 |
Стафутин Виталий АлександровичДонецкий национальный технический университетФакультет Кафедра Специальность Тема магистерской диссертации Научный руководитель |
|
|
Автореферат к выпускной работе магистраСОДЕРЖАНИЕ
1. ВведениеСпутниковая связь обладает важнейшими достоинствами, необходимыми для построения крупномасштабных телекоммуникационных сетей. Во-первых, с ее помощью можно достаточно быстро сформировать сетевую инфраструктуру, охватывающую большую территорию и не зависящую от наличия или состояния наземных каналов связи. Во-вторых, использование современных технологий доступа к ресурсу спутниковых ретрансляторов и возможность доставки информации практически неограниченному числу потребителей одновременно значительно снижают затраты на эксплуатацию сети. Эти достоинства спутниковой связи делают ее весьма привлекательной и высокоэффективной даже в регионах с хорошо развитыми наземными телекоммуникациями. В настоящее время многие компании с территориально-распределенной структурой крайне заинтересованы в снижении затрат на оплату услуг связи и все чаще отказываются от услуг сети общего пользования, предпочитая создавать собственные более экономичные спутниковые сети связи [1].
2. Описание проектируемой сетиКорпоративная сеть состоит из магистральной сети и локальных вычислительных сетей. Магистральная сеть объединяет отдаленные узлы сети (филиалы), между собой и с административным центром, т.е. с Киевом. Киев считается единым информационным центром, другими словами центром сбора информации. Считаем заданным количество объектов сети, количество абонентов на каждом объекте и службы, которыми они пользуются. Конфигурация спутниковой сети связи базируется на геостационарном спутнике-ретрансляторе. В состав спутниковой сети связи на геостационарном спутнике входят:
Требования к проектируемой сети:
3. Анализ планового трафика сетиВиды трафикаИсходя из этих данных и таблицы 3.1, можем оценить трафик сети. Таблица 3.1 Общие характеристики трафика разных приложений
Количественный анализ трафикаНеобходимую общую пропускную способность вычислим как:  P — общая пропускная способность; Pi — необходимая пропускная способность для i-ой услуги. Необходимую пропускную способность для филиала в целом рассчитаем как произведение количества пользователей и нагрузка на каждого пользователя:  Далее учитываем, что соотношение внутрисетевого трафика и внешнего берется как соотношение 30 к 70. При анализе нагрузки на линии связи было учтено то, что 70% исходного телефонного трафика направлено в Киев, а 30% замыкается на близлежащих узлах. Нагрузка на линии были рассчитаны с учетом резервных маршрутов, которые представляют собой выделенные линии с пропускной способностью 64-256 Кбит/с. При определении спутниковой топологии были рассмотрены возможные решения в условиях данной сети и избранная топология типа "звезда". Была рассчитана пропускная способность восходящего потока информации, которая равняется 20 Мбит/с.  Рисунок 3.1 Схема территориального расположения узлов и связей между узлами с резервными каналами 4. Обзор и выбор технологий качества обслуживанияПрактика построения цифровых сетей разного масштаба показывает, что основным критерием развития бизнеса есть качество обслуживания в сети. Именно за счет этого определяется, сможет ли сеть успешно работать с разными приложениями, которые требуют значительной полосы и высокого качества обслуживания, такими как телефонные данные, мультимедийные приложения и другие, которые все шире применяются во всем мире [3]. Таблица 4.1 содержит характеристики технологий качества обслуживания Таблица 4.1 Технологии качества обслуживания
Сети Frame Relay с обслуживанием разрешают сокращать время доставки пакетов с голосовыми данными и переупорядочивать очереди в устройствах доступа к сети. Но при возникновении перегрузок в сети низкоприоритетные пакеты не отбрасываются, а пускаются в обход места затора. Отсюда сразу вытекает недостаток — задержка при передаче может возрастать непредвиденным образом. Для сети масштаба предприятия эти трудности не настолько страшные, так как слишком больших обходных путей в небольшой сети найти сложно. Так что одной из пригодных технологий качества обслуживания можно считать последнюю, то есть Frame Relay.
5. Топология спутникового доступаПри выборе топологии и технологии спутниковой связи в первую очередь нужно четко сформулировать телекоммуникационные нужды предприятия — ведь эффективность работы будущей сети во многом зависит от правильно составленного технического задания. Необходимо определить топологию сети — схему соединений между ее узлами, которыми чаще всего есть филиалы предприятия. При этом следует учитывать, что связь через геостационарный спутник вносит ощутимую задержку при распространении сигнала, итак, в ряде случаев вконец нежелательное применение "двойных прыжков" сигнала, которые удваивают эту задержку. Кроме того, избыточные соединения часто усложняют работу сети и повышают ее стоимость. В сетях с единым центром обработки информации, услугами которого пользуется множество удаленных филиалов, слабо взаимодействующих одна из одной, применяют топологию типа "звезда". В такой сети связь между филиалами осуществляется через центральный узел. В тех случаях, когда обмен информацией между отдельными филиалами происходит особенно интенсивно, целесообразно реализовать смешанную сетевую топологию, где эти филиалы будут связаны прямо. Такую топологию часто можно встретить в банковских сетях и на производствах с централизованным управлением и широкой сетью региональных филиалов, дистрибьюторов или поставщиков продукции. В этих сетях нередко формируются региональные подсети со своими специфическими технологическими особенностями [4]. В сетях, где связь всех филиалов между собой должна осуществляться с минимальным временем задержки при передаче сигналов, следует реализовать полносвязную топологию. Достоинства данной топологии неопровержимые, однако, не во всех случаях ее применения экономически оправдано. Для каждой необходимой предприятию телекоммуникационной услуги (телефонной и факсимильной связи или передачи данных) очень важно определить оптимальные топологию и технологию сети спутниковой связи и попробовать реализовать поддерживаемую его интегрированную систему связи. Полносвязная топология в проектируемой сети неприемлемая, так как здесь не используются спутниковые каналы для передачи телефонного трафика, и не наблюдается интенсивный обмен данными между соседними узлами. В данной сети есть центральный узел обработки данных, и потому целесообразно применить топологию "звезда". От филиалов предприятия по наземным линиям связи запрос, и информация, предназначенная центральному узлу, доставляется в Киев, после обработки данные передаются на спутник с помощью приемо-передающей антенны. Запрошенная информация доставляется узлам на спутниковый ресивер, по "стволу" в несколько несущих. Запрошенные данные, которые находятся за пределами центрального узла, другими словами — данные из Интернета, поступают в Киев, не используя спутниковый ресурс, запрос на них также отправляются по наземному каналу. Вся информация, предназначенная отдаленным пользователям, в Киеве "поднимается" на спутник, после чего доставляется получателям. Схематично данную технологию можно представить, как показано на рисунке 5.1.  Рисунок 5.1 Спутниковый доступ. (Рисунок анимирован, размер 12К. Для запуска необходимо кликнуть на нем.) 6. Выбор и обоснование технологий взаимодействия в проектируемой сетиТехнология магистральной сетиСовременные технологии передачи данных могут классифицироваться по методам передачи данных. В общем случае, можно выделить три основных метода передачи данных [5]:
Все другие методы взаимодействия является эволюционным развитием этих методов. Одним из параметров, по которому можно проводить выбор технологий, является гарантия доставки информации. Так технология X.25 и ATM гарантируют надежную доставку пакетов, а Frame Relay и SMDS работают в режиме, когда доставка не гарантирована. Еще одним из параметров, которые влияют на выбор технологии, есть среда передачи данных, используемая в сети. Телекоммуникационная сеть может быть построена с использованием разных технологий: временное мультиплексирование, X.25, Frame Relay, IP, ATM. Каждая из этих технологий довольно хорошо развита на сегодняшний день и каждая из них имеет как свои преимущества в сравнении с другими, так и недостатки (см. таблицу 6.1). Технология коммутации пакетов разрешает за счет использования механизмов статистического мультиплексирования более эффективно использовать канальные ресурсы. Технология оптимизирована для передачи данных. К ее недостаткам можно отнести непредсказуемость задержки. Таблица 6.1 Сравнительные характеристики разных сетевых технологий
Технология спутниковой сети (протоколы множественного доступа)Протокол множественного доступа (Multiple Access Control — MAC) определяет набор правил управления передачей трафика через общий спутниковый канал (моноканал) и играет главную роль в достижении высоких рабочих характеристик всей системой спутниковой связи. Протоколы множественного доступа относятся ко второму уровню модели взаимодействия открытых систем OSI (Open System Interworking) и влияют на работоспособность високоуровневих протоколов и средств обеспечения необходимого качества обслуживания трафика. Эффективность работы протоколов множественного доступа зависит как от характеристик среды передачи, так и от особенностей переданного трафика. Большая задержка распространения сигналов в спутниковых системах связи, особенно с геостационарными спутниками, делает невозможным применение MAC-Протоколов, разработанных для наземных проводных и беспроводных локальных сетей (таких, как протокол CSMA). Кроме того, низкая энергетика спутниковых каналов, наличие в них резких затуханий и замираний сигнала контрастируют с условиями передачи данных в наземных системах связи. Интернет — трафик по своей природе есть импульсным. В то же время обеспечения необходимого качества обслуживания пока ограничено применением механизма "наибольшего усилия" (best-effort) для трафика разной природы. В зависимости от способа распределения пропускной способности спутникового моноканала между терминалами все системы спутниковой связи можно разделить на три группы:
Фиксированное распределение может быть осуществлено по частоте, времени или коду сигнала. Для перечисленных способов распределения существуют наиболее известные базовые протоколы множественного доступа:
Согласно FDMA и TDMA, каждому терминалу выделяется отдельный канал. Это исключает соревнование за общий канальный ресурс и обеспечивает QoS. Однако в этом случае очень неэффективно используется ресурс спутника. Протокол FDMA первым нашел применение в спутниковых сетях. Позднее благодаря отсутствию нелинейных перекручиваний и эффективности использования мощности спутникового ретранслятора более широкое распространение получил протокол TDMA. В системах CDMA каждому терминалу выделяется уникальная кодовая последовательность, с помощью которой расширяется спектр его сигнала. С точки зрения масштабирования сети с протоколом CDMA являются простейшими из перечисленных. SCPC активно применяют для построения небольших сетей с интенсивным трафиком. Каждая ЗС, что реализует SCPC, имеет выделенный постоянный сегмент емкости спутникового ретранслятора и поддерживает постоянное соединение. Основное достоинство данной технологии заключается в том, что она гарантирует необходимую пропускную способность канала спутниковой связи, а основной недостаток — отсутствие в ней возможности динамического перераспределения ресурса ретранслятора между узлами сети. TDMA предоставляет множеству станций динамический доступ к общему каналу с разделением по времени. Время на установление соединения значительно меньше чем в DAMA. Однако ЗС сети TDMA стоят довольно дорого. В сетях TDMA центральная управляющая станция, как правило, отсутствует. TDM/TDMA — комбинированная технология сетей с топологией типа "звезда". В сети TDM/TDMA центральная ЗС связывается со станциями пользователей с помощью одного или нескольких закрепленных каналов с временным мультиплексированием, а станции пользователей осуществляют доступ к центральной ЗС через каналы TDMA. В сети TDM/TDMA данные, переданные между двумя любыми станциями пользователей, дважды проходят через спутник-ретранслятор ("двойной скачек"). При этом возникает существенная (1-2 с) задержка сигнала, который делает данную сеть малопригодной для использования телекоммуникационных приложений, чувствительных к таким задержкам. Случайный доступ наилучший для сетей с большим числом малогабаритных (VSAT, USAT) низкоскоростных терминалов, которые генерируют пульсирующий трафик. Число терминалов в таких сетях может достигать сотен и тысяч единиц. Согласно протоколам случайного доступа (Aloha и его вариации), каждый терминал передает свои данные независимо от других, в результате чего могут иметь место коллизии пакетов. Повторные передачи после коллизий оказывают содействие увеличению средней задержки передачи пакетов и ее дисперсии, а также снижают эффективность использования спутникового моноканала на уровне всей сети. Распределение по требованию. Хотя случайный доступ лучше подходит для сетей с большим числом терминалов, он не гарантирует QoS. Протоколы, которые относятся к классу DAMA, стараются решить это противоречие путем организации динамического распределения пропускной способности ретранслятора в зависимости от требований пользователей. Запросы последних на выделение части ресурса спутникового ретранслятора должны быть переданы к началу передачи пользовательских данных. Как правило, запросы передаются в режиме случайного доступа. После успешного резервирования запрошенного ресурса передача пользовательских данных происходит в бесконфликтном режиме — FDMA или TDMA. DAMA предоставляет ресурс спутникового ретранслятора по требованию. В сетях с технологией DAMA канал связи выделяется пользователю только на время проведения сеанса связи, что значительно экономит ресурсы спутникового ретранслятора. В некоторых реализациях технологии DAMA предусмотрена возможность установления соединений с разной пропускной способностью для разных сеансов связи. DAMA оптимальна для создания телефонных сетей с полносвязной топологией. Ресурс ретранслятора распределяется центральной станцией сети, что можно считать основным недостатком технологии, так как функционирование всей сети зависит от состояния одной этой станции. Протоколы PODA (Priority-Oriented Demand Assignment) и FODA (FIFO Ordered Demand Assignment) комбинируют явные и неявные запросы. Каждый кадр TDMA протокола PODA состоит из управляющего субкадра (части кадра) и субкадра данных с гибкой границей. Явные запросы передаются в режиме соревнования в управляющем субкадре по протоколу S-Aloha, в то время как неявные запросы выступают в качестве переданных пакетов данных. Согласно протоколу FODA субкадр данных, в свою очередь, делится на субкадр, используемый в режиме коммутации каналов для передачи поточных данных, и субкадр, используемый в режиме коммутации пакетов для передачи дейтаграмм. При этом организуются три очереди запросов на обслуживание с разными (в порядке убывания) приоритетами: для поточных данных, для короткого интерактивного пакетного трафика, для пакетного трафика большого размера (передача больших файлов). Согласно протоколу CFDAMA (Combined Free/Demand Assignment Multiple Access), распределение происходит согласно круговой ("карусельной") или определенной стратегии, а согласно протоколу CRRMA (Combined Random Reservation Multiple Access), ресурс, который остался, используется в режиме случайного доступа. В этом режиме пульсирующий интерактивный трафик может быть передан по незарезервированным каналам без задержки, обусловленной передачей требований. В гибридной схеме RRR (Round Robin Reservation) число станций должно равняться или быть меньше числа временных окон кадра. За каждой станцией закрепляется выделенный канал, а те, что остались или не использовались, доступны по круговому принципу и протоколу S-Aloha. Каждый из рассмотренных протоколов может оказаться оптимальным для определенной сети с конкретным соединением числа небольших терминалов, шлюзовых станций и параметров переданного трафика. Для повышения эффективности работы во многих современных сетях успешно объединяются несколько протоколов одновременно. Основное расхождение между ними — способ использования ресурса спутникового ретранслятора. Так, например, для построения крупномасштабной корпоративной телекоммуникационной инфраструктуры можно рекомендовать соединение протоколов TDM/TDMA и DAMA. Последний из них обеспечит телефонную и факсимильную связь, сделает возможным организацию аудио- и видеоконференций, в то время как с помощью подсети TDM/TDMA можно будет осуществлять передачу данных.  Рисунок 6.1 Общая функциональная схема реализации сети 7. ЗаключениеОбзор основных результатовБыла спроектированная телекоммуникационная корпоративная сеть на территории Украины с использованием полудуплексных спутниковых каналов. Использован принцип асимметричного доступа. Данный принцип заключается в том, что передача информации осуществляется по наземным каналам связи, а прием на спутниковую антенну. При расчете трафика для каждого филиала предприятия получены данные, благодаря которым была выбрана технология Frame Relay для наземных линий связи. Для спутниковых линий выбранная технология приема тоже Frame Relay. Данная сеть кроме передачи данных обязана предоставлять услуги IP — телефонии, используя только наземные каналы, так как полудуплексный принцип неприемлем. В качестве кодека для сжатия языка выбран кодек G.729a с использованием механизма VAD, данные преобразования сигнала позволяют уменьшить полосу пропускания с 64 Кбит/с до 9,9 Кбит/с для каждого телефонного канала. Для обеспечения передачи сигнала по линии и предотвращение заторов в сети использованная технология качества обслуживания, которая встроена в технологию Frame Relay.
Перспективы исследованийПланируется выполнить анализ временных задержек в спутниковых каналах спроектированной сети с применением аналитических методов и математической модели, спроектированной в САПР Matlab. На основании результатов исследования планируется сделать вывод о возможности применения принятых решений в корпоративной сети.
Литература
|
© Донецкий национальный технический университет |
© Стафутин Виталий Александрович, velstuff@ukrpost.net |