Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ применения технологии IP-телефонии в информационных структурах федерального железнодорожного транспорта 14
1.1. Информационные структуры железнодорожного транспорта 14
1.2. Анализ вариантов применения технологии ІР-телефонии в информационных структурах Федерального железнодорожного транспорта 21
1.3. Выводы по разделу 38
2. Выбор показателей эффективности применения технологии ір-телефонии в информационных структурах федерального железнодорожного транспорта 40
2.1. Критерии оценки качества передачи речи в ІР-сетях 40
2.2. Экономические показатели эффективности внедрения современных информационных технологий 46
2.3. Показатели надёжности систем ІР-телефонии 56
2.4. Выводы по главе 62
3. Методы оценки качества передачи речи по ІР-сетям 64
3.1. Экспериментальное определение статистических характеристик системы ІР-телефонии 64
3.1.1. Разработка схемы эксперимента 64
3.1.2. Результаты обработки статистических данных 71
3.2. Имитационное моделирование процесса обслуживания нагрузки в ІР-сети 93
3.2.1. Описание модели и алгоритма моделирования 93
3.2.2. Разработка алгоритма моделирования СМО 97
3.2.3. Сравнение результатов математических расчетов и имитационного моделирования 104
3.2.4. Анализ процесса обслуживания для различных видов поступающей на вход СМО нагрузки с использованием имитационного моделирования 108
3.3 Выводы по главе 117
4. Анализ экономической эффективности внедрения технологии ip-телефонии в информационных структурах железнодорожного транспорта 120
4.1. Адаптация существующей методики расчета ТСО для анализа экономической эффективности внедрения систем ІР-телефонии в информационных структурах железнодорожного транспорта 120
4.2. Анализ экономической эффективности внедрения системы ІР-телефонии в информационных структурах железнодорожного транспорта 129
4.3. Экономический эффект коммерческого использования системы ІР-телефонии в информационных структурах железнодорожного транспорта 143
4.4. Выводы по главе 150
5. Определение надежности систем ір-телефонии в информационных структурах технологического сегмента ОАО «РЖД» 151
5.1 Надежность системы ІР-телефонии 151
5.2. Модели восстановления системы ІР-телефонии 155
5.3 Выводы по главе 165
Заключение
- Анализ вариантов применения технологии ІР-телефонии в информационных структурах Федерального железнодорожного транспорта
- Экономические показатели эффективности внедрения современных информационных технологий
- Имитационное моделирование процесса обслуживания нагрузки в ІР-сети
- Анализ экономической эффективности внедрения системы ІР-телефонии в информационных структурах железнодорожного транспорта
Введение к работе
В настоящее время высокими темпами осуществляется развитие и внедрение новых систем и процессов в информационных структурах (ИС) железнодорожного транспорта. Этот процесс осложняется отсутствием методов оценки эффективности использования в них новых информационных технологий. Для внедрения новых информационных технологий необходимо твердое обоснование, базирующееся на результатах научных исследований.
В настоящее время не существует, в частности, типовой методики оценки эффективности и целесообразности использования технологии ІР-телефонии в ИС предприятий. Объясняется это сложностью технологии и её относительной новизной. Поэтому методы, позволяющие проанализировать целесообразность перехода на новые технологии, актуальны не только для железнодорожного транспорта, но и для любого предприятия.
В последние десятилетия во всем мире происходит переход от услуг классической телефонной сети с коммутацией каналов к услугам сетей с пакетной коммутацией для организации передачи различных типов информационной нагрузки. Технология ІР-телефонии является весьма перспективной, в том числе и в информационных структурах железнодорожного транспорта. Однако существенные различия в принципах построения систем передачи информации на базе коммутации каналов (КК) и коммутации пакетов (КП) привели к тому, что подходы и методы, применяемые к описанию телефонных систем на базе технологии КК, не позволяют рассчитывать, описывать и моделировать телефонные системы на базе ІР-телефонии без внесения существенных изменений.
В основу исследований информационных структур положены в основном результаты российских ученых в области теории вероятностей,
теории массового обслуживания и теории телетрафика. Фундаментальный вклад в эти области внесли Г.П. Башарин, U3A1. Вишневскии^А^Н. Колмогоров, В.И.Нейман, А.П. Пшеничников, С.Н.Степанов, А.Д. Харкевич, А.Я. Хинчин, М.А. Шнепс-Шнеппе и некоторые другие. Существенный вклад в создание методов анализа информационных структур внесли зарубежные ученые - В. Иверсен, Л. Клейнрок, П. Кюн, К. Росс, Р. Уилкинсон, М.Шварц и др.
Методы исследования нагрузки сетей с пакетной коммутацией разрабатывались в теоретических и прикладных работах ГШ~Бочарова; Б.С. Гольдштейна, Г.В.Горелова, У. Леланда, О.Н. Ромашковой, У. Столлингса, У.Уиллингера, А.Ф Фомина, А.Эррамили и др.
Обеспечение заданного качества при пакетной передаче
информационной нагрузки требует определения ряда сетевых параметров (задержка и потеря пакетов, джиттер и др.). Эти параметры характерны исключительно для систем с коммутацией пакетов, поэтому для удобства оценки качества передачи пакетизированной нагрузки необходимо определить функциональные зависимости показателей качества от указанных параметров информационных систем.
Основной целью деятельности любого предприятия является получение прибыли, поэтому одним из решающих при разработке проектов систем информационного взаимодействия и выборе применяемых технологий является экономический фактор. Для оценки и сравнения различных проектов могут быть использованы несколько методов оценки эффективности. Но необходим комплексный метод, который позволил бы учесть специфику информационных технологий.
Новизна технологии ІР-телефонии обуславливает необходимость разработки методов определения надежности систем с учетом их специфики.
Основной целью работы является разработка метода, позволяющего оценивать основные показатели эффективности внедрения и использования технологии IP - телефонии в существующих информационных структурах предприятий.
Для достижения поставленной цели планируется решить следующие задачи:
провести анализ состояния и направлений развития информационных структур предприятий железнодорожного транспорта, а также анализ тенденций развития информационной отрасли в целом и, в частности, технологии IP-телефонии. Систематизировать варианты использования технологии, применяемое при этом оборудование, правовые и технологические аспекты регулирования использования технологии IP телефонии;
- произвести анализ и выбор критериев оценки эффективности
внедрения информационных технологий на предприятии;
разработать методику экспериментального определения вероятностных характеристик нагрузки систем 1Р-телефонии;
разработать программный комплекс для имитационного моделирования процессов обслуживания нагрузки в системе 1Р-телефонии;
усовершенствовать методику определения экономической эффективности внедрения технологии ІР-телефонии в ИС предприятий железнодорожного транспорта;
- разработать модель системы ІР-телефонии для оценки надежности
различных систем и архитектурных решений, учитывающую особенности
технологии.
Научная новизна исследования заключается в следующем:
разработан комплексный метод оценки эффективности использования систем ІР-телефонии на предприятии;
разработан метод экспериментального определения вероятностных характеристик нагрузки систем 1Р-телефонии;
предложены и исследованы путем имитационного моделирования перспективные методы оценки качества обслуживания в системах ІР-телефонии;
- разработан метод оценки экономической целесообразности
внедрения систем ІР-телефонии на предприятии, учитывающий специфику
технологии и особенности эксплуатации;
- разработан метод определения и анализа надежности систем ІР-
телефонии.
Практическая ценность исследования состоит в том, что её результаты комплексно и системно описывают механизм определения необходимости и эффективности использования технологии ІР-телефонии в информационных структурах предприятий железнодорожного транспорта. Разработанные методы позволяют рассчитать качество обслуживания в проектируемой системе, оценить экономическую целесообразность внедрения новой информационной технологии, обоснованно сделать выбор оборудования, спрогнозировать надежность. В условиях бурного развития информационных технологий и большого числа факторов, которые необходимо учитывать при оценке целесообразности использования их в системах информационного взаимодействия, результаты проведенного исследования позволят наиболее точно определить момент внедрения и минимизировать экономические затраты.
Основные теоретические и практические результаты, полученные в диссертации, использованы в научно-производственной и проектной деятельности службы связи и вычислительной техники Московской железной дороги, информационного вычислительного центра Московской железной дороги, ООО «Наука-Связь», что подтверждено соответствующими актами.
Основные положения диссертационной работы были представлены и обсуждались на конференции Российского научно-технической общества имени А.С.Попова, на 6-ой научно-технической конференции ПТСПИ -2005, на заседаниях кафедры «Радиотехника и электросвязь» МИИТа.
Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и двух!? приложений.
Анализ вариантов применения технологии ІР-телефонии в информационных структурах Федерального железнодорожного транспорта
Телефонная связь постоянно совершенствуется технологически, позволяя повысить качество и надежность предоставляемых услуг. Однако принципиальные решения, заложенные в ее основу, не менялись очень давно. Архитектура построения, функциональные элементы (АТС, каналообразующее оборудование, телефонные аппараты), список услуг, теория расчета и проч. остаются без изменений уже много лет.
Новый толчок в развитии телефонных систем дала технология ІР-телефонии. Эта технология позволяет передавать голосовые сообщения по сетям передачи данных. При этом процедура передачи голосовой нагрузки ничем не отличается от передачи данных и подчиняется таким же принципам обслуживания, обработки, трансляции.
Существенные различия в принципах построения систем передачи информации на базе коммутации каналов (КК) и коммутаций пакетов (КП) привели к тому, что подходы и методы, применяемые к описанию телефонных систем на базе технологии КК, не позволяют рассчитывать, описывать и моделировать телефонные системы ІР-телефонии.
В настоящее время в нашей стране технология ІР-телефонии получила развитие в четырех классах информационных структур [16]: - телефонных системах «альтернативных» операторов связи; - корпоративных информационных системах; - системах доступа к телефонной сети общего пользования (ТфОП) через сеть Интернет; - информационных системах интеллектуальной обработки вызовов.
Телефонные системы «альтернативных операторов» предназначены для предоставления услуг междугородной и международной телефонной связи абонентам (рис. 1.3). Данная схема позволяет осуществлять оригинацию, терминацию и транзит речевой информации между различными регионами и странами. Применение технологии ІР-телефонии на магистральных участках является более дешёвым по сравнению с технологиями ЦСИО, что позволяет значительно снизить себестоимость транзита голосового трафика между регионами и уменьшить капитальные затраты по организации магистральных каналов.
Вышеизложенные преимущества дали мощный толчок развитию отрасли ІР-телефонии в целом, по данным статистики операторы телефонных IP-сетей дальней связи в мире 2005 году обслужили свыше 1000 млрд. минут телефонного трафика (рис. 1.4.) [17]. Российский сегмент характеризуется более скромными цифрами — порядка 17 млрд. минут. Столь низкая цифра объясняется тем, что применение услуг ІР-телефонии официально разрешено в России лишь с 1 июня 1999 года [17]. В этом сегменте рынка как абсолютные, так и относительные показатели, выражаемые не в количестве портов, а в доле рынка услуг, уже весьма значительны. Почти 11 % всего международного и междугородного трафика в России обслуживаются сегодня телефонными системами «альтернативных» операторов, использующих технологию ІР-телефонии [18]. Учитывая, что для телефонных операторов продажа междугородного трафика является практически единственным источником дохода, такие пропорции представляются внушительными. ІР-телефония также оказывает на российский рынок телекоммуникаций весьма существенное влияние. По некоторым прогнозам, соотношение традиционного и IP-трафика составит в 2008 году уже 50/50 [18].
Столь бурные темпы проникновения ІР-телефонии на рынок междугородных систем информационного обмена объясняются как прибыльностью, так и быстрыми сроками окупаемости. Ожидать возврата начальных инвестиций можно в среднем через полгода [18]. Поскольку полученная прибыль вкладывается, как правило, в развитие, то темпы развития получаются достаточно высокими.
Среди задач, которые операторам сетей ІР-телефонии предстоит решить в ближайшем будущем, — организация обмена трафиком. Так как основные города и населенные пункты нашей страны охвачены сетями существующих операторов ІР-телефонии, преимущества их взаимодействия становятся вполне очевидными. Подобное взаимодействие позволяет также расширить масштабы предоставляемых операторами услуг, таких, как, например, роуминг абонентов. Таким образом, объединение в той или иной форме существующих операторов в рамках сети ІР-телефонии представляется по сути предопределенным. Не исключено, что операторы разделятся «по специальностям» на тех, кто ориентирован на работу непосредственно с клиентами, и на тех, кто ориентирован на транзит трафика. С организационной точки зрения сети ІР-телефонии будут повторять структуру традиционных национальных и межнациональных телефонных сетей. Это вполне закономерно, поскольку логика бизнеса остается той же самой [16].
На развитие этого класса ИС, как и на весь сектор систем информационного обмена, влияет большое число факторов, основные из которых приведены на рис. 1.5. Учитывать их необходимо как при проектировании существующих сетей, так и при разработке новых систем и приложений. Это требование обусловлено необходимостью адаптации решений и технологий к требованиям современного общества, ситуации на рынке услуг и существующим технологическим решениям [19].
Экономические показатели эффективности внедрения современных информационных технологий
Основной целью деятельности любой компании является получение прибыли, поэтому одним из решающих при разработке телекоммуникационных проектов и выборе применяемых технологий является экономический фактор. Для оценки и сравнения различных проектов возможно использование различных методов оценки эффективности.
Возможно применение так называемых «бухгалтерских методов», при которых телекоммуникационная система рассматривается, как «основные средства» предприятия. Она имеет свою стоимость, коэффициент амортизации, эксплуатационные затраты и др. На основании этих критериев определяется целесообразность использования той или иной системы, производится анализ и сравнение вариантов[35].
К недостаткам такого подхода можно отнести то, что он не охватывает специфику телекоммуникационной отрасли, сложность и комплексность внедряемых систем. Например, «бухгалтерия» не в состоянии определить пользовательские затраты на персональную поддержку, неформальное обучение, ошибки и просчеты, стоимость потерь производительности из-за выхода из строя оборудования или профилактические плановые остановки работы.
Кроме того, указанные методы не учитывают выигрыш предприятия от различной интеграции эксплуатационных подразделений, стабильность и надежность системы, поэтому для более точной оценки внедряемых телекоммуникационных систем необходим подход, который бы учитывал их специфику и особенности.
Способы полноценного количественного и качественного анализа того вклада, который информационные технологии вносят в достижение конечного результата компании, существуют. На основании такого анализа можно расставить и приоритеты проектов. В данной главе приведен краткий обзор инструментальных средств, которые помогут провести такой анализ.
Все основные методы анализа можно разделить на три категории: традиционные, качественные (их еще называют эвристическими) и вероятностные. Конечная цель оценки - установить прямую связь между инвестициями в ИТ и результатами работы компании [36].
Первая группа - это традиционные финансовые методы, использующие традиционные финансовые расчеты с учетом специфики ИТ и необходимости оценивать риск:
1. Экономическая добавленная стоимость (Economic Value Added, EVA)[36]. В качестве основной характеристики EVA использует чистую операционную прибыль, из которой вычитаются соответствующие денежные затраты. При оценке, например, новой информационной системы методология EVA требует учета всех инвестиций, в том числе первоначальных денежных вложений, расходов на поддержку, затрат на внутреннее и внешнее обучение и т. д. Все эти расходы считаются платой за предполагаемую выгоду, которая будет способствовать увеличению оборота и снижению издержек.
Использование месячных, квартальных или годовых оценок EVA для характеристики эффективности работы отдельных подразделений позволяет согласовать подчас противоречивые цели, такие как рост оборота, увеличение доли продаж на рынке или движение денежных средств, с помощью единого финансового показателя.
2. Полная стоимость владения (Total Cost of Ownership, TCO). TCO эффективный подход к определению наилучшего соотношения цена/качество для предприятий сферы услуг на основе рассмотрения таких ключевых бизнес-процессов, как восстановление после сбоев, управление модернизацией и техническая поддержка [37].
В рамках такого подхода предполагается оценка стоимости приобретения, администрирования, установки, перемещения и модернизации, технической поддержки и сопровождения, вынужденных простоев и других скрытых затрат. В настоящее время такой подход приобрел широкое распространение. Подсчет полной стоимости владения стал стилем жизни многих руководителей технических подразделений, отдающих предпочтение беспристрастному анализу новых продуктов и обновлений. Производители оборудования могут заметно увеличить объемы продаж, если наделят продукцию возможностями снижения ТСО.
Методология ТСО подходит для подсчета текущих стоимостных параметров, с ее помощью можно достаточно полно проанализировать эффективность выполнения каких-то отдельных функций или набора функций. В сочетании с другими параметрами, применяемыми на практике, она позволяет получить удачную схему учета и контроля расходов на информационные технологии. Однако методология ТСО не учитывает риски и не позволяет соотнести технологию со стратегическими целями дальнейшего развития бизнеса и решением задачи повышения конкурентоспособности.
3. Коэффициент возврата инвестиций (Retern Of Inestigaqtion, ROI) -наиболее известная характеристика, используемая в процессе принятия решений и установки приоритетов проектов в процессе выделения бюджета. Коэффициент ROI - это отношение средней прибыли от внедрения системы к её совокупной стоимости владения.
Имитационное моделирование процесса обслуживания нагрузки в ІР-сети
На первом этапе машинного моделирования — построения концептуальной модели системы и её формализации — формулируется модель и строится её формальная схема, то есть основным назначением этого этапа является переход от содержательного описания объекта к его математической модели, другими словами, процессу формализации.
В процессе формализации строится математическая модель системы, устанавливаются её структура и существующие зависимости между элементами.
Системы массового обслуживания — это такие системы, в которых в случайные моменты времени поступают заявки на обслуживание, при этом поступившие заявки обслуживаются с помощью имеющихся в распоряжении системы каналов обслуживания [60].
В качестве процесса обслуживания в СМО могут быть представлены различные по физической природе процессы функционирования экономических, производственных, технических и других систем, например, потоки товаров, потоки продукции, потоки деталей, потоки клиентов и др.
В процессе функционирования в СМО поступают заявки на обслуживание, поступив в СМО, заявка присоединяется к очереди ранее пришедших заявок. Канал обслуживания выбирает заявку из находящихся в очереди и приступает к её обслуживанию. После завершения процедуры обслуживания очередной заявки канал обслуживания приступает к обработке следующей заявки, если таковая имеется в очереди. Данная процедура повторяется многократно. По числу каналов обслуживания СМО делятся на одноканальные и многоканальные.
По виду приоритета СМО делятся на системы со статическим приоритетом (обслуживание в порядке поступления заявок) и системы с динамическим приоритетом, который, в свою очередь, имеет три разновидности: относительный приоритет (заявка высокого приоритета ожидает окончания обслуживания заявки с более низким приоритетом), абсолютный приоритет (заявка высокого приоритета при поступлении немедленно вытесняет заявку с более низким приоритетом), смешанный приоритет (если заявка с низшим приоритетом обслуживалась в течение времени, не превысившего критическое, то используется абсолютный приоритет, в противном случае - используется относительный приоритет) [61,62].
Основные характеристики СМО: входящий поток заявок на обслуживание; дисциплина очереди; механизм обслуживания.
Для описания входящего потока заявок требуется задать вероятностный закон, определяющий последовательность поступления заявок на обслуживание и указать количество таких заявок в очереди.
Дисциплина очереди определяет принципы, в соответствии с которыми поступающие на вход СМО заявки выбираются из очереди для обслуживания. Существуют следующие дисциплины очереди: первым пришёл, первым обслужился; последним пришёл, обслужился первым; случайный отбор заявок; отбор заявок по критерию приоритетности.
Механизм обслуживания определяется характеристиками процедуры обслуживания и структуры обслуживающей системы. К характеристикам процедуры обслуживания относятся продолжительность процедуры обслуживания и количество заявок, удовлетворяемых в результате выполнения каждой такой процедуры. Таким образом, входными характеристиками являются: закон распределения потока заявок; закон распределения обслуживания заявок; длина очереди; время моделирования; Выходными характеристиками являются: количество поступивших заявок; количество обслуженных заявок; количество необслуженных заявок; максимальное время ожидания в очереди; среднее время ожидания в очереди; Указанные характеристики могут быть рассчитаны теоретически только для экспоненциальных законов распределения времени обслуживания. Для более сложных законов эти параметры могут быть получены с помощью статистического моделирования [3.15,3.16].
Анализ экономической эффективности внедрения системы ІР-телефонии в информационных структурах железнодорожного транспорта
Разработанная методика позволяет нам сравнить различные варианты систем ІР-телефонии для выбора оптимального варианта. Для сравнения технико-экономических характеристик систем ІР-телефонии выберем несколько наиболее распространенных типовых решений. Это будут системы на базе оборудования Cisco System[48] и Avaya[71], дополнительно сравним их с «традиционным» решением на базе оборудования DX-500 компании Миником[72]. Для анализа выберем участок железной дороги, состоящий из семи станций. Заданное распределение абонентов по станциям участка представлено в табл. 4.1.
В настоящее время на рынке представлено несколько архитектурных решений, используемых при построении систем ІР-телефонии. Ведущей компанией, использующей только протокол IP при построении телефонных систем, является компания Cisco Systems. Она предлагает полный спектр оборудования для построения законченной системы (шлюзы, коммутаторы, каналообразующее оборудоваие). Одним из важнейших и самых дорогих компонентов системы ІР-телефонии от Cisco System является программно-аппаратный комплекс Cisco Call Manager[48], поэтому заменим его решением от компании Iskratel SI2000 Media Gateway[73] с фирменным программным обеспечением.
Решение от компаний Cisco Systems и Iskratel (табл 4.2.) по затратам при внедрении занимает промежуточное положение между решениями от компаний Avaya и «Миником DX-500». При таком подходе при построении системы мы получаем полнофункциональную телефонную сеть и магистральную сеть передачи данных на базе технологии Gigabit Ethernet (рис. 4.1). Иными словами, вместо двух независимых сетей получаем единую магистральную сеть, пропускной способности которой будет достаточно для работы любых приложений. Эта сеть, как и любая сеть на базе технологий IP, позволяет удобно и централизованно управлять ею, осуществлять мониторинг и контроль всех процессов. К недостаткам можно отнести сложность инсталляции системы, обучение персонала работе со сложным оборудованием различных производителей, модернизация кабельной инфраструктуры для включения IP-телефонов, наиболее низкая надежность системы в целом. Такое решение можно рекомендовать на этапе строительства новых станций с возможностью изначально правильно запроектировать структурированную кабельную систему и сеть электропитания.
Ко второй группе относятся «гибридные» решения, которые позволяют использовать весь спектр технологий и протоколов в одной системе. Последователями такого подхода являются производители традиционных телефонных станций, которые осознали преимущества технологии IP-телефонии.
Рассмотрим структурную схему сети на базе оборудования Media Server S8700 компании Avaya[74] (рис.4.2). Решение от компании Avaya является наиболее сбалансированным, сохранив в себе все лучшее от традиционной телефонии (надежность, функциональность, стандартные интерфейсы, масштабируемость и др.), оно обладает всеми преимуществами, которые предоставляет технология IP-телефонии. Мы получаем надежность и функциональность телефонной станции, и в тоже время - единую магистральную сеть передачи данных для работы различных приложений. При этом система имеет единый интерфейс управления и мониторинга для всех процессов, в некоторой степени опробована на сети железных дорог. Единственным недостатком этого решения является его высокая цена. Данное решение можно рекомендовать при модернизации существующих телефонных систем. Оно позволяет произвести безболезненный переход к технологии ІР-телефонии без кардинальной реконструкции существующей кабельной инфраструктуры. Спецификация оборудования представлена в табл. 4.3.
Дополнительно, для анализа целесообразности перехода к технологии ІР-телефонии, применим разработанную методику для системы «традиционной» телефонной связи на базе оборудования «Миником DX-500» компании «Информтехника и связь» (рис 4.3.). Система ОТС, построенная на базе синхронной транспортной сети и оборудования «Миником DX-500», является наиболее дешевым и надежным вариантом. Затраты на эксплуатацию и внедрение такой системы и на обучение персонала минимальны.
