МОДЕЛИРОВАНИЕ ТЕЛЕКОММУНИКАЦИОННЫХ СИСТЕМ

Ю. И. Воротницкий, А. А. Громыко, В. В. Пытляк (Минск, Беларусь)

Введение

Предложенная тема носит весьма общий характер, поэтому следует определиться в следующих вопросах:

− какой класс телекоммуникационных систем рассматривается;

− где, когда и зачем необходимо моделирование, в том числе имитационное;

− как и на каких средствах предпочтительно создавать имитационные модели.

В рамках избранного объёма публикации постараемся ответить на поставленные вопросы.

Жизненный цикл системы средств для построения интегрированной корпоративной сети

Интегрированные корпоративные сети взяты для рассмотрения по следующим причинам. Корпоративные сети, в отличие от сетей общего пользования, позволяют рассматривать для них замкнутый жизненный цикл. В сетях общего пользования рас-смотрение замкнутого жизненного цикла невозможно, поскольку там неизбежно присутствует фактор государственного регулирования некоторых параметров.

Термин «интегрированные» в рамках данной статьи следует отличать от термина «мультисервисные», так как в данном случае рассматриваются сети, в которых для разных видов связи применяются разные сервисы, в том числе для речи, данных, видео и т. д.

Еще один аспект интеграции – наметившаяся в последнее время в области телекоммуникаций чёткая тенденция конвергенции средств обработки и передачи информации. С учетом этой тенденции можно говорить о «специализированной системе» средств вычислительной техники и передачи информации (СВТиПИ). О специализированности говорит то, что для построения корпоративных сетей создаются целые мо-дельные ряды (линейки) оборудования. Даже в современные операционные системы вводятся элементы сетевых технологий, превращающие компьютеры в компоненты системы средств обработки и передачи информации.

Вопросы качества любой системы нельзя рассматривать вне контекста жизненного цикла данной системы. Количество и содержание этапов жизненного цикла системы зависит от её текущего состояния и прогнозов относительно её дальнейшего развития.

Для специализированной системы СВТиПИ, на основе которой строится корпо-ративная сеть (КС), можно выделить следующие этапы жизненного цикла:

Определение потребности в специализированной системе СВТиПИ с задан-ными функциональными возможностями.

1. Системное проектирование специализированной системы СВТиПИ.

2. Разработка конкретных образцов СВТиПИ для КС.

3. Опытная эксплуатация КС.

4. Серийное изготовление СВТиПИ.

5. Проектирование КС, имеющих конкретные функциональные характеристики и местоположение (этап индивидуального проектирования).

6. Установка и монтаж КС.

7. Функционирование КС в конкретных условиях и контроль качества функцио-нирования как сопровождающий процесс.

8. Функционирование КС в конкретных условиях и контроль качества функцио-нирования как сопровождающий процесс.

Из всех перечисленных этапов жизненного цикла КС наиболее важными с точки зрения оценки качества представляются этапы 1, 2, 6, 8.

Опыт ведущих производителей сетевого оборудования, таких как Cisco Systems и Nortel Networks, показывает, что на сегодняшний день созданы если не специализированные системы, то отдельные модельные ряды устройств для построения КС, покрывающие 1-й и 2-й этапы жизненного цикла корпоративных сетей. Эти линейки оборудования нельзя считать специализированными системами СВТиПИ, поскольку они хоть и являются, по сути, объектами одного назначения, но отличаются по функцио-нальным и количественным показателям.

Целью этапа системного проектирования заключается в выборе одного из вари-антов реализации системы СВТиПИ, отражающей номенклатуру и параметры множества составляющих её компонентов, их функционально-количественную градацию. Т.е. для производителей оборудования для построения корпоративных сетей задача стави-лась бы так: перейти от модельного ряда устройств к единой системе СВТиПИ, назы-ваемой базовой структурой СВТиПИ.

Таким образом, результатом 2-го этапа жизненного цикла является базовая структура СВТиПИ. Тогда конкретную корпоративную сеть можно представить как определенную инсталляцию этой БС СВТиПИ. Но эту инсталляцию можно понимать и как процесс индивидуального проектирования интегрированной корпоративной сети. А с учетом того, что корпоративная сеть обязательно должна обладать свойствами разви-тия, как по функциональным, так и по количественным показателям, результатом 6-го этапа жизненного цикла КС должна быть не конкретная архитектура, не конкретная инсталляция, а проект, представляющий собой треки инсталляций с конкретными функциональными и количественными показателями за всё время существования КС.

Для описания этапов жизненного цикла систем часто используются CASE-

схемы. CASE (Computer-Aided System Engineering) представляет собой технологию для методов анализа, проектирования, разработки и сопровождения различных систем. В CASE для описания системы применяются графы, диаграммы, таблицы и схемы, благо-даря которым изучаемая система обретает иерархическую структуру упорядоченных уровней.

В нашем случае CASE является очень привлекательным средством для описания 6-го и 8-го этапов жизненного цикла системы средств вычислительной техники и сис-темы передачи данных

Существует несколько разновидностей моделей жизненных циклов системы, в частности прямолинейная, спиральная, и т.д. [1]. Мы будем ориентироваться на спи-ральную модель. Такая модель подразумевает, что система, проходя последовательно этапы своего жизненного цикла, может при необходимости, как по спирали, возвра-щаться с более поздних этапов к более ранним для доработки и усовершенствования.

Для успешного применения спиральной модели необходимо, чтобы проектируе-мая система имела более или менее консервативный характер. Консерватизм рассмат-риваемой нами системы проявляется в первую очередь в открытости системы и в том, что протоколы открытых систем уже стандартизированы. Протоколы могут меняться, к ним могут добавляться различные элементы, например элементы безопасности, а сис-тема может возвращаться не в самое начало, а лишь на несколько витков жизненного цикла назад.

Обращаясь к вопросу о качестве КС, следует отметить, что нельзя рассматривать его в целом для всех этапов её жизненного цикла. Мы можем рассматривать качество только для некоторого определенного этапа. При этом о качестве можно говорить толь-ко тогда, когда определены воспринимающие его субъекты, работающие с объектом (системой) на каждом этапе жизненного цикла.

Этап функционирования КС

Начнём рассмотрение с последнего этапа (функционирования), поскольку он, по сути, самый важный.

Одним из субъектов в данном случае является абонент, пользующийся услугами системы. Абонент оценивает систему по качеству обслуживания, которое она ему предоставляет. Качество обслуживания характеризует общую удовлетворенность пользователя предоставляемым ему обслуживанием. Пользователя не интересует качество функционирования системы, для него главное – получать заказанную услугу всегда вовремя и в полном объёме.

Другими субъектом, оценивающим качество системы, является системный администратор. Он оценивает качество с противоположной позиции, и в первую очередь его интересует качество функционирования системы. В его понимании это означает, что система должна корректно работать, быть функциональной, надежной, выполнять все возложенные на неё функции телекоммуникационных и инфокоммуникационных услуг.

И, наконец, третий субъект – сетевой менеджер (представитель оператора связи). Для него качество представляет собой некое объединение качества обслуживания и ка-чества функционирования системы, отнесенное к затратам на его обеспечение.

Поиск компромиссного решения никогда не даст результата в виде чистого об-щего показателя качества системы. Поэтому целесообразно сгруппировать все показа-тели в две группы, одна из которых будет содержать только показатели качества об-служивания, а вторая – показатели качества функционирования. Качество функциони-рования характеризуется способностью к обработке всех инфокоммуникационных за-просов.

Несмотря на обилие работ, посвященных рассмотрению аспектов качества теле-коммуникационных систем, можно сослаться лишь на одну [2]. Только в ней впервые была сделана попытка разграничения качества на две составляющих – качество обслу-живания и качество функционирования. Однако в этой работе, как и в других, отсутст-вует попытка ввести конкретные количественные показатели для оценки соответст-вующих качеств.

Конечный пользователь – наиболее важная цель. Именно на него направлены все современные инфокоммуникационные услуги (ИТКУ) – услуги с использованием телекоммуникационных систем.

Важной задачей является оценка качества ИТКУ с точки зрения абонента-пользователя на этапе эксплуатации конкретной КС. Примером ИТКУ в данном случае могут служить сервисы Интернет, такие как, например, чаты.

Оценить все ИТКУ в целом не представляется возможным ввиду их нерегламен-тированности, которая выражается в отсутствии соответствующих инфокоммуникационных протоколов. Тем не менее можно пытаться оценивать каждую услугу в отдель-ности. Примером такой обобщенной оценки могут служить материалы, изложенные в книге [3].

Этап индивидуального проектирования КС

Рассмотрим 6-й этап жизненного цикла, который описывает индивидуальное проектирование рассматриваемой интегрированной корпоративной сети, т.е. проекти-рование с учетом её фиксированного расположения и функциональных особенностей. Объектом на этом уровне является базовая структура СВТиПИ. Действующие на этом уровне субъекты следующие: всё тот же сетевой менеджер (представитель поставщика услуг), сетевой интегратор, и, по-прежнему, пользователи. Однако пользователи на данном этапе выступают опосредованно. Здесь они не могут активно вмешиваться в разработку проекта системы, хотя их требования должны учитываться и соблюдаться.

Поскольку корпоративная сеть находится в постоянном развитии, результатом этапа её индивидуального проектирования должны быть различные технически потен-циально возможные треки инсталляций. Эти треки, с конкретными функциональными и количественными показателями, предлагаются системным интегратором с учетом со-отнесения качества обслуживания и функционирования к стоимости затрат по реализа-ции проекта КС.

С помощью сетевого менеджера из их общего набора выделяются наиболее эф-фективные треки. Качество обслуживания на этом этапе отличается от такового на рас-смотренном ранее этапе эксплуатации тем, что здесь оно превращается в уровень об-служивания (GoS – grade of service). Уровень обслуживания – это совокупность техни-ческих параметров, характеризующих соответствие ресурса поступающей на него на-грузке в разных условиях. Это может быть вероятность потерь, время ожидания и т.д. Ресурсами на этапе индивидуального проектирования выступают вычислительная про-изводительность средств вычислительной техники (СВТ), память, пропускная способ-ность средств передачи данных (СПИ). Как только в рассмотрение входят эти ресурсы, мы получаем возможность четко описывать показатели качества через их параметры. При этом следует отметить, что обычно уровень качества определяется через достаточ-ность тех или иных ресурсов, т. е. качество тем хуже, чем острее ощущается недостаток (дефицит) того или иного ресурса.

Перечисленные ресурсы имеют различную природу. Ресурсы памяти и пропуск-ной способности являются дискретными и конечными, т.е. исчерпаемыми. Ресурс про-изводительности сетевых устройств определяет реактивность системы, которая выра-жается во времени отклика. Особенность данного ресурса в том, что он непрерывный, и при бесконечном ресурсе памяти может считаться неисчерпаемым.

Поскольку указанные ресурсы разделяются на два типа (неисчерпаемые непре-рывные и исчерпаемые дискретные), то и показатели качества на их основе также будут разделены на два класса – вероятности явных и условных потерь.

Явные потери связаны с исчерпанием дискретного конечного ресурса памяти или пропускной способности. В этом случае происходит непосредственный отказ са-мой сети. Условные же потери происходят из-за отказов по вине пользователя. Это свя-зано с его психофизиологическими особенностями и выражается во времени ожидания отклика. Пользователь отказывается слишком долго ждать отклика из-за недостаточно-сти ресурса производительности и инициирует отказ. Данные потери называются ус-ловными, поскольку нет явного отказа со стороны сети, и если бы выполняющийся процесс не был прерван пользователем, то рано или поздно он бы завершился успешно.

Перечисленные три ресурса поддаются параметризации, что даёт возможность строить формализованное описание для моделей оценки качества КС путем вычисле-ния вероятностей явных и условных потерь.

Формализованное описание и его реализация на GPSS

Одним из важнейших этапов создания имитационных моделей является этап формализации описания системы. В телекоммуникациях практически всегда присутствует спецификация системы (протоколов), задаваемая чаще всего автоматной моделью. В то же время выполнение каждого из запросов носит последовательный характер и наилучшим образом представляется в виде транзакции. Легко показать, что от автомат-ной модели просто перейти к транзактной.

В основу разрабатываемого авторами комплекса имитационных моделей теле-коммуникационных систем и была положена транзактная модель. У неё есть ряд положительных отличий: она удобна для абстрактного моделирования, когда нет чёткого описания физической структуры системы либо когда структура может динамически изменяться. А это означает, что структура имитационной модели не зависит от струк-туры системы. Свойство вложенности транзакций удобно для описания сервиса на семи уровнях эталонной модели.

Основная задача в применении транзактного метода моделирования состоит в выборе типов элементов транзакции и параметризации последних. Для решения задачи определения вероятности явных и условных потерь нами предлагается три класса мо-делей: «Нагрузка», «Загрузка», «Ресурс безопасности». Задачей модели «Нагрузка» яв-ляется определение вероятности явных потерь и построение реальной модели нагрузки на ресурс производительности. Модель «Загрузка» с учётом реальной нагрузки позволяет определять вероятности условных потерь. Модель «Ресурс безопасности» опреде-ляет затраты производительности сетевых устройств на элементы безопасности, вводи-мые в сетевые протоколы.

Для каждого из типов моделей выбран набор элементов транзакций и проведена их параметризация. Количество таких элементов не превышает десяти. Свойства GPSS позволяют достаточно легко и негромоздко реализовывать как отдельные элементы транзакции, так и описывать саму транзакцию. Благодаря возможности использования имён в значениях дискретных функций GPSS мы можем на естественном языке описать транзакцию с помощью функции. Функция транзакции дополняется рядом дискретных функций, определяющих параметры элементов транзакции. Непосредственная реализа-ция каждого из элементов показала, что число блоков для выполнения элемента находится в пределах от четырех до десяти. Это говорит о близости языка GPSS предло-женному формализму, который, в свою очередь, был обусловлен свойствами телекоммуникационных систем.

Заключение

Для оценки качества интегрированной корпоративной сети необходимо рас-сматривать его на разных этапах жизненного цикла. Наиболее важны этапы индивидуального проектирования и эксплуатации КС в конкретных условиях. Для описания этих этапов жизненного цикла КС привлекательным средством является технология CASE, позволяющая придать системе СВТиПИ упорядоченную структуру. На этих этапах можно построить формализованное описание КС для построения конкретных моделей системы. Элементы формализованного описания хорошо ложатся на блоки GPSS, что весьма удобно для построения имитационных моделей.

Литература

1. Калянов Г.Н. CASE – структурный системный анализ. – М.: Лори, 1996. – 242 с.: ил.

2. Нетес В. А. Качество обслуживания на сетях связи // Веснiк сувязi. 1999. № 5. С. 53– 58.

3. Менаске Дэниел, Алмейда Виргилио. Производительность Web-служб. Анализ, оценка, планирование: Пер. с англ. – СПб: ООО “ДиаСофтЮП”, 2003. – 480 c.: ил.