Гаськова Ірина Олександрівна

Факультет:

комп'ютерні інформаційні технології та автоматика (КІТА)

Кафедра:

автоматики та телекомунікацій (АТ)

Спеціальність:

телекомунікаційні системи та мережі (ТКС)

Тема магістерської роботи:

дослідження і розробка методики моделювання процесів в мультисервісних телекомунікаційних системах

Науковий керівник:

к.т.н., доцент кафедри АТ Дегтяренко І.В.

Реферат роботи магістра

«Дослідження та розробка методики моделювання процесів в мультисервісних телекомунікаційних системах»

Вступ

Однією з тенденцій розвитку телекомунікаційних мереж є принципова зміна характеру і структури трафіку, що передається, що можна пояснити стрімким зростанням кількості нових Інтернет додатків. Також міняються пропорції між вже існуючими і знову створюваними мережневими послугами, конвергенція телекомунікаційних систем з мережею Інтернет.

При аналізі трафіку корпоративних мереж великих підприємств і більшості мереж доступу в Інтернет на підставі статистики можна сказати, що трафік є мультимедійним, тобто простежується відносно рівномірний розподіл часток аудіо -, відео - і інших типів потоків даних. Крім того, постійно розробляються і впроваджуються все нові алгоритми, протоколи і технології, спрямовані на поліпшення якості передачі трафіку реального часу в IP-мережах.

Не дивно, що це призводить у свою чергу до ускладнення архітектури мереж, які тепер некоректно називати просто мережами передачі даних, оскільки вони вже характеризуються як мультисервісні мережі, маючи на увазі під цим різноманіття мережевих послуг.

Усе більше організацій і підприємств приходять до висновку про необхідність створення мультисервісної мережі, що дозволяє використовувати увесь потенціал інформаційних технологій, значно підвищити їх ефективність і швидкість роботи.

Такі зміни в структурі трафіку ускладнюють, а іноді і взагалі виключають, застосування аналітичного моделювання для створюваних алгоритмів і процесів. Альтернативним рішенням може служити імітаційне моделювання, яке дозволяє створювати моделі і умови роботи мережі найбільш наближені до реальності.

Актуальність

Проблема проектування мультисервісних мереж є актуальною, внаслідок неможливості застосування старих підходів і відомих методик.

Інформаційні потоки, необхідні для надання різного роду послуг в мультисервісних мережах, сильно розрізняються по своєму складу, вимогам і об'єму необхідних мережневих ресурсів. Відсутність чітких методів розрахунку мультисервісних мереж ускладнює роботу проектувальників і прогнозування.

Можливості ж фізичного моделювання при аналізі мереж сильно обмежені: практично неможливо перевірити її роботу для варіантів з використанням великої кількості комунікаційних пристроїв — маршрутизаторів, комутаторів, аналіз отриманих результатів відрізняється складністю розрахунків.

Відомі пакети прикладних програм, що використовуються і при проектуванні мультисервісних мереж зв'язку, у своїй роботі спрямовані, як правило, на моделювання структури самої мережі, не враховуючи при цьому в належному об'ємі важливих чинників сумісності із вже наявним устаткуванням і структурою мережі, оптимізацію економічних параметрів проектованої мережі, питання прогнозування трафіку. Таким чином, розробка комплексу методів і інструментальних засобів, що охоплюють моделювання і оптимізацію проектних рішень при проектуванні мультисервісної мережі, є актуальним завданням. Розробка ж методики моделювання проектування саме мультисервісної мережі допоможе не лише в навчанні в університетах, але і знайде застосування при безпосередній розробці проектів таких мереж.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами

Кваліфікаційна робота магістра виконується упродовж 2009-2010 рр. згідно з науковим напрямом кафедри «Автоматики і телекомунікацій» Донецького національного технічного університету.

Мета і завдання розробки

Мета роботи:

Метою цієї кваліфікаційної роботи магістра є поліпшення техніко-економічних параметрів мультисервісних мереж за рахунок використання засобів імітаційного моделювання при їх проектуванні.

Ідея роботи:

Ідеєю роботи є розробка рекомендацій по плануванню і проектуванню мультисервісних телекомунікаційних мереж з використанням методів імітаційного моделювання, на прикладі різних рішень побудови телекомунікаційних систем описуються критерії оцінки якості роботи мережі.

Основні завдання розробки :

• дослідження процесу побудови мультисервісних мереж зв'язку, виявлення основних етапів проектування, аналіз існуючих технологій мереж передачі даних;
• установка суті і проблеми проектування мультисервісних мереж зв'язку з використанням телекомунікаційного устаткування різних виробників;
• вибір критеріїв оцінки якості побудова проектованої мережі з використанням засобів імітаційного моделювання;
• виявлення і рішення проблем моделювання, існуючих рішень побудови мереж, що виникають при проектуванні, і при проектуванні мереж із застосуванням нових технологій і способів;
• вибір ефективного рішення побудови мережі з використанням різних технологій;
• розробка комплексу методів і засобів оптимізації різних параметрів проектних рішень, таких як економічні витрати, продуктивність мережі, маршрутизація в ядрі мережі і інших параметрів;
• оцінка ефективності прийнятих проектних рішень і розробка методики моделювання проектування мультисервісних мереж.

Предметом розробки:
Предметом розробки є математичний апарат і засоби імітаційного моделювання телекомунікаційних мультисервісних мереж.

Об'єкт розробки :

Об'єктом розробки є методика проектування мультисервісних мереж з використанням засобів імітаційного моделювання.

Методологія і методи досліджень :

• Методи оптимізації
• Методи теорії масового обслуговування
• Нейронні мережі
• Мережі Петрі
• Методи імітаційного моделювання
• Методи управління трафіком мережі

Передбачувана наукова новизна і практичне значення отриманих результатів :

В ході виконання роботи будуть визначені основні принципи моделювання мультисервісних мереж в пакеті моделювання OPNET і можливі сфери застосування цих принципів. Варто відмітити, що пакет OPNET IT Guru Edition розроблено спеціально для академічного використання, так що запропонована методика може бути використана в процесі навчання у вищих учбових закладах і при підготовці фахівців у сфері телекомунікацій

Огляд розробок і досліджень по темі::

на локальному рівні

• Щитникова А. Н. Магістерська робота. Розробка методів оцінки параметра трафіку мультисервісної мережі.
• Шишкин Е. С. Магістерська робота. Кластерна система розподіленого моделювання комп'ютерних мереж
• Латорцев А. А. Магістерська робота. Розробка підсистеми моделювання розподілених комп'ютерних інформаційних систем
• Тимонов С. Магістерська робота. Розробка і дослідження мультисервісної мережі абонентського доступу на основі технології VoDSL для умов ГТС м. Донецька



На національному рівні

• Оліфер Н. А., В. Г. Оліфер. Використання моделювання для оптимізації продуктивності мережі
• Домбровскій К. А. Імітаційна модель передачі мультимедійного трафіку в мультисервісній мережі з адаптивною маршрутизацією на основі об'єктно-орієнтованого підходу: дисертація.
• Лунтовский А. О. Методологія і інструментарій проектування корпоративних мереж: дисертація
• Беркман Л. Н. Методи і способи підвищення показників якості системи управління телекомунікаційними системами: дисертація.
• Савинков А. Ю. Автоматизація проектування систем цифрової обробки сигналу на основі інтегрованого середовища імітаційного моделювання і оптимізації.

Проблеми і особливості переходу до мультисервісних мереж

При проектуванні мультисервісної мережі прагнуть знайти такий варіант побудови транспортної мережі, який би задовольняв необхідну потребу в зв'язку при найменших загальних витратах на побудову, обслуговування і наступний розвиток мережі.

Проектування магістрального і розподільного рівня може представляти складне завдання. Це викликано декількома чинниками: побудова мультисервісної мережі поверх минулих технічних рішень (оптимізують стару мережу для підтримки мультисервісного трафіку), вибір оптимальної технології побудови мережі з «нуля». Також при створенні і експлуатації будь-якої мережі зв'язку розмір капітальних витрат і експлуатаційних витрат мають бути мінімальні за умови, що мережа виконує із заданими якісними показниками покладені на неї функції з передачі і розподілу інформаційних потоків, що поступають від споживачів [1].

Якість функціонування мережі передачі даних характеризується великою кількістю технічних параметрів, які умовно можна розділити на параметри якості передачі сигналу і параметри якості послуги. До параметрів якості передачі сигналу відносяться, передусім, такі показники як: latency (затримка), jitter (тремтіння) і packet loss (втрата пакетів). Параметри якості послуги можуть бути унікальні для різних послуг. Такими параметрами можуть бути, наприклад, кількість каналів ефірного відео доступних в мережі і якість цих каналів. Окрім параметрів якості функціонування мережі велику важливість має її вартість, яка включає капітальні витрати, а також експлуатаційні витрати.

Мультисервісна мережа характеризується великою кількістю різноманітних критеріїв, що визначають її оптимальність таких як: параметри якості функціонування мережі (затримка, тремтіння, втрата пакетів і інші), вартісні параметри (капітальні витрати, експлуатаційні витрати)

Це призводить до виникнення багатокритерійної невизначеності, що, у свою чергу, обумовлює неможливість коректного рішення задачі оптимального проектування мультисервісної мережі без урахування інтересів сторін, зацікавлених в її функціонуванні. У якісному функціонуванні мультисервісної мережі зацікавлені різні групи осіб. В першу чергу, це оператор мережі, які інвестують кошти в будівництво мережі і несе витрати з підтримки її працездатності, і споживачі послуг зв'язку. А значить, при проектуванні і використанні сучасної мультисервісної мережі стикаються інтереси різних груп споживачів і операторів послуг.

Для якісного проектування мультисервісної мережі потрібний облік усіх вимог, що пред'являються до мережі. Це завдання можна вирішити за допомогою моделювання мережі, що дозволяє заздалегідь спланувати, визначити можливі майбутні проблеми експлуатації і розвитку, протестувати правильність і можливості роботи мережевого устаткування для різних ситуацій функціонування, проводити вивчення нових технологій і механізмів, а найголовніше завдяки засобам імітаційного моделювання відбувається значна економія коштів. [5]

Що ж до переходу до мультисервісних мереж, то сьогодні ще немає технологій, які б повністю задовольняли запитам перспективної мультисервісної мережі. Проте технологічні рішення, здатні стати її основою, існують вже зараз, тобто можна побудувати прообраз мультисервісної мережі, який з часом зможе легко еволюціонувати до мультисервісної мережі майбутнього. [4]

Імітаційне моделювання

Імітаційне моделювання — це метод дослідження, при якому система, що вивчається, замінюється моделлю з достатньою точністю, що описує реальну систему, і з нею проводяться експерименти з метою отримання інформації про цю систему.

До імітаційного моделювання вдаються, коли:

• дорого або неможливо експериментувати на реальному об'єкті;
• неможливо побудувати аналітичну модель, оскільки в системі є час, причинні зв'язки, наслідки, нелінійності, стохастичні (випадкові) змінні;
• необхідно зімітувати поведінку системи в часі.

Імітаційне моделювання дозволяє імітувати поведінку системи в часі. Причому плюсом є те, що часом в моделі можна управляти : уповільнювати у випадку зі Швидкоплинними процесами і прискорювати для моделювання систем з повільною мінливістю. Можна імітувати поведінку тих об'єктів, реальні експерименти з якими дорогі, неможливі або небезпечні.

Перевага над іншими видами моделювання

Застосування імітаційних моделей дає безліч переваг в порівнянні з виконанням експериментів над реальною системою і використанням інших методів.

Вартість. Побудова мережі вимагає значних витрат, моделювання ж включає тільки вартість відповідного програмного пакету

Час. У реальності оцінка ефективності, наприклад, нової мережі займе роки, а якщо врахувати швидкість розвитку телекомунікаційних систем, то спочатку потрібно передбачити можливість зміни і оптимізації. Імітаційна модель дозволяє визначити оптимальність змін за лічені хвилини, необхідні для проведення експерименту.

Повторюваність. Сучасне життя вимагає від підприємств і операторів зв'язку швидкої реакції на розвиток технологій. За допомогою імітаційної моделі можна провести необмежену кількість експериментів з різними параметрами, щоб визначити найкращий варіант.

Точність. Традиційні розрахункові математичні методи вимагають застосування високої міри абстракції і не враховують важливі деталі. Імітаційне моделювання дозволяє описати структуру системи і її процеси в природному виді, не удаючись до використання формул і строгих математичних залежностей.

Наочність. Імітаційна модель має можливості візуалізації процесу роботи системи в часі, схематичного завдання її структури і видачі результатів в графічному виді. Це дозволяє наочно представити отримане рішення і донести закладені в нього ідеї до клієнта і колег.

Універсальність. Імітаційне моделювання дозволяє вирішувати завдання з будь-яких областей. В кожному випадку модель імітує, відтворює, реальне життя і дозволяє проводити широкий набір експериментів без впливу на реальні об'єкти.

При проектуванні імітаційне моделювання може бути застосоване як з метою вибору проектного рішення, так і з метою перевірки вибраного проектного рішення. При виборі проектного рішення складають план імітаційних експериментів, в якому входом моделі є різні проектні рішення, а виходом — показники роботи об'єкту моделювання, відповідні технічному завданню. [10]

Огляд засобів імітаційного моделювання

BONeS (фірма Systems and Networks)  —графічна система моделювання загального призначення для аналізу архітектури систем, мереж і протоколів. Описує моделі на транспортному рівні і на рівні додатків. Дає можливість аналізу дії додатків типу клієнт-сервер і нових технологій на роботу мережі.

Netmaker (фірма OPNET Technologies)  —проектування топології, засоби планування і аналізу мереж широкого класу. Складається з різних модулів для розрахунку, аналізу, проектування, візуалізації, планування і аналізу результатів.

Optimal Perfomance (фірма Compuware Optimal Networks)  — має можливості швидкого оцінного і точного моделювання, допомагає оптимізувати розподілене програмне забезпечення.

Prophesy (компанія Abstraction Software)  — проста система для моделювання локальних і глобальних мереж. Дозволяє оцінити час реакції комп'ютера на запит, кількість "хітів" на WWW-сервері, кількість робочих станцій для обслуговування активного устаткування, запас продуктивності мережі при поломці певного устаткування.

Сімейство CANE (компанія ImageNet)  —проектування і реінжинирінг обчислювальної системи, оцінка різних варіантів, сценарії "що, якщо". Моделювання на різних рівнях моделі OSI. Розвинена бібліотека пристроїв, яка включає фізичні, електричні, температурні і інші характеристики об'єктів. Можливе створення своїх бібліотек.

Сімейство OPNET (фірма OPNET Technologies)  —засіб для проектування і моделювання локальних і глобальних мереж, комп'ютерних систем, додатків і розподілених систем. Можливість імпорту і експорту даних про топологію і мережевий трафік. Аналіз дії додатків типу клієнт-сервер і нових технологій на роботу мережі. Моделювання ієрархічних мереж, багатопротокольних локальних і глобальних мереж; облік алгоритмів маршрутизації. Об'єктно-орієнтований підхід. Вичерпна бібліотека протоколів і об'єктів. Включає наступні продукти: Netbiz (проектування і оптимізація обчислювальної системи), Modeler (моделювання і аналіз продуктивності мереж, комп'ютерних систем, додатків і розподілених систем), IT Guru (оцінка продуктивності комунікаційних мереж і розподілених систем).

У цій роботі використовується пакет OPNET IT Guru Edition. Вибір обумовлено, передусім, тим, що цей пакет знаходиться у вільному поширенні, оскільки був розроблений спеціально для академічного використання. Крім того, він є промисловим потужним інструментом моделювання мереж і їх аналізу .

OPNET IT GURU дозволяє:

• створити віртуальну мережу, що складається з відповідних апаратних засобів, протоколів, а також прикладне програмне забезпечення;
• є чисто програмним інтерфейсом, який може працювати на індивідуальному робочому місці;
• дозволяє вивчити і зібрати корисну статистику про віртуальну мережу, побудовану з його допомогою;
• створювати віртуальній мережі в області програмного забезпечення, а також надає інструменти для динамічно збору відомостей про мережу.

Опис технології, що використовуються при побудові мультисервисной мережі

Вдалий вибір принципу побудови і напряму розвитку мережі може істотно вплинути на довгострокову перспективу діяльності будь-якого сучасного підприємства. Саме цим пояснюється підвищений інтерес до технологій побудови універсальних мультисервісних систем, які здатні забезпечити надання або отримання усього комплексу інформаційних послуг. [9]

Якщо розглядати сучасні тенденції побудова мереж магістрального рівня, то лідируючі позиції займає технологія MPLS, обігнавши ATM і SDH.

Головне достоїнство MPLS — це багатоваріантність використання, а з точки зору сьогоднішньої ситуації з наданням послуг, операторам дуже цікаві подібні можливості. [2]

Розглянемо основи функціонування технології.

Основна відмінність цієї технології вже давно стала загальновідома — IP-маршрутизатори аналізують заголовок кожного пакету, щоб вибрати напрям його пересилки до наступного маршрутизатора, в технології MPLS заголовок аналізується тільки один раз на вході в мережу MPLS, після чого встановлюється відповідність між пакетом і потоком. [6]

Принцип комутації MPLS ґрунтується на обміні міток. Будь-який пакет, що передається, асоціюється з тим або іншим класом мережевого рівня FEC (Forwarding Equivalence Class), кожен з яких ідентифікується певною міткою. Значення мітки унікальне лише для ділянки шляху між сусідніми вузлами мережі MPLS, які називаються також маршрутизаторами, що комутують по мітках LSR (Label Switching Router). На рис.1 показано принцип комутації, де пограничний маршрутизатор LSR1 — вхідний, а LSR4 — вихідний маршрутизатор. Послідовність маршрутизаторів (LSR1,.., LSR4), через які проходять пакети, що належать одному FEC, утворює віртуальний тракт LSP, комутований по мітках, LSP (Label Switching Path). Вхідний LER аналізує заголовок пакету, що прийшов ззовні, встановлює, якому FEC він належить, забезпечує цей пакет міткою, яка присвоєна цьому FEC, і пересилає пакет до відповідному LSR. Далі, пройшовши в загальному випадку через декілька LSR, пакет потрапляє до вихідного LER, який видаляє з пакету мітку, аналізує заголовок пакету і направляє його до адресата, що знаходиться зовні MPLS-мережі. Послідовність (LERвх, LSR1, .., LSRn, LERвих) маршрутизаторів, через які проходять пакети, що належать одному FEC, утворює віртуальний комутований по мітках тракт LSP (Label Switched Path). Оскільки один і той же LER для одних потоків є вхідним, а для інших — вихідним, в мережі, N LER, що містить, в простому випадку може існувати N(N-1) FEC і, відповідно, N(N-1) LSP. [7]

Рисунок 2.  — Принцип комутації

(Анімація: об'єм —41,1 KБ; розмір — 600х170; кількість кадрів — 15; затримка між кадрами — 20 мс; затримка між останнім і першим кадром — 20 мс; кількість циклів повторення — нескінченне)

Гарантована якість обслуговування

У MPLS-мережах на базі міток зручно реалізується передача з гарантією якості сервісу мережі (QoS). Усередині MPLS-домену передача різних потоків даних абсолютно безпечна завдяки їх чіткому логічному розподілу. Для збільшення надійності в технології MPLS реалізовані функції Fast Reroute і LSP Protection, які дозволяють заздалегідь створити дублюючі маршрути комутації і у разі виходу з ладу основного шляху перейти на резервний маршрут без втрати даних, що передаються. [8]

Впровадження і обслуговування мереж MPLS більш уніфіковане і спрощене в порівнянні із звичайними IP-мережами завдяки використанню протоколів LDP і RSVP. [3] Перший з них призначений для автоматичного прокладення нових шляхів в MPLS-домені. Протокол RSVP дозволяє управляти розподілом пропускної спроможності між віртуальними каналами в мережі, забезпечуючи гарантований необхідний рівень якості обслуговування.

Моделювання мережі MPLS у OPNET

Модель, що побудовано в програмному пакеті, зображена на рис. 3

Для даної мережі виконані наступні дії: налаштоване обладнання й трафіка мережі, сконфігуровані модулі LSR, параметри FEC, створено два профілі для користувачів для перевірки мультисервісності мережі. Отримані результати,що зображені на рис. 4.

Рисунок 4.  — Результати моделювання

Напрями подальшої розробки

Створення методики моделювання проектування мультисервісних мереж для різних варіантів побудова мережі, виконання методичних вказівок по лабораторних роботах в середовищі моделювання OPNET для студентів спеціальності телекомунікаційні системи і мережі.

Висновки

У ході роботи було описані основні проблеми проектування мультисервісних мереж зв'язку, вибрані засоби імітаційного моделювання, зроблено огляд програмних продуктів і методів моделювання, на підставі аналізу як пакет, в якому виконуються подальші дослідження, обрано OPNET IT Guru Edition. Розглянуто приклад реалізації мультисервисной мережі на базі технології MPLS в даному пакеті.

Перелік використаної літератури:

1. Сичов К. І. Багатокритеріальне проектування мультисервісних мереж зв'язку/ К. І. Сичов/ / Телекомунікації.  — № 9.  — 2007.  — c.2-7.
2. Олвейн Вівек. Структура й реалізація сучасної технології MPLS.: Пер. з англ.  — Видавничий дім «Вільямс», 2004. — 480 c..
3. Клімов Д. А. Побудова мереж MPLS VPN. T-Comm: Телекомунікації й транспорт. №51, 2009. —с. 57-59.
4. Лукін І. А. Мультисервісні рішення  — основа побудови мереж. Вістник зв'язку. №4, 2005.  —с. 106-108
5. Навойцев В. В. Побудова мультисервісних мереж зв'язку на основі технологіі локальних і обчислювальних мереж. Вісті Петербурзького університету шляхів сполучення. № 2, 2008. — с. 119-128.
6. Захоплень М. Побудова віртуальних приватних мереж (VPN) на базі технології MPLS.  — М.: Ріверсайд Тауерз, 2004. —52 с.
7. Гольдштейн А. Б. Механізм ефективного тунелювання в мережі MPLS. Вістник зв'язку. № 2, 2004.
8. Гольдштейн А. Б., Гольдштейн Б. С. Технологія та протоколи MPLS. СПб.: БХВ., 2005. — 304 с.
9. Філімонов А. Ю. Побудова мультисервісних мереж Ethernet.  —CПб.: БХВ-Петербург, 2007. — 592 с.
10. Бабіна О. І. Порівняльний аналіз імітаційних та аналітичних моделей. Четверта всеросійська науково-практична конференція з імітаційного моделювання та його застосування в науці та промисловості «Імітаційне моделювання. Теорія та практика». Збірник доповідей. — 350 с.

 

Примітка

При написанні даного автореферату кваліфікаційна робота магістра ще не завершена. Дата закінчення роботи: 1 грудня 2010 р. Повний текст роботи та матеріали по темі можуть бути отримані у автора або його наукового керівника після вказаної дати