Разработка метода динамической маршрутизации трафика для цифровой междугородной телефонной сети России

Актуальность темы

В последние годы междугородная телефонная сеть России претерпела значительные качественные изменения и сейчас более чем на 70% является цифровой. Благодаря этому появилась возможность более гибкого построения сети и управления ею, позволяющая динамически перераспределять ее ресурсы в соответствии со случайным характером телефонного трафика. Последний, как известно, имеет сезонные и периодические суточные изменения, а также может иметь непредвиденные всплески, отображающие различные общественные процессы.

В этих условиях цифровая междугородная телефонная сеть России в соответствии с рекомендацией Е.529 МСЭ-Т должна обеспечивать нормированное значение качества обслуживания трафика по сквозной вероятности потерь. Качеством обслуживания трафика является совокупность технических параметров, используемых для обеспечения меры соответствия технических средств трафику при определенных условиях. Для дальнейшего исследования существенно, что эта мера для междугородной телефонной сети может быть задана в виде вероятности потерь — рекомендация Е.600 МСЭ-Т. Также следует иметь в виду, что цифровая междугородная телефонная сеть России является постоянно растущей и развивающейся системой, как по объему передаваемой информации, так и по характеру сообщений, допускающих различные режимы передачи.

Следовательно, современная междугородная телефонная сеть России, оборудованная цифровыми коммутационными станциями и узлами, имеет необходимую технологическую базу для организации динамической маршрутизации трафика. При этом реализуется возможность расширить правила маршрутизации, выйдя за рамки существующей фиксированной маршрутизации.

Таким образом, перед цифровой междугородной телефонной сетью России встает задача оптимального проектирования с учетом неодновременности часа наибольшей нагрузки (ЧНН). Час наибольшей нагрузки (ЧНН) — это постоянный период в один час, полностью входящий в соответствующий промежуток времени, при котором трафик или количество попыток вызова является максимальным.

В настоящее время на цифровой междугородной телефонной сети России проектирование таблиц маршрутизации трафика на станциях неавтоматизированно. Поэтому получить таким способом таблицы маршрутизации, близкие к оптимальным, практически невозможно.

В большинстве развитых стран уже применяется или осуществляется переход на динамическую маршрутизацию. Успешное развитие динамической маршрутизации, а также её очевидные преимущества вдохновили администраторов сетей многих стран мира планировать и внедрять сети с динамической маршрутизацией. Методы динамической маршрутизации активно развивались в течение последних нескольких лет и теперь внедрены в таких сетях мира, как AT&T, FTS-2000, MCI, Sprint (США), Stentor (Канада), NTT (Япония), British Telecom (Великобритания) и др. Во всех этих странах сети с динамической маршрутизацией значительно улучшили рабочие характеристики и качество сети при снижении затрат на обслуживание трафика. Поэтому динамическая маршрутизация в телекоммуникационных сетях стала предметом мирового изучения и интереса. Сейчас научно-исследовательские институты во всем мире заняты активными исследованиями и разработками в этой области.

Методы динамической маршрутизации рассматривались в ряде работ отечественных и зарубежных авторов [13, 29]. Предложенные в [13, 14] способы динамической маршрутизации (волновой, рельефов и цифровой) в данной диссертационной работе не использовались, так как они касаются оперативного управления, а в работе рассматривается плановое управление маршрутизацией. Авторы работ, посвященных динамической маршрутизации Лазарев В. Г., Лазарев Ю. В., Gerald Ash, F.R.K. Chung, R.L. Graham, F.K. Hwang, Cameron H., Galloy P. используют различные методы динамической маршрутизации применительно к сетям ведущих мировых операторов. Как будет показано ниже, на цифровой междугородной телефонной сети России нет возможности применения методов маршрутизации, которые работают в зарубежных сетях. Поэтому возникает задача выбора стратегии динамической маршрутизации для цифровой междугородной телефонной сети России, учитывающей ее специфику (иерархическую структуру, наличие десяти часовых поясов, низкую связность сети, последовательное необратимое управление соединением и большое количество зависимых и трехзвенных путей). При выборе стратегии динамической маршрутизации для цифровой междугородной телефонной сети России необходимо учитывать ее особенности.

Кроме того, цифровизация междугородной телефонной сети России обеспечивает новые возможности для создания сети с лучшими эксплутационными и экономическими характеристиками, которые в настоящее время полностью не использованы. Следовательно, актуальной является задача разработки усовершенствованного метода и комплекса программ, которые при построении и расчете цифровой междугородной телефонной сети России с учетом неодновременности ЧНН будут в максимальной степени отражать возможности новых технологий. Таким образом, исследование динамической маршрутизации и разработка метода для определения оптимальных характеристик цифровой междугородной телефонной сети России с учетом неодновременности ЧНН является актуальной задачей и имеет большое практическое значение при проектировании цифровой междугородной телефонной сети России, повышения эффективности капитальных вложений при строительстве и для максимального использования вложенных инвестиций.

Цель и задачи исследования

Целью диссертационной работы является разработка метода динамической маршрутизации трафика с учетом неодновременности ЧНН на цифровой междугородной телефонной сети России для экономии канальных ресурсов при проектировании сети и в процессе ее эксплуатации. Данная цель достигается решением следующих задач:

• анализ методов маршрутизации трафика на цифровых телефонных сетях и разработка рекомендаций по выбору метода, адекватного уровню развития и специфики цифровой междугородной телефонной сети России;

• анализ возможности повышения качества обслуживания трафика на цифровой междугородной телефонной сети России путем использования динамической маршрутизации;

• разработка математической модели задачи оптимизации канальных ресурсов для выбранного метода плановой динамической маршрутизации с учетом неодновременности ЧНН и специфики цифровой междугородной телефонной сети России;

• разработка алгоритмов и реализующих их программ проектирования сети и составления плана динамической маршрутизации трафика;

• проведение экспериментальных исследований разработанной новой математической модели для расчета параметров сети при оптимизации канальных ресурсов для динамической маршрутизации трафика на цифровой междугородной телефонной сети России.

Апробация результатов работы. Основные материалы диссертационной работы докладывались, обсуждались и получили положительную оценку на НТС в ЦНИИСе, на научно-технической конференции профессорско-преподавательского, научного и инженерно-технического состава МТУ СИ (г. Москва, 29−31 января 2002 г.), на LVII научной сессии РНТОРЭС им. А. С. Попова, посвященной Дню радио (г. Москва, 15−16 мая 2002 г.), на Восьмой Международной Конференции по информационным сетям, системам и технологиям (МКИССиТ) (г. Санкт-Петербург, 16−19 сентября 2002 г.), на конференции «Телекоммуникационные и вычислительные системы связи в рамках Международного форума информатизации» (МФИ) (г. Москва, 27 ноября 2002 г.), на научно-техническом семинаре «Вопросы проектирования, построения и эксплуатации современных телекоммуникационных систем» РНТОРЭС им. А. С. Попова (г. Москва, 4−5 февраля 2003 г.).

По теме диссертации опубликовано 8 печатных работ.

Основные научные положения, теоретические выводы и результаты, изложенные, в диссертации, получены автором самостоятельно.

Научная новизна.

1. Разработана математическая модель задачи оптимизации канальных ресурсов сети в условиях применения метода плановой динамической маршрутизации трафика с учетом неодновременности ЧНН. Модель учитывает специфику цифровой междугородной телефонной сети России: последовательное управление соединениембольшое количество зависимых трехзвенных путейиерархическую структуру и низкую связность сети, наличие десяти часовых поясов.

2. Разработан древовидный алгоритм выбора путей при маршрутизации трафика на цифровой междугородной телефонной сети России, учитывающий последовательное управление соединением.

3. Разработан алгоритм для расчета вероятности потерь на цифровой междугородной телефонной сети России с учетом последовательного управления соединением и возможности сброса избыточной нагрузки не только с первого, но и со второго участка пути.

4. На базе метода линейного программирования разработана процедура маршрутизации трафика, обеспечивающая использование наименее загруженных участков маршрута с учетом несовпадения ЧНН.

5. Получена верхняя оценка потребности в канальных ресурсах сети при использовании различных методов маршрутизации трафика. Показано, что на цифровой междугородной телефонной сети России применение динамической маршрутизации с учетом несовпадения ЧНН позволяет на этапе проектирования экономить до 12% канальных ресурсов по сравнению с фиксированной маршрутизацией трафика.

Практическая ценность работы заключается в разработке метода проектирования цифровой междугородной телефонной сети России с учетом неодновременности ЧНН и динамической маршрутизации трафика. Осуществлена программная реализация алгоритмов, формализующих процедуры расчета величины обслуженной нагрузки на сети и оптимального числа занятых каналов. Разработанные алгоритмы положены в основу программ динамической маршрутизации с учетом неодновременности ЧНН для цифровой междугородной телефонной сети России. Разработанные программы написаны на языке объектно-ориентированного программирования Visual С++ и объединены в программный комплекс «Маршрутизатор».

Реализация результатов диссертационной работы. Программный комплекс «Маршрутизатор» использован при разработке Генеральной схемы развития сети электросвязи Смоленской области на перспективу до 2015 г. Разработанный метод и алгоритмы включены в отчеты по научно-исследовательским работам ЦНИИС, выполненным по заданию Министерства Российской Федерации по связи и информатизации, что подтверждено соответствующими актами (приложение № 1).

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и приложений.

Выводы.

1. Для определения оптимального плана маршрутизации на цифровой междугородной телефонной сети России с динамической маршрутизацией в диссертации предложено использовать методы, которые разработаны для неиерархических сетей с последовательным управлением соединением.

2. Предложение использовать динамическую маршрутизацию на цифровой междугородной телефонной сети России позволит дополнительно сэкономить 4% канального ресурса сети.

3. Разработанная в диссертационной работе модель для метода оптимального количества каналов для цифровой междугородной телефонной сети России позволяет уменьшить необходимые ресурсы не менее, чем на 8% только за счет учета неодновременности ЧНН.

В результате проведенных исследований получено уменьшение сетевых ресурсов не менее, чем на 12% при расчете цифровой междугородной телефонной сети России для трех расчетных часов (с учетом неодновременности ЧНН и динамической маршрутизации) по сравнению с расчетом той же сети методом фиксированной маршрутизации. Проведенные расчеты соответствуют требуемой норме качества обслуживания трафика (3%).

Заключение

.

1. Проанализированы методы маршрутизации и управления соединением. Показано, что на иерархической структуре цифровой междугородной телефонной сети России на первом этапе перехода от фиксированной к динамической маршрутизации целесообразно внедрение плановой динамической маршрутизации трафика. Это позволит при том же методе управления улучшить качество функционирования сети.

2. Показано, что учет неодновременности ЧНН позволяет на этапе проектирования междугородной телефонной сети России выявить гарантированные резервы сети для использования их при динамической маршрутизации.

3. Поставлена актуальная задача минимизации канальных ресурсов для цифровой междугородной телефонной сети России с использованием динамической маршрутизацией и с учетом неодновременности ЧНН при обеспечении нормированного значения качества обслуживания трафика. Основное отличие поставленной задачи оптимизации в маршрутной форме от рассматриваемой в рекомендации Е.529 МСЭ-Т задачи оптимизации в путевой форме, заключается в том, что учитывается специфика междугородной телефонной сети России. Для решения поставленной задачи обосновывается необходимость применения объединенного алгоритма (OA).

4. Разработаны для реализации OA следующие процедуры и программы: а) формирования обходных путей на цифровой междугородной телефонной сети России при обеспечении требуемого качества обслуживания трафикаб) циклической перестановки путей в маршрутах для каждого направления с учетом последовательного управления соединением и зависимых трехзвенных путей в маршрутев) расчета вероятности потерь трафика на участках цифровой междугородной телефонной сети России с учетом последовательного управления соединениемг) расчета числа каналов сети с учетом неодновременности ЧНН на различных станциях (узлах), что позволяет более равномерно распределять интенсивность поступающей нагрузки на участках сети в течение различных временных интервалов и повысить использование канальных ресурсов на цифровой междугородной телефонной сети России.

Разработан комплекс программ «Маршрутизатор», объединяющий все вышеперечисленные процедуры и программы. Данный комплекс был апробирован при разработке Генеральной схемы развития сети электросвязи Смоленской области на перспективу до 2015 г.

Расчеты на междугородной телефонной сети России (на данных сети ОАО «Ростелеком» за 2001 г.) показали, что разработанный метод динамической маршрутизации трафика позволяет получить не менее 12% экономии необходимых канальных ресурсов по сравнению с расчетом той же сети при использовании фиксированной маршрутизации.