Разработка методики повышения эффективности использования ресурсов широкополосных цифровых сетей интегрального обслуживания с применением технологии математического моделирования

Во всем мире стремительно растут потребности общества в различных видах информации, а соответственно новых видах услуг связи, включая услуги Internet. Это привело к стремительному прогрессу в области телекоммуникационных и информационных технологий, к возможности интеграции разнородных сетей в единую мультисервисную телекоммуникационную сеть, которая позволяет предоставлять пользователям разнородные услуги — передачу голоса, данных, видеоизображений, мультимедиа [ 28 ].

Телекоммуникационные сети стали предметом пристального изучения во всем мире с начала 70-х годов как отдельных исследователей (ЕршовВ.А., Клейнрок Л., Назаров А. Н., Олифер В. А., Шмалько A.B., и другие), так и крупных национальных и международных организаций, таких как Международный телекоммуникационных союз (ITU), который заменил МККТТ — Международный консультативный комитет по телефонии и телеграфии (CCITT), Международную организацию по стандартизацииМОС (ISO) и др. 15,95]. Концептуальной основой стандартизации сетей послужила разработанная МОС и МККТТ Эталонная модель взаимодействия открытых систем — 3MBOC (ISO/OSI), воплощенная в виде системы протоколов управления информационным обменом, реализуемых в программно-технических комплексах сети[39].

Мультисервисные сети создаются непосредственно на основе существующих узкополосных цифровых сетей и широкополосных цифровых сетей интегрального обслуживания (Ш-ЦСИО), которые могут рассматриваться как множество физически неоднородных локальных сетей, общающихся в виртуальном режиме [83].

Характерной особенностью Ш-ЦСИО, называемых также широкополосными цифровыми сетями с интеграцией служб (Ш-ЦСИС), является то, что ее функционирование происходит в условиях постоянного воздействия различного рода возмущений как случайного, так и целенаправленного характера. Это приводит к постоянным структурным изменениям трафика обмена, что требует восстановления эффективности сети или ее зоны через управление аппаратными ресурсами.

Современный этап развития интегральных сетей связывают с внедрением Ш-ЦСИО, отличающихся большим перечнем поддерживаемых служб (включая высокоскоростную передачу данных и различные видеослужбы) и опирающихся на высокоскоростные каналы связи — каналы о со скоростями передачи 10 бит/с и более [26]. Достигнутый прогресс в области производства средств передачи информации через волоконно-оптические линии связи (BOJIC), с одной стороны, и практически неограниченный ресурс таких линий по пропускной способности (теоретически до 1016 бит/с) при малых степенях затухания сигнала и искажения информации, с другой, — обусловили их выбор в качестве основы для создания Ш-ЦСИО[29].

С учетом специфики BOJIC как физической линии сети и разрабатывались рекомендации серии I (1.121, 1.150, 1.361—363), определяющие асинхронный способ передачи ATM (asynchronous transfer mode), как основной метод передачи информации через пользовательский и сетевой интерфейсы [41], а также рекомендации серии G (G.707—709), описывающие принципы синхронной цифровой иерархии, реализуемой в пределах сетевого интерфейса [69,90]. Ориентация на BOJIC позволила разработчикам^ 1,68]:

— упростить контроль за возникновением ошибок в цифровом сигнале при передаче его по каналу связи;

— перераспределить функции контроля и управления сетью с тем, чтобы сократить время задержки сообщения в узлах коммутации и уменьшить вероятность отказов в обслуживании;

— упростить содержание процедур кадровой и тактовой синхронизации.

Конечной целью создания ЦСИС и их эволюция в направлении интеллектуализации является реализация глобальной, в смысле объединяемых видов служб и географического расположения абонентов, системы связи. При этом возможно возникновение ситуаций, когда будет существовать потребность в экстренной передаче данных пользователем и отсутствовать возможность выхода к одной из эталонных точек доступа (точек Я, 8, Т или и [69]), предусмотренных конфигурацией интегральных сетей. К таким ситуациям можно отнести:

— связь с абонентами, находящимися в удаленных (полярные и геологоразведывательные экспедиции, метеорологические станции) или труднодоступных для прокладки ВОЛС районах (обсерватории, пункты наблюдения, корабельные вычислительные центры);

— связь с мобильными абонентами, в том числе абонентами сотовых систем радиосвязи;

— аварии на линиях связи, особенно в пределах регионального или магистрального участков сети.

Необходимость преодоления перечисленных критических ситуаций определила выбор принципа реализации Ш-ЦСИО как асинхронной сети передачи данных общего пользования [9,61,64], основу которых создает рекомендация МККТТ Х.92.

Современная телекоммуникационная сеть — это объект высокой структурной сложности, который можно представить сложным графом, состоящим из множества узлов коммутации. Теория построения такой структуры еще полностью не сформирована и находится на стадии становления. С другой стороны, ЦСИС — система, работающая в случайной среде и являющаяся системой массового обслуживания (СМО), что приводит к необходимости решения задач, относящихся к теории массового обслуживания.

Развитие современных сетевых технологий, успехи в создании волоконно-оптических линий связи и сверхбольших интегральных схем с большой памятью и огромным быстродействием привели к разработке способов транспортировки различных видов информации единым способом в Ш-ЦСИО с технологией ATM, которая обеспечивает высокую эффективность использования сетевых ресурсов[49]. Несмотря на практическую реализацию Ш-ЦСИО и серийное производство оборудования ATM, теория планирования, моделирования, эффективного использования накопителей и каналов таких систем связи разработана недостаточно[85, 15]. Основные результаты достигнуты путем опыта и интуиции, исходя из эвристических соображений[52,53]. Трудно оценить, насколько эти решения являются оптимальными. Делаются попытки решения этой сетевой задачи по оптимизации таких параметров сети, как пропускная способность каналов связи, необходимый объем буферной памяти в узлах коммутации, решить на канальном уровне, применительно к каждому отдельному звену Ш-ЦСИО, что противоречит их функциональному назначению [25−28,48]. С другой стороны, увеличение числа пользователей, видов услуг, повышения уровня требований к качеству обслуживания приводит к необходимости теоретического осмысливания предельных возможностей Ш-ЦСИО по передаче неизбежно пульсирующего трафика с общих системных позиций на сетевом уровне независимо от применяемых технологий.

Таким образом, моделирование топологической структуры Ш-ЦСИО, оценка влияния свойств трафика на параметры сети, использование сглаживающего эффекта накопителей на параметры трафика представляется актуальным, так как обеспечивает возможность оценить усилия по организации эффективного коллективного использования ресурсов Ш-ЦСИО в сетевой интерпретации.

Ретроспективный анализ научной литературы[15,23−29,31,49−50] позволил сделать вывод, что создание Ш-ЦСИО сопряжено с рядом трудностей, вызванных следующими причинами:

— невозможностью топологического проектирования, относящегося к теории потоков в сложных комбинаторных постановках;

— отсутствием аналитических методов решения задач теории очередей в сложных вероятностных постановках;

— трудностью обеспечения баланса между требуемым достаточно высоким коэффициентом использования ресурсов сети и приемлемым уровнем перегрузок при пульсирующем трафике;

— необходимостью координации поведенческих функций при коллективном использовании дорогостоящих ресурсов сети в распределенной системе;

— трудностью согласования стоимости создания сети и экономической эффективностью от ее использования.

Таким образом, объектом исследования в работе является Ш-ЦСИО, использующая передовые технологии (например, ATM).

Предмет исследования — повышение эффективности использования ресурсов Ш-ЦСИО, за счет целенаправленных преобразований трафика для его согласования с параметрами сети.

Целью исследования является разработка практических рекомендаций по повышению эффективности использования ресурсов Ш-ЦСИО путем рационального использования объемов буферной памяти, оптимизации пропускных способностей и распределения потоков, с применением технологий математического моделирования.

Научная задача — разработка математической модели структуры Ш-ЦСИО, учитывающей влияние статистических и спектральных свойств трафика на качественные показатели сети.

Для решения научной задачи в диссертации ставятся и решаются следующие частные задачи:

1. Разработка математической модели топологической структуры Ш-ЦСИО на основе использования регулярных графов.

2. Математическое моделирование статистических и спектральных свойств трафика с учетом их влияния на параметры Ш-ЦСИО с технологией ATM.

3. Разработка методики расчета пропускных способностей звеньев Ш-ЦСИО в сетевой интерпретации с учетом необходимых объемов буферной памяти в узлах коммутации.

В ходе решения этих задач сформулированы следующие положения, выносимые на защиту:

1. Процедура оптимизации Ш-ЦСИО по составному показателю (коэффициенту загрузки канала) для модели сети в виде многоканальной СМО с ограниченной очередью и использованием в качестве функции стоимости вероятность отказа в обслуживании, что позволяет интерпретировать результаты решения в виде закономерностей для сети заданной топологии.

2. Математическая модель трафика с учетом его статистических и спектральных свойств, позволяющих рассматривать Ш-ЦСИО с единых системных позиций, независимо от применяемых технологий.

3. Методика повышения эффективности использования ресурсов Ш-ЦСИО за счет сглаживающего влияния накопителей на параметры трафика.

4. Способ гибридной коммутации цифровых каналов связи.

Научная новизна работы заключается в следующем:

— Сформулированы и обоснованы основные принципы организации и планирования Ш-ЦСИО, позволяющие все сети связи рассматривать с единых системных позиций.

— Предложена новая постановка задачи оптимизации с представлением сети в виде многоканальной СМО с ограниченной очередью и использованием, в качестве функции стоимости, вероятности отказа в обслуживании, для которой теория дает строгое математическое выражение. Это не только значительно упрощает функционал оптимизации, но и допускает аналитическое решение, облегчающее интерпретацию результатов.

— Осуществлена оптимизация сетевых ресурсов по составному показателю, характеризующему степень загрузки каналов, позволяющему варьировать значениями пропускных способностей и числом каналов в зависимости от класса трафика, оставляя время доставки информации минимальным, а вероятность отказа на заданном уровне, что является необходимыми условиями расчета Ш-ЦСИО с технологией ATM.

— Впервые получены аналитические соотношения, позволяющие связать основные качественные показатели (время задержки, вероятность отказа) с параметрами сети (потоки в ветвях связи, пропускные способности каналов связи, число каналов, объем буферной памяти) и структурными особенностями топологии. Это дает возможность осуществлять целенаправленные преобразования трафика с целью оптимального согласования его параметров с параметрами сети и реализацию процедур обмена пропускных способностей каналов на объем буферной памяти в узлах коммутации.

— Усовершенствована методика синтеза структуры Ш-ЦСИО с использованием модели сети в виде регулярных графов, позволяющая получить оптимальный статический план распределения потоков. Предложен модифицированный алгоритм Стейглица, позволяющий осуществлять дальнейшие преобразования графа с использованием ветвей, отсутствующих в начальной топологической структуре, прокладка которых не может быть осуществлена.

— Разработана модель процесса наращивания структуры сети при ее масштабировании.

— Предложен и обоснован способ гибридной коммутации, основанный на целенаправленных преобразованиях трафика со смещающейся границей между режимами коммутации (каналов и пакетов) в зависимости от длины передаваемого сообщения с учетом объема свободного буферного пространства в узлах коммутации.

Достоверность и обоснованность разработанного научно-методического аппарата подтверждается физической аргументированностью и математической корректностью исследуемых вопросов, строгостью принятых допущений и введенных ограничений, использованием апробированного математического аппарата (теории графов, теории массового обслуживания и др.), сходимостью результатов расчета с результатами моделирования на ЭВМ и известными из литературных источников[4,23,37,82,83,97−100], полученными на основе эвристических соображений.

Практическая значимость результатов исследования обусловливается их доведением до уровня методик, алгоритмов, программ и патентно-способных технических систем.

Экономический аспект работы заключается в том, что предложенная методика повышения эффективности позволяет значительно снизить стоимость сети за счет обмена дорогостоящих канальных ресурсов на объемы буферной памяти в узлах коммутации, стоимость которых на современном уровне развития вычислительной техники значительно ниже.

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав и заключения.

Основные выводы и результаты, полученные в ходе исследования:

1. Проведенный анализ трафика и характер решаемых задач позволил сделать вывод, что перспективная цифровая сеть связи должна быть Ш-ЦСИО и по условиям применения и эксплуатации должна использовать единый способ представления информации, то есть технологию ATM.

2. Анализ показал, что Ш-ЦСИО создается на основе типовых универсальных каналов передачи первичной сети и представляет собой сложную, иерархическую структуру, включающую различные приложения, исследование которых возможно с применением технологий математического моделирования и системного подхода.

3. При создании Ш-ЦСИО фундаментальной проблемой остаётся эффективное использование узловых и канальных ресурсов сети при обеспечении требуемого качества обслуживания пользователей. Все применяемые методы решения этой проблемы или основаны на эвристических соображениях, не гарантирующих получение оптимальной структуры сети, или решаются на канальном уровне ЭМВОС, а не на сетевом.

4. Решение данной проблемы требует, в первую очередь, разработки математической модели структуры сети и методики повышения эффективности использования ресурсов Ш-ЦСИО за счет сглаживающего влияния накопителей на параметры трафика.

5. Учитывая существующие недостатки и противоречия, разработаны принципы организации и планирования транспортных сетей, которые явились результатом обобщения известных и разработкой принципиально новых подходов к синтезу сетей связи различного масштаба.

6. Разработана и исследована математическая модель топологической структуры сети. При этом процедура синтеза структуры сети выполнена в три этапа:

— решена задача распределения потоков в полносвязной сети с использованием метода линейного программирования;

— осуществлен переход к регулярной структуре графа сети, имеющего связность, не ниже заданной;

— предложен модифицированный метода Стейглица, с помощью которого решена задача исключения ветвей направления передачи, прокладка которых не может быть осуществлена.

7. Получена аналитическая зависимость пропускной способности ветви от потока в данной ветви, что не только необходимо для предотвращения перегрузок, но обеспечивает минимальное время доставки информации. При этом путевые потоки можно считать оптимальными, а, следовательно, полученное статическое распределение потоков рассматривать как модель оптимальной маршрутизации.

8. Предложена и исследована модель процесса наращивания структуры сети связи при увеличении ее размеров на основе использования регулярных графов и получения многоуровневой иерархической топологической структуры типа «сетка». Это освобождает каналы высших уровней от перенасыщения транзитными потоками информации путем использования их для межзонального обмена.

9. Для решения проблем эффективного использования сетевых ресурсов и обеспечения требуемого качества обслуживания пользователя разработана методика расчета пропускных способностей в многоканальной сети при ограниченных объемах буферной памяти в узлах коммутации, которая позволяет варьировать значениями пропускной способности и числом каналов в заданном направлении в зависимости от класса трафика.

Предложенная процедура оптимизации не меняется с изменением основных качественных показателей (вероятности отказа и среднего времени задержки), что является необходимым условием для осуществления процессов обмена объема буферной памяти на пропускную способность.

10. Установлена связь между спектральными свойствами трафика и основными параметрами Ш — ЦСИО с технологией ATM. На основе теории выбросов случайных процессов получены основные расчетные соотношения для классов трафика, представляемого в виде стационарного нормального случайного процесса с известными средними значениями (дисперсией а2, математическим ожиданием гср) и известной функцией корреляции. Полученные соотношения для среднего числа выбросов в единицу времени, средних значений длительности, и площади выброса позволяют оценить допустимые границы временной и семантической прозрачности сети и могут быть использованы для определения допустимой скорости передачи трафика с не специфицированной битовой скоростью передачи.

11. Предложен и обоснован способ гибридной коммутации, сочетающий режимы коммутации пакетов и каналов с адаптивной границей между режимами коммутации в зависимости от состояния сети связи.

12. Предложена методика расчета критической длины сообщения в зависимости от загрузки сети и требуемой вероятности отказа в обслуживании.

13. Разработана методика повышения эффективности использования ресурсов Ш-ЦСИО за счет согласования статистических характеристик трафика с параметрами сети.

14. Проведено моделирование и выполнен расчет структурно-сетевых параметров сети ISDN на примере шестиузлового регулярного графа. В результате которого получены: а) план статического распределения потоков в сетиб) распределение каналов в сети ISDN, поддерживающий пользовательский интерфейс BRI и PRIв) рассчитаны основные качественные показатели сети с использованием реальных исходных данных при передаче видеоинформацииг) определены допустимые значения джиттера задержки для трафика реального времени (видео, аудио) — д) проведена оценка стоимости Ш-ЦСИО.

Заключение

.