Исследование механизмов аутентификации, авторизации и учета в режиме реального времени в конвергентных сетях типа WLAN/UMTS

Актуальность проблемы.

Значительная часть эволюционных изменений в сфере телекоммуникаций в наши дни проходит под знаком конвергенции фиксированных и мобильных сетей связи (.Fixed Mobile Convergence, FMC). Подтверждением этому служат конвергентные сети типа WLAN/UMTS {Wireless Local Area Network/Universal Mobile Telecommunications System), получающие сегодня все более широкое распространение в нашей стране и за ее пределами. Как правило, сеть WLAN/UMTS является продуктом присоединения домена WLAN к инфраструктуре UMTS, которое осуществляет Оператор UMTS с целью предоставления услуг по технологиям беспроводных локальных сетей. Одним из наиболее сложных аспектов такого присоединения является обеспечение работы системы аутентификации, авторизации и учета (Authentication, Authorization and Accounting, AAA) в домене WLAN сети WLAN/UMTS. В силу того, что существующие абоненты UMTS предоплатных тарифных планов требуют контроля средств на счете в режиме реального времени, система AAA домена WLAN неизбежно должна быть интегрирована с биллинговой системой сети UMTS. Возникающая в процессе учета в домене WLAN дополнительная сигнальная нагрузка повышает требования к производительности биллинговой системы, что в большинстве случаев сказывается на ее стоимости. Намеренное снижение интенсивности сигнальной нагрузки не является решением проблемы, так как особенности AAA — протоколов с резервированием средств в данном случае повлекут за собой уменьшение дохода Оператора. В силу того, что системы AAA конвергентных сетей типа WLAN/UMTS на сегодняшний день являются практически неизученными с точки зрения их вероятностно-временных характеристик, параметры функционирования систем AAA в процессе их эксплуатации выбираются! способами, не имеющими научного обоснования. Как результат, система AAA работает в режиме, не позволяющем Оператору получить максимальный доход от обслуживания абонентов. Втакой ситуации актуальной является задача исследования механизмов системы AAA в конвергентных сетях типа WLAN/UMTS и. создания математических моделей, позволяющих определить оптимальные параметры работы системы AAA.

Приведенная аргументация позволяет сформулировать цель и задачи работы.

Цель диссертационной работы заключается в разработке математической модели системы AAA конвергентной сети типа WLAN/UMTS, обслуживающей абонентов предоплатных тарифных планов в режиме реального времени, и поиске оптимальных параметров работы такой системы на основе данной модели.

Цель достигается путем решения следующих задач:

1. Исследование процесса формирования сигнальной нагрузки от системы AAA в сторону системы тарификации при обслуживании абонентов сети WLAN/UMTS в режиме реального времени. Разработка критериев оптимальности параметров работы системы AAA сети WLAN/UMTS.

2. Создание формализованного описания системы AAA сети WLAN/UMTS. Определение вероятностно-временных характеристик наиболее распространенных услуг, предоставляемых доменом WLAN.

3. Разработка математической моделисистемы AAA сети WLAN/UMTS, обслуживающейабонентов в режиме реального времени.

4. Синтез процессов системы AAA сети WLAN/UMTS. Поиск оптимальных параметров работы системы AAA на основе полученной математической модели.

5. Обоснование * методом имитационного моделирования корректности оптимума процессов системы AAA сети WLAN/UMTS.

Состояние вопроса.

Относительная новизна предмета исследования является причиной практически полного отсутствия связанных с ним научных работ. Проблематика, схожая с рассматриваемой в настоящей работе, поднимается в [26, 32, 33, 34], однако предлагаемые авторами решения либо «обходят» проблему за счет введения дополнительных механизмов, снижающих ее негативное воздействие [32, 34], либо являются неприменимыми в рамках конвергентной сети [33].

Наиболее близкая к настоящей диссертационной работе задача была сформулирована и решена М. Ченгом (Cheng), В. Янгом (Yang) и И. Лином (Lin) для системы учета в сети мобильной связи, построенной по принципу узла услуг [35]. В данной работе авторы предлагают математическую модель узла услуг, на основе которой находят оптимальный режим работы системы учета при тарификации абонентов предоплатных тарифных планов. Критерием оптимальности в работе [35] является минимизация потерь Оператора, вызванных недостаточной точностью тарификации в режиме реального времени.

Математический аппарат, предложенный в [35], подходит для целей настоящей диссертационной работы лишь отчасти по следующим причинам.

• В домене WLAN сети WLAN/UMTS учет выполняется путем предварительного резервирования ресурсов на основе протокола кредитного контроля Diameter, в то время как система AAA, построенная по принципу узла услуг, подразумевает организацию учета при помощи периодической проверки остатка на счете, выполняемой в режиме постфактум.

• Различная природа потерь Оператора сети при использовании неоптимальных параметров работы системы AAA. Потери в сети с системой AAA, построенной в соответствии с архитектурой «узел услуг», у являются следствием перерасхода предоплаченных абонентами ресурсов, то есть, так называемого «ухода» абонента «в минус». Система AAA, организованная по принципу резервирования, не имеет этого недостатка, однако допускает возникновение ситуации, когда остаток средств на счете абонента слишком мал для выполнения резервирования. В таком случае эти средства не могут быть потрачены, и их можно считать недополученным доходом Оператора.

• В [35] рассматривается процесс учета речевых сеансов — по сути, единственной протяженной во времени услуги в мобильных сетях первого и второго поколения. В домене WLAN сети WLAN/UMTS помимо учета речевых сеансов необходимо выполнять учет IP сессий. Математический аппарат, используемый при работе с речевым трафиком, в данном случае неприменим.

• Задача оптимизации параметров работы системы учета, построенной по принципу узла услуг, была решена графическим способом. При этом не приводится доказательство существования оптимума и его единственности. То есть, фактически, авторы лишь иллюстрируют возможность решения поставленной задачи. Эксплуатация реальной сети требует более точного и технологичного метода поиска оптимального значения: визуально зафиксированная точка (а, точнее, группа точек, так как график является плавным, и четкий минимум прослеживается' не всегда) на графике не является надежной основой для конфигурирования параметров сети.

Научная новизна.

В настоящей диссертационной работе впервые предложена математическая модель системы AAA конвергентной сети типа WLAN/UMTS, обслуживающей абонентов предоплатных тарифных планов в. режиме* реального времени, а также сформулирована и решена задача поиска оптимальных параметров эксплуатации такой системы. Практическая ценность.

Аналитические модели, полученные в этой работе, а также метод решения задачи оптимизации, могут быть использованы для* определения оптимальных параметров работы системы AAA в реальном времени в конвергентной сети типа WLAN/UMTS, при которых минимизируются издержки Оператора в процессе эксплуатации.

Результаты диссертационной работы были использованы при построении конвергентных сетей типа WLAN/UMTS в Поволжском и Столичном филиалах ОАО «Мегафон», а также в проектной деятельности ОАО «ГИПРОСВЯЗЬ», что подтверждается соответствующими актами. Методы исследований.

Исследование, представленное в настоящей диссертационной работе, проведено на основе* методов математического анализа, теории вероятностей, теории массового обслуживания, теории восстановления, теории оптимизации, а также методов имитационного моделирования на ЭВМ.

Основные положения, выносимые на защиту.

1. Формализованное описание задачи оптимизации параметров системы AAA конвергентной сети типа WLAN/UMTS, обслуживающей абонентов в режиме реального времени.

2. Функциональная модель системы AAA конвергентной сети типа WLAN/UMTS.

3. Математическая модель системы AAA конвергентной сети типа WLAN/UMTS, обслуживающей, абонентов, в режиме реального времени.

4. Обоснование выбора метода решения задачи оптимизации и решение данной задачи на основе полученной математической модели системы AAA конвергентной сети типа WLAN/UMTS. 5. Результаты имитационного моделирования системы AAA конвергентной сети типа WLAN/UMTS, подтверждающие аналитические модели диссертационной работы.

Публикации.

По материалам диссертационной работы в научно-технических журналах и в трудах международных и всероссийских научных конференций опубликовано 14 печатных работ.

Структура работы.

4.5 Выводы по разделу 4.

1. Математическая модель системы AAA конвергентной сети WLAN/UMTS, разработанная в диссертационной работе, позволяет с достоверной точностью оценивать издержки Оператора на предоставление наиболее популярных услуг, таких как VoIP вызов или IP сессия. В диапазоне значений аргумента, где функция стоимости достигает минимума, разброс аналитических и эмпирических значений в среднем составляет четыре процента и не превышает семи процентов.

2. Метод поиска оптимальных параметров работы системы AAA позволяет найти наилучшее значение размера резервируемых за одно обращение к системе тарификации (OCS) ресурсов с высокой степенью достоверности: отклонение от данных эксперимента не превышает четырех процентов. С учетом того, что график функции стоимости (как эмпирической, так и аналитической) плавный, подобное отклонение аргумента рядом с точкой минимума практически не влияет на величину затрат оператора, то есть полученные аналитические результаты можно считать достоверными и годными к применению в реальных сетях связи.

3. Полученные в диссертационной работе аналитические модели могут быть использованы для оптимизации работы систем AAA сетей WLAN/UMTS в режиме реального времени, а также систем AAA других сетей, работающих по аналогичному принципу предварительного резервирования ресурсов.

5.

Заключение

.

В диссертационной работе исследованы механизмы аутентификации, авторизации и учета (AAA) в реальном времени в конвергентных сетях типа WLAN/UMTS, а также сформулирована и решена задача оптимизации системы AAA по критерию издержек Оператора на предоставление услуг.

В работе получены следующие результаты:

1. Разработано формализованное описание объекта исследования — системы AAA конвергентной сети типа WLAN/UMTS.

2. Исследованы механизмы AAA в реальном времени во WLAN-домене конвергентной сети типа WLAN/UMTS.

3. Сформулирована задача оптимизации системы AAA по критерию издержек Оператора на предоставление услуг.

4. Предложена функциональная модель предмета исследования.

5. На основе функциональной модели разработана математическая модель системы AAA WLAN/UMTS-сети.

6. Создана имитационная модель объекта исследования, на ее основе разработана программа для ЭВМ, моделирующая процессы AAA. С помощью этой программы проведена серия экспериментов для проверки аналитических результатов диссертационной работы. Получено подтверждение годности разработанных моделей для оптимизации систем AAA конвергентных WLAN/UMTS-сетей.

7. Выбран и применен метод решения задачи оптимизации на основе предложенной математической модели. С использованием имитационного моделирования доказана корректность полученного решения.