — As U Acs U Asc, (2.28)
где:
As — статические данные, которые не изменяются со временем;
Acs — данные, зависящие от текущих сессий доступа к сети;
Asc — данные, зависящие от текущей конфигурации услуг в АСР.
Данные из множества As достаточно один раз загрузить из АСР в локальную БД, после чего можно выдавать их «как есть» при обработке каждого запроса доступа. Элементы множества Acs автономная СУТР может формировать динамически сама, т.к. располагает локальной БД, в которой хранятся данные о всех текущих сессиях доступа к сети (устранение главного недостатка метода предобработки данных). Asc — единственное множество, содержимое которого определяется исключительно АСР — невозможно вынести логику формирования элементов данного множества, не вынеся логику управления услугами в СУТР, что само по себе противоречит задачам АСР [41].
Аналогично управлению оборудованием доступа по команде из СУТР, управление содержимым множества Asc можно вести как по событию, так и по расписанию. Первый способ является более эффективным, т.к. минимизирует задержки передачи данных.
При использовании второго способа важно свести к минимуму возможную задержку, регулируя интервал обновления данных. Аналогично сроку давности в методе кэширования данных (см. п. 2.2), для поддержания качества услуг связи на высоком уровне интервал обновления локальной БД Tdbr должен быть много меньше среднего интервала изменения конфигурации услуг в АСР по одному абоненту fsc: Tdbr « Tsc. (2.29)
При значениях Tdijr Tsc состояние локальной БД может сильно не соответствовать содержимому АСР, от чего возрастает вероятность выдачи неактуального ответа на очередной запрос доступа со стороны оборудования доступа.
Имитационная модель СУТР с прямой ретрансляцией запросов в АСР
На текущий момент известны 3 основных вида имитационного моделирования [60]:
1) системная динамика — парадигма, предполагающая наличие известных функциональных зависимостей между непрерывными во времени параметрами моделируемой системы;
2) дискретно-событийное — подход, при котором функционирование моделируемой системы представляется как хронологическая последовательность событий, происходящих в определенные моменты времени;
3) агентное — вид, исследующий детальное поведение децентрализованных агентов, а также их влияние на поведение всей системы в целом.
Наличие в СУТР (RADIUS-сервере) стохастического потока входящих запросов и потока обслуживания сводит к минимуму практическую ценность рассмотрения его как модели системной динамики из-за возникающей недетерминированности характеристик обслуживания.
Дискретно-событийный подход наиболее применим для имитационного моделирования СУТР ввиду характера функционирующих в нем процессов — инициатором изменения состояний системы являются входящие запросы, поступающие и обслуживаемые в дискретные моменты времени.
Применение агентного вида моделирования избыточно для исследуемой системы — входящим запросам хотя и можно задать индивидуальное поведение (в зависимости от их класса), но это поведение полностью предсказывается так, что его возможно реализовать и с помощью дискретно-событийного подхода.
Хорошо себя зарекомендовавшим и широко используемым средством имитационного моделирования является среда AnyLogic [61, 62], которая и предлагается для разработки модели RADIUS-сервера далее.
Одной из широко распространенных на текущий момент реализаций RADIUS-сервера является решение с открытым исходным кодом под названием FreeRADIUS [43, 63]. Учитывая в последнее время успешно зарекомендовавшую себя практику внедрения FreeRADIUS а в сетях операторов стационарной связи [64, 65], разработку имитационной модели RADIUS-сервера целесообразно вести с учетом особенностей обработки запросов в выше названной реализации.
Схема обработки запросов
Главной особенностью FreeRADIUS а является обработка запросов Access Request в две стадии — аутентификацию (authenticate) и авторизацию (authorize) [66] — см. рис. 3.2.
Оборудование доступа (NAS) ІAccess Request іAccess Reply FreeRADIUS Authenticate Authorize Подбор и проверка данных абонента Формирование атрибутов ответа Рис. 3.2. Двухстадийная обработка Access Request во FreeRADIUS е
На первой стадии выполняется проверка аутентификационных данных абонента из атрибутов запроса (подбираются и проверяются данные абонента), а на второй стадии происходит выдача прав (формируются атрибуты ответа). Таким образом, обработка запроса разделяется на две принципиальные части, отраженные в названии семейства протоколов AAA (англ. Authentication, Authorization, Accounting) [67].
Обработка аккаунтинг-запросов не разделяется на стадии, однако различается в зависимости от вида запроса (передается в обязательном атрибуте Acct-Statusype со значением Start, Interim-Update или Stop, которое обозначает начало, обновление или завершение сессии соответственно) [32].
Таким образом, в обработке RADIUS-запросов можно выделить 5 основных частей — в зависимости от типа запроса одновременно может задейство-ваться 1 или 2 части. Каждая из частей представляет собой обработку следующих запросов:
1) Access Request в стадии Authenticate;
2) Access Request в стадии Authorize;
3) Accounting Request вида Acct-Statusype=Start;
4) Accounting Request вида Acct-Statusype=Interim-Update;
5) Accounting Request вида Acct-Statusype=Stop.
Дополнительно к основным существуют также дополнительные (технологические) части, задействованные при обработке всех типов запросов:
1) формирование тела запроса на стороне оборудования доступа (NAS ов);
2) передача запроса по сети от оборудования доступа к RADIUS-серверу;
3) начальная обработка запроса на входе RADIUS-сервера;
4) постобработка ответа на выходе из RADIUS-сервера;
5) передача запроса по сети от RADIUS-сервера к оборудованию доступа. Общая схема обработки запросов в модели RADIUS-сервера с прямой ретрансляцией запросов от оборудования доступа в автоматизированную систему расчетов показана на рис. 3.3.
На схеме представлены 4 компонента моделируемой системы: 3 из них (оборудование доступа, сеть передачи данных и RADIUS-сервер) являются реальными объектами, а один (модуль обслуживания сессий) — вспомогательный и необходим для контроля за работой модели.
Каждый компонент системы состоит из блоков, а каждый блок реальных компонентов имеет единственную характеристику — длительность задержки 1, которая создается им при обработке запроса. 1 — случайная величина, которую для упрощения можно считать распределенной по экспоненциальному закону ( 1 ( ), где 1 — математическое ожидание 1).
Перечень всех блоков, создающих задержку обработки запросов, и типовые средние значения задержки, полученные на практике использования решения FreeRADIUS, представлены в таблице 3.1. Блок «Обработка запроса» компонента RADIUS-сервер представляет основную часть обработки запросов и в зависимости от типа, стадии и вида запроса создает одну из 5 возможных длительностей задержки
Обработка запроса в RADIUS-сервере: — Access Request в стадии Authenticate TRP її 20
— Access Request в стадии Authorize TRP 12 3
— Accounting Request вида Acct-Statusype= Start TRP 2 30
— Accounting Request вида Acct-Statusype= Interim-Update TRP3 50
— Accounting Request вида Acct-Statusype= Stop TRP 4 50
Постобработка ответа в RADIUS-сервере ",R 3 Ввиду того, что все запросы по одной абонентской сессии в протоколе RADIUS имеют строгую последовательность (рис. 3.4) и никогда не могут быть отправлены оборудованием доступа на RADIUS-сервер параллельно, имитационная модель может иметь только один тип сущностей [68], представляющий абонентскую сессию.
В числе основных атрибутов сущности (класса) абонентской сессии можно определить:
1) тип запроса (Access Request или Accounting Request). Начальное значение — Access Request;
2) стадия/вид запроса (Authenticate и Authorize для Access Request; Start, Interim-Update и Stop для Accounting Request). Начальное значение — Authenticate;
3) время начала сессии;
4) длительность сессии.
Инициирует и завершает абонентские сессии в имитационной модели модуль обслуживания сессий. В его состав входит генератор сессий, который при запуске модели загружает в себя (например, из CSV-файла) таблицу времени начала и длительности сессий. Во время работы модели генератор инициирует сессии по загруженному расписанию, а блок контроля отвечает за смену типа и вида следующего запроса, а также следит за длительностью сессии — при наступлении времени завершения сессия направляется в терминатор.
Оценка эффективности функционирования при различной теоретической нагрузке
Всецело оценить эффективность того или иного метода возможно, проанализировав прирост эффективности функционирования системы управления при различной нагрузке. При этом часть тестирующей нагрузки может никогда не встретиться на практике, однако необходима для оценки теоретических возможностей по приросту эффективности.
Проанализировать результат применения методов повышения эффективности СУТР возможно, например, с помощью имитационных моделей RADIUS-сервера, описанных в главе 3. Оценку прироста эффективности по тому или иному показателю целесообразно вести относительно СУТР с прямой ретрансляцией запросов в АСР как самой простой для реализации.
Как было описано в главе 3, входными данными для имитационных моделей RADIUS-сервера являются CSV-файлы с временем начала и длительностью сессий, которые создают входящую нагрузку на СУТР. Такой формат не позволяет задать величину входящей нагрузки напрямую, однако она может быть установлена косвенно через среднюю интенсивность создания новых сессий и их среднюю длительность.
Таким образом видно, что зная номинальную нагрузку рп и среднее время сессии fs, возможно получить интенсивность создания новых сессий для CSV-файла.
Длительность абонентских сессий Г5, как показала практика, не имеет какого-то стандартного среднего значения и может сильно различаться даже в рамках одного оператора связи на разных интервалах времени. Все дальнейшие эксперименты для упрощения будут проводиться с длительностью сессий, распределенной по экспоненциальному закону со средним значением Временные задержки в блоках имитационных моделей, используемые для оценки эффективности функционирования СУТР в виде RADIUS-сервера представлены в таблице 4.2. Для снижения времени имитационного моделирования на высокой нагрузке во всех экспериментах используется СУТР с К — 2 каналами обслуживания (при большем количестве каналов для создания высокой нагрузки требуется большая интенсивность запросов, что негативно сказывается на продолжительности экспериментов).
Таблица 4.3 демонстрирует величину интенсивности создания новых сессий As от номинальной загрузки рп, рассчитанную при Г5 = 2 ч.,К" = 2 и с учетом параметров из таблицы 4.2.
В таблице 4.4 приведены значения показателей эффективности RADIUS-сервера с прямой ретрансляцией запросов в АСР при различной номинальной загрузке рп: Tw — общее среднее время ожидания запросов в очереди, ТР — общее среднее время обработки запросов, fPi — среднее время обработки запросов -го класса.
Приведенные значения будут использоваться как опорные при дальнейших расчетах прироста эффективности СУТР с использованием различных методов повышения эффективности.
Главным параметром метода кэширования данных в СУТР является вероятность обработки запросов через кэш , от которой зависит эффективность системы. Этот факт обязывает производить тестирование СУТР с использованием данного метода не только в разрезе номинальной загрузки рп, но и в разрезе различных значений вероятности обработки запросов через кэш f.
Входные данные для экспериментов возможно сгенерировать аналогично генерации входных данных для верификации имитационной модели RADIUS-сервера с кэшированием и предобработкой данных (п. 3.3.2). Идентификаторы абонентов-инициаторов сессий необходимо установить так, что каждый очередной идентификатор инициатора ї-й сессии Q с вероятностью f повторял предыдущий Сі_г и с оставшейся вероятностью (1 — 0 был уникальным: P(Ci = Ci_1) = P(Ci4fcCy i) = l-f
Для ощутимого эффекта метода кэширования среднее время обработки запросов через кэш также предлагается взять на порядок меньше, чем время об работки запросов без использования кэша, т.е. TRPllc — RPllb (таблица 4.5).
Параметры задержки на других блоках модели следует оставить без изменения (таблица 4.2).
Результаты показывают, что кэширование данных предсказуемо дает стабильный прирост эффективности по времени обработки запросов на доступ к телекоммуникационными ресурсам Тр1 с увеличением вероятности обработки запросов через кэш (рис. 4.6). Также из таблицы 4.6 видно, что с увеличением значения f среднее время обработки запросов становится близко ко времени обработки запросов через кэш: lim ГР1 = TRPen + TRP12 + TRPllc + TRPex — 22 MC, что соответствует относительному приросту эффективности в 71 %.
Рис. 4.7 демонстрирует незначительное уменьшение общего среднего времени обработки запросов, что объясняется малой долей запросов Access Request в общем потоке входящих запросов (всего 4 %). Однако для проведенных экспериментов очевидно, что этот показатель напрямую связан со средней длительностью сессий — чем короче были бы сессии, тем больше было бы запросов Access Request и тем больше был бы эффект от метода кэширования данных.
Из рис. 4.8 видно, что метод кэширования не оказывает выраженного эффекта по среднему времени ожидания запросов в очереди. Это объясняется влиянием только на один класс входящих запросов, малой их долей в общем потоке, а также их небольшим средним временем обработки по сравнению с запросами других классов.
Исследование СУТР с применением метода предобработки данных значительно проще исследования системы с кэшированием данных, т.к. с точки зрения обработки запросов предобработка оказывает прямой и независящий от внешних данных эффект в виде ускорения обработки запросов с данными о потребленных ресурсах за счет использования локального буфера.
Для ощутимого эффекта среднее время обработки таких запросов предлагается взять также на порядок меньше среднего времени обработки запросов в СУТР с прямой ретрансляцией запросов в АСР (таблица 4.7). Параметры задержки на других блоках модели необходимо оставить без изменения.