авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:   || 2 | 3 |

Методы анализа задержек ip-пакетов в сети следующего поколения

-- [ Страница 1 ] --

На правах рукописи

СОКОЛОВ АНДРЕЙ НИКОЛАЕВИЧ

МЕТОДЫ АНАЛИЗА ЗАДЕРЖЕК IP-ПАКЕТОВ

В СЕТИ СЛЕДУЮЩЕГО ПОКОЛЕНИЯ

05.12.13 – Системы, сети и устройства телекоммуникаций

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Санкт-Петербург

2011

Работа выполнена в Санкт-Петербургском государственном университете телекоммуникаций им. проф. М.А. Бонч-Бруевича на кафедре "Сети связи"

Научный руководитель: Заслуженный деятель науки РФ,

доктор технических наук, профессор

Яновский Геннадий Григорьевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Самуйлов Константин Евгеньевич

кандидат технических наук, доцент

Юркин Юрий Викторович

Ведущая организация: ЛО ЦНИИС

Защита состоится "___" ______________ 2011 г. в ____ часов на заседании диссертационного совета Д 219.004.02 при Санкт-Петербургском Государственном Университете Телекоммуникаций им. проф. М.А. Бонч-Бруевича по адресу: 191186, Санкт-Петербург, наб. р. Мойки, д. 61, ауд. 205.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета.

Отзыв об автореферате в двух экземплярах, заверенный печатью учреждения, просим направлять по вышеуказанному адресу на имя ученого секретаря диссертационного Совета.

Автореферат разослан "___" ____________ 2011 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета,

кандидат технических наук, доцент Харитонов В.Х.


ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Одним из важнейших направлений развития сетей электросвязи стал переход к пакетным технологиям передачи и коммутации. Эти технологии используются для обслуживания трафика речи, данных и видео. В результате сформировалась возможность перехода к единой сети, которая поддерживает множество инфокоммуникационных услуг. Она получила название "Сеть следующего поколения", а среди специалистов более известна по аббревиатуре NGN – Next Generation Network.

Переход к сети следующего поколения имеет ряд неоспоримых достоинств: повышение доходов за счет расширения спектра предоставляемых услуг, снижение эксплуатационных расходов Оператора связи и другие. Один из существенных недостатков концепции NGN – появление новых проблем с поддержкой нормированных показателей качества обслуживания трафика. Основная причина подобных проблем заключается в дополнительной задержке передачи информации, которая обусловлена природой пакетных технологий.

В рекомендациях Международного союза электросвязи (МСЭ) показатели качества обслуживания трафика в пакетных сетях нормируются несколькими параметрами. Основные задачи проектирования сети (например, выбор пропускной способности транспортных ресурсов и производительности узлов коммутации – маршрутизаторов) связаны с обеспечением двух вероятностно-временных показателей, определяемых между интерфейсами пользователь-сеть (ИПС):

  • математического ожидания времени задержки IP-пакетов;
  • вариации времени задержки IP-пакетов;

В документах МСЭ эти показатели обозначаются как (IP packet transfer delay) и (IP Packet Delay Variation) соответственно.

Решение ряда задач при проектировании пакетных сетей, включая NGN, основано на расчетах вероятностно-временных характеристик систем массового обслуживания (СМО). Заявками (требованиями), поступающими на вход СМО, служат IP-пакеты, которые должны быть переданы через транспортную сеть и обработаны в маршрутизаторах сети NGN. Публикации, посвященные трафику в пакетных сетях, свидетельствуют, что входящий поток заявок существенно отличается от пуассоновского, который адекватно описывает процесс поступления вызовов в сетях телефонной связи.

Исследование моделей СМО с произвольным характером входящего потока заявок активизировалось в последние годы благодаря изучению трафика Интернет. Существенный вклад в развитие разделов теории телетрафика, которые относятся к СМО с произвольным характером входящего потока заявок, внесли российские (Г.П. Башарин, А.Е. Кучерявый, В.И Нейман, К.Е. Самуйлов, С.Н. Степанов, Г.Г. Яновский) и зарубежные (Д. Кениг, Л. Клейнрок, П. Кюн, Д. Штойян) исследователи. Тем не менее, остается ряд вопросов, касающихся оценки показателей вида и которые требуют дополнительного исследования. К ним, в частности, относятся следующие задачи:

  • получение выражений, позволяющих рассчитать моменты времени задержки IP-пакетов (для вычисления величин и ряда других показателей),
  • оценка квантилей распределения времени задержки IP-пакетов (для расчета величины ),
  • анализ влияния приоритетных дисциплин обслуживания, вводимых для IP-пакетов некоторых видов.

Данные обстоятельства позволяют считать исследование параметров задержки IP-пакетов, как важнейших характеристик качества обслуживания трафика в NGN, актуальной научной задачей.

Цель работы и задачи исследования. Цель диссертации состоит в разработке методов расчета вероятностно-временных характеристик качества обслуживания трафика в пакетной сети класса NGN, непосредственно связанных с параметрами задержки IP-пакетов. Поставленная цель достигается за счет решения следующих основных задач:

  1. выбор математических моделей сети NGN и ее компонентов в виде СМО, адекватно отражающих процессы обмена IP-пакетами между интерфейсами пользователь-сеть;
  2. разработка метода расчета задержек IP-пакетов и исследование вероятностно-временных характеристик качества обслуживания трафика в узле NGN;
  3. разработка метода расчета задержек IP-пакетов и исследование вероятностно-временных характеристик качества обслуживания трафика между интерфейсами пользователь-сеть сети NGN;
  4. проведение имитационного моделирования для проверки корректности ряда допущений, которые были сделаны для получения аналитических выражений;
  5. разработка рекомендаций для планирования сети NGN в части поддержки нормированных показателей качества обслуживания трафика.

Методы исследования. При проведении исследований применялись методы теории вероятностей, теории телетрафика, интегральных преобразований и имитационного моделирования.

Научная новизна. В диссертационной работе предложена и обоснована модель процессов передачи IP-пакетов между интерфейсами пользователь-сеть, получены новые результаты в виде аналитических выражений для вычисления вероятностно-временных характеристик функционирования сети NGN, на основании которых сформулированы рекомендации для проектирования сети и контроля установленных показателей качества обслуживания трафика.

Практическая ценность и реализация результатов работы. Полученные при проведении исследований результаты представляют собой раздел методики проектирования сети NGN, который связан с расчетами пропускной способности транспортных ресурсов и производительности маршрутизаторов в соответствии с заранее заданными качественными показателями. Результаты диссертационной работы были использованы при составлении методики проектирования сети NGN в институте "Гипросвязь СПб" и в разработке принципов контроля показателей качества обслуживания трафика в ЛО ЦНИИС. На основании полученных результатов от имени Министерства связи и массовых коммуникаций Российской Федерации были представлены два вклада в 12-ю исследовательскую комиссию МСЭ.

Внедрение результатов диссертации подтверждается соответствующими актами. Результаты работы могут быть использованы также исследовательскими центрами, учебными заведениями, производителями оборудования электросвязи и эксплуатационными компаниями по тематике "Сети следующего поколения".

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на трех международных конференциях (ITU-D Regional Development Forum for the EUR and CIS Region "NGN and Broadband, Opportunities and Challenges", 2009, IEEE Eurocon, 2009, Fifth FRUCT seminar, 2009), Всероссийской конференции с международным участием "Информационно-телекоммуникационные технологии и математическое моделирование высокотехнологичных систем" (Москва, 2011), а также на 60-й, 62-й и 63-й научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава, научных сотрудников и аспирантов СПбГУТ (2008, 2010 и 2011 годы соответственно).

Публикации. Материалы, отражающие основные результаты диссертационной работы, опубликованы в сборниках научно-технических конференций и в журналах отрасли. Всего опубликовано 12 работ; из них 3 статьи в изданиях, рекомендованных ВАК Министерства образования и науки Российской Федерации.

Структура и объем диссертации. Диссертация включает содержание, список сокращений, введение, четыре главы, заключение, библиографический список и одно приложение. Работа содержит 136 страниц текста, включая приложение, 31 рисунок и библиографический список из 97 наименований.

Личный вклад автора. Все результаты диссертационной работы получены автором самостоятельно.

Основные положения, выносимые на защиту.

  1. Математические модели сети NGN и ее основных компонентов для исследования задержки IP-пакетов.
  2. Методы оценки параметров задержки IP-пакетов для сети NGN, в узлы которой поступает трафик с произвольным законом распределения времени интервалов между соседними заявками.
  3. Результаты анализа параметров задержки IP-пакетов в сети NGN и в ее отдельных узлах.
  4. Метод оценки вероятностно-временных характеристик при введении приоритетного обслуживания IP-пакетов.
  5. Результаты имитационного моделирования вероятностно-временных характеристик качества обслуживания трафика в сети NGN.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность проблемы, проанализировано состояние исследуемого вопроса, сформулирована цель работы, перечислены основные научные результаты диссертации, ее краткое содержание и приведены положения, выносимые на защиту.

В первой главе формулируются задачи, которые связаны с анализом характеристик качества обслуживания в сети NGN. Одна из особенностей этой сети состоит в том, что качество обслуживания трафика зависит от принятой Оператором стратегии развития телекоммуникационной системы. По этой причине сначала выполнен анализ возможных принципов перехода к сети NGN. Выбран типовой вариант миграции телефонной сети общего пользования к NGN, который учитывает требования по обеспечению заданных показателей качества обслуживания.

Затем сформулированы ключевые особенности сети NGN с точки зрения обеспечения показателей, определяющих качество обслуживания. Данные особенности порождаются затратами времени: на формирование IP-пакета, пребывание в маршрутизаторах, распространение сигналов, которое в российских условиях может быть весьма существенным, сериализацию и буфер джиттера. На рис. 1 слагаемые задержки IP-пакетов указаны для эталонной модели тракта передачи информации в сети NGN. Величины , и могут считаться постоянными, то есть имеющими нулевую дисперсию. Такое предположение не приемлемо для величин . Для выбранной модели предполагается, что функции формирования IP-пакетов выполняются в терминальном оборудовании.

 Эталонная модель тракта передачи-12

Рис. 1. Эталонная модель тракта передачи информации в сети NGN

В рекомендациях МСЭ приводится ряд показателей качества обслуживания трафика в NGN. Из них к вероятностно-временным показателям относятся: среднее значение времени задержки IP-пакетов между интерфейсами пользователь-сеть – и вариация этой же случайной величины – . Для расчета значения необходимо знать две величины:

  • -квантиль функции распределения времени задержки IP-пакетов между ИПС (он нормирован МСЭ при условии, что );
  • минимально возможное время обмена IP-пакетами между ИПС .

Значение определяется как разность . Вычисление величины связано с анализом постоянных составляющих, определяемых структурой сети между ИПС и характеристиками используемого терминального оборудования. Оценка значения представляет собой сложную задачу. Расчет величины также становится непростой задачей, когда IP-пакеты формируют поток заявок, отличающийся от пуассоновского.

В результате анализа процессов обмена пакетами были поставлены две задачи по оценке вероятностно-временных характеристик IP-сети. Во-первых, необходимо разработать метод расчета математического ожидания времени задержки IP-пакетов между интерфейсами пользователь-сеть. Во-вторых, следует предложить метод оценки -квантиля функции распределения времени задержки IP-пакетов между интерфейсами пользователь-сеть. Для решения этих задач был проведен обзор публикаций по исследованию задержек в пакетных сетях. В результате были сформулированы новые задачи, которые необходимо решить.

Во второй главе исследуются характеристики качества обслуживания трафика в маршрутизаторе. Для этого была разработана модель маршрутизатора. Ряд публикаций, посвященных параметрам трафика в сети NGN, свидетельствует, что совокупность IP-пакетов, которые должны быть обработаны в маршрутизаторе, заметно отличается от пуассоновского потока заявок. Обычно первичные сведения о входящем потоке заявок представляют собой гистограмму, получаемую в результате измерений. Если усреднение результатов измерений производится по оси абсцисс с наибольшим общим делителем , то преобразование Лапласа-Стилтьеса функции распределения длительности интервалов между поступающими заявками определяется следующим образом:

(1)

где – сдвиг приращения относительно точки ; – величина приращения рассматриваемой функции распределения в точке , – номер последнего приращения функции , являющейся оригиналом от изображения .

Далее чаще всего выбирается аппроксимация функции в виде одного из известных распределений непрерывных случайных величин методом наименьших квадратов. При этом возникает ошибка, которая может существенно влиять на точность дальнейших вычислений. Для исключения этой ошибки в диссертационной работе используется модель в виде СМО с входящим потоком заявок, который представим при помощи распределения (1).

Математическая модель маршрутизатора может быть представлена в классификации Кендалла при помощи обозначения такого вида: . Указанные символы подчеркивают следующие свойства модели:

  • – поток заявок является произвольным, а функция распределения длительности интервалов между поступающими заявками имеет ступенчатый характер;
  • – время обработки IP-пакетов определяется совокупностью стандартных операций и его можно считать постоянным;
  • 1 – маршрутизатор рассматривается как один обслуживающий прибор;
  • – количество мест для ожидания в очереди не ограничено (для допустимой вероятности потери IP-пакетов, которая нормируется МСЭ на уровне , такое предположение приемлемо);
  • – постановка в очередь осуществляется без преимуществ, а для обслуживания могут использоваться дисциплины "первым пришел – первым обслужен" или с относительными приоритетами .

Среднее значение времени задержки IP-пакетов в маршрутизаторе определяется суммой средних значений двух отрезков времени: ожидания в очереди и обслуживания . Для каждого типа маршрутизатора время обслуживания известно. Величину можно определить из формулы для кумулянтов порядка времени ожидания начала обслуживания :

(2)

где функция определяется преобразованием Лапласа-Стилтьеса такого вида:

(3)

– преобразование Лапласа-Стилтьеса функции распределения времени обслуживания . Величину целесообразно представить в виде произведения . Тогда для исследуемой модели функция определяется таким выражением:

(4)

В формулу (2) входит кратная свертка функции . Для преобразования Лапласа-Стилтьеса она вычисляется возведением правой части выражения (4) в степень :

(5)

Коэффициенты определяются на основании правила возведения ряда в степень:

(6)

После ряда преобразований выражение для расчета кумулянтов было получено в такой редакции:

(7)

где функция равна единице при нулевом или отрицательном значении , и нулю – в противоположном случае.

Кумулянты и определяют среднее значение и дисперсию времени ожидания заявок в очереди для моделей вида . Среднее значение времени задержки заявок и дисперсия этой величины рассчитываются по следующим формулам:

(8)



Pages:   || 2 | 3 |
 





 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.