Разработка и исследование транспортной технологии для сетей NGN

Актуальность работы. В настоящее время активно обсуждается проблема создания мультисервисных сетей, т. е. сетей, обеспечивающих передачу трафика различного вида: данные, речь, видео,. Важным вопросом при построении мультисервисных сетей является выбор технологии, на основе которой будут строиться такие сети.

Вопросы построения мультисервисных сетей активно исследуются в работах отечественных (Б.С.Гольдштейн, А. Е. Кучерявый, А. Н. Назаров, Н. А. Соколов, М.А.Шнепс-Шнеппе, Г. Г. Яновский, и др.) и зарубежных (U.Black, J. Davidson, S. Fisher, J.M.Garcia, D. McDysan, D. Minoli, F.A.Tobagi, и др.) авторов.

Большинство специалистов в настоящее время склоняются к использованию технологии IP в качестве платформы для построения сетей NGN. Тем не менее, построение NGN на основе этой технологии сопряжено с рядом проблем, связанных с тем, что технология IP разрабатывалась как технология передачи данных, и передача трафика реального времени в рамках этой технологии сталкивается с рядом трудностей.

Таким образом, вопрос выбора транспортной технологии для построения сетей NGN нельзя считать окончательно решенным.

Цели и задачи исследования. Цель работы состоит в формулировании общего подхода к коммутации, на основе которого предлагается вариант технологии для построения мультисервисной сети.

Для достижения поставленной цели в диссертационной работе решаются следующие задачи:

1. анализ существующих технологий с точки зрения построения на их основе мультисервисной сети;

2. формулирование обобщенного подхода к методам коммутации, анализ методов коммутации с точки зрения предложенного подхода;

3. разработка нового метода коммутации блоков (КБ), совмещающего в себе преимущества методов коммутации каналов (КК) и коммутации пакетов (КП);

4. разработка моделей расчета ВВХ для технологии КБ с постоянным и изменяемым интервалом мультиплексирования (ИМ), а также технологии КП;

5. сравнение существующих методов коммутации и предлагаемой технологии на основе аналитических и имитационных моделей.

Методы исследования. Проводимые исследования базируются на теории вероятностей, теории численного анализа, теории массового обслуживания и методах имитационного моделирования.

Для численного анализа, проведения вычислений использовались математические пакеты Maple V, TableCurve 2D, TableCurve 3D.

Имитационное моделирование выполнялось с помощью разработанной автором программы на языке Java с использованием библиотек имитационного моделирования ППП AnyLogic 5.0.

Научная новизна. Основные результаты диссертации, обладающие научной новизной:

1. Обобщение существующих методов коммутации и формулирование обобщенного подхода к коммутации;

2. Разработка нового метода коммутации блоков (КБ);

3. Разработка аналитических моделей для расчета ВВХ метода коммутации блоков с ИМ постоянной длительности, метода коммутации блоков с ИМ переменной длительности и метода коммутации пакетов;

4. Решение задачи расчета параметров сети, работающей по методу КБ при заданных требованиях на разработанной аналитической модели;

5. Разработка модели на языке JAVA, моделирующей работу сети, построенной по предлагаемому методу. Модель позволяет моделировать сети произвольной топологии с различным количеством узлов (параметры сети, топология, количество узлов задается пользователем с помощью графического интерфейса).

Практическая ценность. Основным практическим результатом диссертационной работы является предложение прототипа сетевой технологии КБ, на основе нового подхода к коммутации, являющегося обобщением методов КП и КК, получение формул для расчета ВВХ для предлагаемой технологии, сравнение метода КБ с существующими на основе аналитических моделей и имитационного моделирования.

Реализация результатов работы. Результаты диссертационной работы использованы при разработке патента РФ, что подтверждается соответствующим документом.

Апробация работы и публикации. Результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на всероссийских и международных научных конференциях: NEW2AN, AFCEA Summit, JASS'2005, а также на научно-технических конференциях и семинарах СПбГУТ.

Основные положения диссертации изложены в 5 докладах на научно-технических конференциях, 5 статьях, а также в патенте РФ.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Классификация методов коммутации.

2. Обобщенный подход к коммутации.

3. Прототип сетевой технологии, базирующийся на предлагаемом подходе.

4. Аналитические модели расчета параметров сети и ВВХ для предлагаемой сетевой технологии.

5. Имитационная модель сети, функционирующая по предлагаемой технологии.

Личный вклад автора. Основные результаты теоретических и прикладных исследований получены автором самостоятельно. В работах, опубликованных в соавторстве, соискателю принадлежит основная роль при постановке и решении задач и обобщении полученных результатов.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложений. Работа содержит 120 страниц текста, 60 рисунков, 7 таблиц.

Выводы.

1. Произведен обзор пакетов имитационного моделирования. Сделан выбор в пользу универсального пакета моделирования AnyLogic 5.0 для построения имитационной модели сети, работающей по предложенному методу коммутации.

2. Разработана имитационная модель коммутатора блоков, работающая в трех режимах: КБ с постоянной длительностью ИМ, КБ с переменной длительностью ИМ и КП. Разработанная имитационная модель коммутатора блоков подтверждает результаты, полученные с помощью аналитической модели. Погрешность при этом составляет единицы процентов, что является хорошим показателем.

3. На имитационной модели получены результаты работы коммутатора при обработке трафика модели On-Off, которая хорошо описывает процесс передачи голосового трафика. Показано, что предложенный метод коммутации блоков с ИМ переменной длительности позволяет эффективно мультиплексировать трафик On-Off источников.

4. Построено несколько имитационных моделей сетей, состоящих из нескольких узлов коммутации, работающих по предложенному методу. По результатам имитационного моделирования для сетей различной топологии был сделан вывод, что предложенный метод коммутации блоков с изменяемой длиной ИМ дает существенно меньшие потери блоков относительно метода с фиксированной длиной ИМ, превосходя также метод КП по этому показателю. Разрыв увеличивается с уменьшением загрузки. При этом задержка в сети остается фиксированной, в отличие от метода КП, в случае использования которого необходимо использовать дополнительные механизмы для выравнивания задержки на оконечных устройствах. При этом для метода КП помимо вычислительных накладных расходов необходимо учитывать дополнительные канальные накладные расходы, связанные с эмуляцией временной прозрачности — например, с маркировкой пакетов временными метками.

Таким образом, имитационное моделирование подтверждает результаты аналитического и доказывает эффективность предложенного решения.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В процессе проведенных в диссертационной работе исследований получены следующие основные результаты.

1. Рассмотрены существующие сетевые технологии с точки зрения возможности их применения для построения МСС. Сделан вывод о необходимости поиска новой технологии передачи информации.

2. Рассмотрены существующие методы коммутации, предложен общий подход к коммутации, при этом каждая из существующих сетевых технологий является частным случаем предложенного подхода.

3. На основании общего подхода предложена технология коммутации блоков для передачи мультимедиа трафика, обеспечивающая следующие преимущества: а) сеть, построенная на предложенном методе, обеспечивает временную прозрачность при передаче трафика РВфиксированную задержкуб) метод обеспечивает высокую эффективность мультиплексирования, свойственную методу КПв) передача трафика РВ осуществляется с небольшими накладными расходами, механизмы обеспечения качества обслуживания заложены в сам метод коммутации и не эмулируютсяг) передача трафика данных осуществляется с той же эффективностью, что и при КПд) предложенный метод инвариантен к структуре трафикасоотношением между его различными видами (доля трафика РВ по сравнению с технологией ТСРЛР может быть увеличена более чем в 2,5 раза при сохранении допустимого уровня потерь) — е) предлагаемое решение обеспечивает мультиплексирование всех видов трафика (включая сигнализацию) в одном канале, эффективно используя и динамически распределяя между ними канальные ресурсы.

4. Эффективность предложенной технологии показана на разработанной аналитической модели коммутатора блоков. В ходе работы получены ВВХ для предложенного метода КБ с переменной длиной ИМ, а также для методов КП и КБ с фиксированной длиной ИМ. Произведено сравнение с существующими подходами на основании аналитических моделей, в результате чего показана эффективность предложенного подхода.

5. Решены задачи определения параметров сети под заданные требования к задержке и уровню потерь с помощью аналитической модели.

6. Результаты аналитического моделирования подтверждены с помощью разработанной имитационной модели коммутатора блоков.

7. Исследование предложенной технологии на имитационных моделях сетей различных топологий также подтвердило высокую эффективность предложенного подхода.