Гаськова Ирина Александровна

Факультет:

Компьютерных информационных технологий и автоматики

Кафедра:

автоматики и телекоммуникаций

Специальность:

Телекоммуникационные системы и сети

Тема магистерской работы:

Исследование и разработка методики моделирования процессов в мультисервисных телекоммуникационных системах

Научный руководитель:

доцент кафедры АТ Дегтяренко И.В.

Реферат по теме магистерской работы

«Исследование и разработка методики моделирования процессов в мультисервисных телекоммуникационных системах»

Введение

Одной из тенденций развития телекоммуникационных сетей является принципиальное изменение характера и структуры передаваемого трафика, что можно объяснить стремительным ростом количества новых Интернет приложений. Также меняются пропорции между уже существующими и вновь создаваемыми сетевыми услугами, конвергенция телекоммуникационных систем с сетью Интернет.

При  анализе трафика корпоративных сетей крупных предприятий и большинства сетей доступа в Интернет на основании статистики можно сказать, что трафик является мультимедийным, то есть прослеживается относительно равномерное распределение долей аудио-, видео- и других типов потоков данных.  Кроме того, постоянно разрабатываются и внедряются все новые алгоритмы, протоколы и технологии, направленные на улучшение качества передачи трафика реального времени в IP-сетях.

Не удивительно, что это приводит в свою очередь к усложнению архитектуры сетей, которые  теперь некорректно называть просто сетями передачи данных, так как они уже характеризуются как мультисервисные сети, подразумевая под этим многообразие сетевых услуг.

Все большее количество организаций и предприятий приходят к выводу о необходимости создания мультисервисной  сети, что позволяет использовать весь потенциал информационных технологий, значительно повысить их эффективность и скорость работы.

Такие изменения в структуре трафика усложняют, а иногда и вообще исключают, применение аналитического моделирования для создаваемых алгоритмов и процессов. Альтернативным решением может служить имитационное моделирование, которое позволяет создавать модели и условия работы сети наиболее приближенные  к реальности.

Актуальность

Проблема проектирования мультисервисных сетей является актуальной, вследствие невозможности  применение старых подходов и известных методик.

Информационные потоки, необходимые для предоставления различного рода услуг  в мультисервисные сетях, сильно различаются по своему составу, требованиям и объему необходимых сетевых ресурсов. Отсутствие четких методов расчета мультисервисных сетей усложняет работу проектировщиков и прогнозирование.

Возможности же физического моделирования при анализе сетей сильно ограничены: практически невозможно проверить ее работу для вариантов с использованием большого количества коммуникационных устройств  — маршрутизаторов, коммутаторов, анализ полученных результатов отличается сложностью расчетов.

Поэтому при анализе и оптимизации сетей при проектировании во многих случаях предпочтительным оказывается использование имитационного моделирования.

Известные пакеты прикладных программ, используемые при проектировании мультисервисных сетей связи, в своей работе направлены, как правило, на моделирование структуры самой сети, не учитывая при этом в должном объеме важных фактор совместимости с уже имеющимся оборудованием и структурой сети, оптимизацию экономических параметров проектируемой сети, вопросы прогнозирования трафика. Таким образом, разработка комплекса методов и инструментальных средств, охватывающих моделирование и оптимизацию проектных решений при проектировании мультисервисной сети, является актуальной задачей. Разработка же методики моделирования проектирования именно мультисервисной сети поможет не только в обучении в университетах, но и найдет применение при непосредственной разработке проектов таких сетей.

Связь работы с научными программами, планами, темами

Квалификационная работа магистра выполняется на протяжении 2009-2010 гг. согласно с научным направлением кафедры «Автоматики и телекоммуникаций» Донецкого национального технического университета

Цель и задачи разработки

Цель работы:

Целью данной квалификационной работы магистра является улучшение технико-экономических параметров мультисервисных сетей за счет использования средств имитационного моделирования при их проектировании.

Идея работы:

Идеей работы является разработка рекомендаций по планированию и проектированию мультисервисных телекоммуникацинных сетей с использованием методов и средств имитационного моделирования, на примере разных решений построения телекоммуникационных систем описываются критерии оценки качества работы сети.

Основные задачи разработки:

• Исследование работы протоколов мультисервисных сетей, особенностей управление трафиком, механизмов приоритезации, передачи данных;
• исследование процесса построения мультисервисных сетей связи, выявление основных этапов проектирования, анализ существующих технологий сетей передачи данных;
• установка сущности и проблемы проектирования мультисервисных сетей связи с использованием телекоммуникационного оборудования различных производителей;
• выбор критериев оценки качества построение проектируемой сети с использованием средств имитационного моделирования;
• выявление и решение проблем моделирования, возникающих при проектировании существующих решений построения сетей и при проектировании сетей с применением новых технологий и способов;
• выбор эффективного решения построения сети с использованием различных технологий;
• разработка комплекса методов и средств оптимизации различных параметров проектных решений, таких как экономические затраты, производительность сети, маршрутизация в ядре сети и других параметров;
• оценка эффективности принятых проектных решений и разработка методики проетирования мультисервисных сетей и моделирования процессов, происходящих в мультисервисной сети.

Объект разработки:

Объектом разработки является методика проектирования мультисервисных сетей с использованием средств имитационного моделирования

Предмет разработки:

Предметом разработки являются математический аппарат и средства имитационного моделирования телекоммуникационных мультисервисных сетей.

Методология и методы исследований:

• Методы оптимизации
• Методы теории массового обслуживания
• Нейросети
• Сети Петри
• Методы имитационного моделирования
• Методы управления трафиком сети

Предполагаемая научная новизна и практическая значимость полученных результатов:

В ходе выполнения работы будут определены основополагающие принципы  моделирования мультисервисных сетей в пакете моделирования OPNET и возможные сферы применения данных принципов. Стоит отметить, что пакет OPNET IT Guru Edition разработан специально для академического использования, так что предлагаемая методика может быть использована в процессе обучения в высших учебных заведениях и при подготовке специалистов в сфере телекоммуникаций.

Обзор разработок и исследований по теме:

на локальном уровне

• Щитникова А. Н. Магистерская работа. Разработка методов оценки параметра трафика мультисервисной сети.
• Шишкин Е. С. Магистерская работа. Кластерная система распределенного моделирования компьютерных сетей
• Латорцев А. А. Магистерская работа. Разработка подсистемы моделирования распределенных компьютерных информационных систем
• Тимонов С. Магистерская работа. Разработка и исследование мультисервисной сети абонентского доступа на основе технологии VoDSL для условий ГТС г. Донецка



На национальном уровне

• Олифер Н. А., В. Г. Олифер. Использование моделирования для оптимизации производительности сети
• Домбровский К. А. Имитационная модель передачи мультимедийного трафика в мультисервисной сети с адаптивной маршрутизацией на основе объектно-ориентированного подхода:  диссертация.
• Лунтовский А. О. Методология и инструментарий проектирования корпоративных сетей: диссертация
• Беркман Л. Н. Методы и способы повышения показателей качества системы управления телекоммуникационными системами: диссертация.
• Савинков А. Ю. Автоматизация проектирования систем цифровой обработки сигнала на основе интегрированной среды имитационного моделирования и оптимизации

Постановка проблемы и особенности перехода к мультисервисным сетям

При проектировании мультисервисной сети стремятся найти такой вариант построения транспортной сети, который бы удовлетворял необходимую потребность в связи при наименьших общих затратах на построение, обслуживание и последующее развитие сети.

Проектирование магистрального и распределительного уровня может представлять сложную задачу. Это вызвано несколькими факторами: построение мультисервисной сети поверх прошлых технических решений (оптимизируют старую сеть для поддержания мультисервисного трафика), выбор оптимальной технологии построение сети с «нуля».     Также при создании и эксплуатации любой сети связи величины капитальных затрат и эксплуатационных расходов должны быть минимальны при условии, что сеть выполняет с заданными качественными показателями возложенные на нее функции по передаче и распределению информационных потоков, поступающих от потребителей [1].

Качество функционирования сети передачи данных характеризуется большим количеством технических параметров, которые условно можно разделить на параметры качества передачи сигнала и параметры качества услуги. К параметрам качества передачи сигнала относятся, прежде всего, такие показатели как: latency (задержка), jitter (дрожание) и packet loss (потеря пакетов). Параметры качества услуги могут быть уникальны для различных услуг. Такими параметрами могут быть, например, количество каналов эфирного видео доступных в сети и качество этих каналов.

Кроме параметров качества функционирования сети большую важность имеет ее стоимость, которая включает капитальные затраты, а также эксплуатационные расходы.

Мультисервисная сеть характеризуется большим количеством разнообразных критериев, определяющих ее оптимальность таких как: параметра качества функционирования сети (задержка, дрожание, потеря пакетов и другие), стоимостные параметры (капитальные затраты, эксплуатационные  расходы)

Это приводит к возникновению многокритериальной неопределенности, что, в свою очередь, обусловливает невозможность корректного решения задачи оптимального проектирования мультисервисной сети без учета интересов сторон, заинтересованных в ее функционировании. В качественном функционировании мультисервисной сети заинтересованы различные группы лиц. В первую очередь, это оператор сети, который инвестирует средства в строительство сети и несет расходы по поддержанию ее работоспособности, и  потребители услуг связи. А значит, при проектировании и использовании современной мультисервисной сети сталкиваются интересы различных групп потребителей и операторов услуг. [1]

Для качественного проектирования мультисервисной сети необходим учет всех требований, предъявляемых к сети. Данную задачу можно решить с помощью моделирования сети, что позволяет заранее спланировать, определить возможные будущие проблемы эксплуатации и развития, протестировать правильность и возможности работы сетевого оборудования для разных ситуаций функционирования, проводить изучение новых технологий и механизмов, а самое главное благодаря средствам имитационного моделирования  происходит значительная экономия средств. [4]

      

Что же касается перехода к мультисервисным сетям, то сегодня еще нет технологий, которые бы полностью удовлетворяли запросам перспективной мультисервисной сети. Однако технологические решения, способные стать ее основой, существуют уже сейчас, т. е. можно построить прообраз мультисервисной сети, который со временем сможет легко эволюционировать к мультисервисной сети будущего. [5]

Имитационное моделирование

Имитационное моделирование— это метод исследования, при котором изучаемая система заменяется моделью с достаточной точностью описывающей реальную систему, и с ней проводятся эксперименты с целью получения информации об этой системе.

К имитационному моделированию прибегают, когда:

• дорого или невозможно экспериментировать на реальном объекте;
• невозможно построить аналитическую модель, так как в системе есть время, причинные связи, последствия, нелинейности, стохастические (случайны) переменные;
• необходимо сымитировать поведение системы во времени.

Имитационное моделирование позволяет имитировать поведение системы во времени. Причём плюсом является то, что временем в модели можно управлять: замедлять в случае с быстропротекающими процессами и ускорять для моделирования систем с медленной изменчивостью. Можно имитировать поведение тех объектов, реальные эксперименты с которыми дороги, невозможны или опасны.

Преимущество над другими видами моделирования

Применение имитационных моделей дает множество преимуществ по сравнению с выполнением экспериментов над реальной системой и использованием других методов.

Стоимость. Построение сети требует значительных затрат, моделирование же включает только стоимость соответствующего программного пакета

Время. В реальности оценить эффективность, например, новой сети займет годы, а если учесть скорость развития телекоммуникационных систем, то изначально надо превидеть возможность изменения и оптимизации. Имитационная модель позволяет определить оптимальность изменений считанные минуты, необходимые для проведения эксперимента.

Повторяемость. Современная жизнь требует от предприятий и операторов связи быстрой реакции на развитие технологий. С помощью имитационной модели можно провести неограниченное количество экспериментов с разными параметрами, чтобы определить наилучший вариант.

Точность. Традиционные расчетные математические методы требуют применения высокой степени абстракции и не учитывают важные детали. Имитационное моделирование позволяет описать структуру системы и её процессы в естественном виде, не прибегая к использованию формул и строгих математических зависимостей.

Наглядность. Имитационная модель обладает возможностями визуализации процесса работы системы вовремени, схематичного задания её структуры и выдачи результатов в графическом виде. Это позволяет наглядно представить полученное решение и донести заложенные него идеи до клиента и коллег.

Универсальность. Имитационное моделирование позволяет решать задачи из любых областей. В каждом случае модель имитирует, воспроизводит, реальную жизнь и позволяет проводить широкий набор экспериментов без влияния на реальные объекты.

При проектировании имитационное моделирование может быть применено как с целью  выбора  проектного  решения,  так  и  с  целью  проверки  выбранного  проектного решения. При  выборе  проектного  решения  составляют  план  имитационных  экспериментов,  в  котором  входом модели  являются различные проектные решения,  а  выходом  — показатели  работы  объекта  моделирования, соответствующие  техническому  заданию. [10]

Обзор средств имитационного моделирования

BONeS (фирма Systems and Networks)  — графическая система моделирования общего назначения для анализа архитектуры систем, сетей и протоколов. Описывает модели на транспортном уровне и на уровне приложений. Дает возможность анализа воздействия приложений типа клиент  — сервер и новых технологий на работу сети.

Netmaker (фирма OPNET Technologies)  — проектирование топологии, средства планирования и анализа сетей широкого класса. Состоит из различных модулей для расчета, анализа, проектирования, визуализации, планирования и анализа результато

Optimal Perfomance (фирма Compuware; Optimal Networks)  — имеет возможности быстрого оценочного и точного моделирования, помогает оптимизировать распределенное программное обеспечение.

Prophesy (компания Abstraction Software)  — простая система для моделирования локальных и глобальных сетей. Позволяет оценить время реакции компьютера на запрос, количество хитов на WWW-сервере, количество рабочих станций для обслуживания активного оборудования, запас производительности сети при поломке определенного оборудования.

Семейство CANE (компания ImageNet) — проектирование и реинжиниринг вычислительной системы, оценка различных вариантов, сценарии что, если моделирование на различных уровнях модели OSI. Развитая библиотека устройств, которая включает физические, электрические, температурные и другие характеристики объектов. Возможно создание своих библиотек.

Семейство OPNET (фирма OPNET Technologies)  — средство для проектирования и моделирования локальных и глобальных сетей, компьютерных систем, приложений и распределенных систем. Возможность импорта и экспорта данных о топологии и сетевом трафике. Анализ воздействия приложений типа клиент  — сервер и новых технологий на работу сети. Моделирование иерархических сетей, многопротокольных локальных и глобальных сетей; учет алгоритмов маршрутизации. Объектно-ориентированный подход. Исчерпывающая библиотека протоколов и объектов. Включает следующие продукты: Netbiz (проектирование и оптимизация вычислительной системы), Modeler (моделирование и анализ производительности сетей, компьютерных систем, приложений и распределенных систем), IT Guru (оценка производительности коммуникационных сетей и распределенных систем).

В данной работе используется пакет OPNET IT Guru Edition. Выбор обусловлен, прежде всего, тем, что данный пакет находится в свободном распространении, так как был разработан специально для академического использования. Кроме того, он является промышленным мощным моделированием сетей и анализ инструментов.

OPNET IT GURU позволяет:

• создать виртуальную сеть, состоящую из соответствующих аппаратных средств, протоколов, а также прикладное программное обеспечение;
• представляет собой чисто программный интерфейс, который может работать на индивидуальном рабочем месте;
•  позволяет изучить и собрать полезную статистику о виртуальной сети, построенной с его помощью;
• создавать виртуальной сети в области программного обеспечения, а также предоставляет инструменты для динамически сбора сведений о сети.

Описание  технологии, используемых при построении мультисервисной сети

Удачный выбор принципа построения и направления развития сети может существенно повлиять на долгосрочную перспективу деятельности любого современного предприятия. Именно этим объясняется повышенный интерес к технологиям построения универсальных мультисервисных систем, которые способны обеспечить предоставление или получение всего комплекса информационных услуг. [9]

Если рассматривать современные тенденции построение сетей магистрального уровня, то лидирующие позиции занимает технология MPLS, обогнав ATM и  SDH.

Главное  достоинство MPLS — это многовариантность  использования,  а  с  точки  зрения  сегодняшней  ситуации  с предоставлением  услуг,  операторам  очень  интересны  подобные  возможности. [2]

Рассмотрим основы функционирования технологии.

Основное  отличие  этой  технологии  уже  давно  стало  общеизвестно  — IP-маршрутизаторы анализирует заголовок каждого пакета, чтобы выбрать направление для его  пересылки  к  следующему  маршрутизатору,  в  технологии MPLS  заголовок анализируется  только  один  раз  на  входе  в  сеть MPLS,  после  чего  устанавливается соответствие между пакетом и потоком. [6] 

Принцип коммутации MPLS основывается на обмене меток. Любой передаваемый пакет  ассоциируется  с  тем  или  иным  классом  сетевого  уровня  FEC (Forwarding Equivalence Class),  каждый  из  которых  идентифицируется  определенной  меткой. Значение метки уникально лишь для участка пути между соседними узлами сети MPLS, которые называются  также маршрутизаторами,  коммутирующими по меткам LSR (Label Switching Router).  На  рисунке 1 показан принцип коммутации, где  пограничный  маршрутизатор LSR1  —входной,  а LSR4  — выходной  маршрутизатор.  Последовательность  маршрутизаторов (LSR1,..., LSR4),  через которые проходят пакеты, принадлежащие одному FEC, образует виртуальный тракт LSP, коммутируемый по меткам, LSP (Label Switching Path). [7]

Входной LER анализирует заголовок пришедшего извне пакета, устанавливает, какому FEC он принадлежит, снабжает этот пакет меткой, которая присвоена данному FEC, и пересылает пакет к соответствующему LSR. Далее, пройдя в общем случае через несколько LSR, пакет попадает к выходному LER, который удаляет из пакета метку, анализирует заголовок пакета и направляет его к адресату, находящемуся вне MPLS-сети. Последовательность (LERвх, LSR1, ... , LSRn, LERвых) маршрутизаторов, через которые проходят пакеты, принадлежащие одному FEC, образует виртуальный коммутируемый по меткам тракт LSP (Label Switched Path). Так как один и тот же LER для одних потоков является входным, а для других — выходным, в сети, содержащей N LER, в простейшем случае может существовать N(N-1) FEC и, соответственно, N(N-1) LSP.

Рисунок 2.  — Принцип коммутации по меткам

(Анимация: объем —41,1 KБ; размер  — 660х190; количество кадров — 15; задержка между кадрами —20 мс; задержка между последним и первым кадрами  —20 мс; количество циклов повторения  —бесконечное)

Гарантированное качество обслуживания

В MPLS-сетях на базе меток удобно реализуется передача с гарантией качества сервиса сети (QoS). Внутри MPLS-домена передача различных потоков данных абсолютно безопасна благодаря их четкому логическому разделению. Для увеличения надежности в технологии MPLS реализованы функции Fast Reroute и LSP Protection, которые позволяют заранее создать дублирующие маршруты коммутации и в случае выхода из строя основного пути перейти на резервный маршрут без потери передаваемых данных. [8]

Внедрение и обслуживание сетей MPLS более унифицировано и упрощено по сравнению с обычными IP-сетями благодаря использованию протоколов LDP и RSVP. Первый из них предназначен для автоматического прокладывания новых путей в MPLS-домене. [3] Протокол RSVP позволяет управлять распределением пропускной способности между виртуальными каналами в сети, обеспечивая гарантированный требуемый уровень качества обслуживания.

Моделирование сети MPLS в OPNET

Собрана модель в среде моделирования, показано на рисунке 3.

Для данной сети были произведены настройки оборудования и трафика сети, кроме того настроены модули LSR, сконфигурированы параметры FEC, создано два профиля пользователей для отслеживания мультисервисности сети. Полученные результаты представлены на рисунке 4.

Рисунок 4.  — Результаты моделирования

Анализ результатов моделирования

На графике показана утилизации канала, разными цветами обозначена утилизация канала между разными модулями. Как видно, утилизация между Node_0 и Node_3 в момент времени 2,000 сек возрос практически в два раза, это свидетельствует о подключении второго абонент.

Направление дальнейшей разработки:
Создание методики моделирования проектирования мультисервисных сетей для различных вариантов построение сети, выполнение методических указаний по лабораторным работам в среде моделирования OPNET для студентов специальности телекоммуникационные системы и сети.

Выводы:

В ходу работы были расмотрены основные проблемы проектирования мультисервисных сетей связи, выбран средства имитационного моделирования, произведен обзор програмных продуктов и методов моделирования, на основании анализа в качестве  пакета, в котором будут производиться дальнейшие исследования, выбран OPNET IT Guru Edition. Рассмотрен пример реализации мультисервисной сети на базе технологии MPLS в даном пакете.

Список использованной литературы:

1. Сычев К. И. Многокритериальное проектирование мультисервисных сетей связи/ К. И. Сычев// Телекоммуникации. — № 9. — 2007. — с. 2–7.
2. Олвейн Вивек. Структура и реализация современной технологии MPLS.: Пер. с англ. — Издательский дом «Вильямс», 2004. — 480 с.
3. Климов Д. А. Построение сетей MPLS VPN. T-Comm: Телекоммуникации и транспорт. — №51  — 2009. — с. 57-59.
   
4. Лукин И. А. Мультисервисные решения — основа построение сетей. Вестник связи. — №4 — 2005. — с. 106-108
   
5. Навойцев В. В. Построение мультисервисных сетей связи на основе технологии локальных  и вычислительных сетей. Известия Петербургского университета путей сообщения.  — №2  —2008. — с. 119-128.
   
6. Захватов М. Построение виртуальных частных сетей (VPN) на базе технологии MPLS. — М.: Риверсайд Тауерз, 2004. —52 с.
   
7. Гольдштейн А. Б. Механизм эффективного туннелирования в сети MPLS. Вестник связи. —№2  — 2004.
   
8. Гольдштейн А. Б., Гольдштейн Б. С. Технология и протоколы MPLS. —СПб.: БХВ, 2005. — 304 с.
   
9. Филимонов А. Ю. Построение мультисервисных сетей Ethernet. —CПб.: БХВ-Петербург, 2007. — 592 с.
   
10. Бабина О. И. Сравнительный анализ имитационных и аналитических моделей. Четвертая всероссийская научно-практическая конференция по имитационному моделированию и его применению в науке и промышленности  «Имитационное моделирование. Теория и практика». Сборник докладов. — 350 с.

Примечание

При написании данного автореферата квалификационная работа магистра еще не завершена. Дата окончательного завершения работы: 1 декабря 2010 г. Полный текст работы и материалы по теме работы могут быть получены у автора или его научного руководителя после указанной даты.