Автореферат
Введение
1 Актуальность темы
2 Связь работы с научными программами, планами, темами
3 Цели и задачи исследования
4 Предполагаемая научная новизна полученных результатов
5 Обзор разработок и исследований по теме
6. Описание полученных и планируемых результатов работы
6.1 Сеть связи следующего поколения
6.2 Существующие алгоритмы балансировки нагрузки
6.3 Разработка математической модели
6.4 Требования к задержкам
6.5 Критерий выбора канала связи
6.6 Алгоритм работы модели
6.7 Результаты моделирования
7 Направления и объекты дальнейших исследований
Выводы
Список используемой литературы
Примечания
ВВЕДЕНИЕ
- мультисервисность - передача различных типов данных вне зависимости от используемых транспортных технологий;
- динамичность - гибкое и динамическое изменение предоставляемой полосы передачи данных в зависимости от текущих потребностей пользователя;
- интеллектуальность - возможность управлением параметрами передачи данных без участия пользователя;
- многооператорность - возможность участия нескольких операторов в процессе предоставления услуг;
- масштабируемость - наращивание ёмкости сети без существенных изменений в топологии сети, системе управления и контроля.
На данном этапе развития телекоммуникационных сетей были сформированы рад требований, которым должна соответствовать современная сеть связи
Следует отметить, что существующие сети связи общего пользования с коммутацией каналов и коммутацией пакетов на данный момент не соответствуют перечисленным выше критериям. А следовательно это препятствует внедрению новых услуг. При этом прирост объемов и вариаций предоставляемых услуг связи может достаточно негативно сказаться на показателях качества обслуживания как уже существующий услуг так и сети в целом.
Все это вынуждает учитывать наличие мультимедийных услуг при планировании способов развития традиционных сетей связи в направлении создания сетей связи следующего поколения.
(к содержанию)
1 Актуальность темы
Современные мультисервисные сети операторов связи разворачиваются на всё больших территориях, интенсивно расширяют базу абонентов, запускают новые сервисы. В последнее время популярность завоёвывают интерактивные приложения, которые имеют отличные от традиционных услуг передачи данных требования к каналам связи. Это всё приводит к ужесточению требований к качеству обслуживания, и вынуждает пересмотреть существующие подходы к построению сети, принципы работы оборудования, а также внедрить новые методы контроля и управления сетью.
(к содержанию)
2 Связь работы с научными программами, планами, темами
Квалификационная работа магистра выполнена на протяжении 2010-2011 гг. согласно научным направлениям кафедры «Автоматики и телекоммуникации» Донецкого национального технического университета.
(к содержанию)
3 Цели и задачи исследования
3.1 Цели исследования
Целями данного исследования являлись изучение и анализ трафика в мультисервисных сетях, построение модели маршрутизатора с возможностью балансировки потоков данных и её исследование, а также разработка алгоритмов управления трафиком и выработка критерия оптимальности работы системы балансировки нагрузки на транспортную сеть.
3.2 Идея работы
Идеей работы является использование данных о типе трафика и характеристиках каналов связи при управлении потоками данных для оптимального распределения нагрузки на транспортную сеть при сохранении приемлемого качества обслуживания. А также использование полученной модели для выработки эффективного алгоритма управления (разработка критерия и выбор метода оптимизации)
3.3 Основные задачи исследования
Для реализации идеи и достижения цели магистерской работы поставлены и решаются следующие задачи:
- проанализировать методические и теоретические материалы по методам управления трафиком, методам оптимизации, для выбора наилучших;
- разработать собственную модель маршрутизатора для управления трафиком;
- разработать алгоритм балансировки трафика руководствуясь изученными теоретическими сведениями, выбранным математическим аппаратом и полученными результатами моделирования.
3.4. Предмет исследования
Предметом исследования является математическая модель маршрутизатора и разработанный на ее основе алгоритм балансировки трафиком
3.5. Объект исследования
Объектом исследования является характеристики качества обслуживания для разных видов трафика и параметры каналов связи
3.6. Методология и методы исследования
В данной работе для исследования маршрутизатора применялся метод математического моделирования
(к содержанию)
4 Предполагаемая научная новизна полученных результатов
Новизна магистерской работы заключается в следующем: повышается качество обслуживания в мультисервисной сети за счет выработки алгоритма динамического распределения нагрузки на каналы связи и их оценки текущего состояния.
(к содержанию)
5 Обзор разработок и исследований по теме
Вопрос создания методики балансировки нагрузки в мультисервисных телекоммуникационных сетях связан с обеспечением требований качества обслуживания. Этот вопрос рассматривается как отечественными, так и зарубежными учеными и специалистами. Предоставление абоненту услуг с заявленными параметрами качества рассматривались Олифер Н. Г., Семеновым Ю. А., Вишневским В.
Компании-производители телекоммуникационного оборудования CISCO Systems, Motorola, Nokia, Siemens Networks, Huawei Technologies и другие являются пионерами в области внедрения новых методик и механизмов регулирования качества услуг в телекоммуникационных сетях.
Вопросом обеспечения качества в мультисервисных сетях занимались такие иностранные специалисты: Шринивас Вагешн, П. Фергюсон, Д. Хейман и другие.
(к содержанию)
6 Описание полученных и планируемых результатов работы
Работа над этой темой началась с предварительного изучения требований к качеству обслуживания в мультисерсисных сетя, работы сетевых и транспортных протоколов передачи данных, анализа возможности управления потоками данных; рассмотрения концепции NGN (New Generation Network);
6.1 Сеть связи следующего поколения
Сеть связи следующего поколения (NGN – Next Generation Network) - это мультисервисная сеть связи, ядром которой является опорная IP-сеть, поддерживающая полную или частичную интеграцию услуг передачи речи, данных и мультимедиа. Реализует принцип конвергенции услуг электросвязи. Данная концепция построения сетей связи предусматривает обеспечение предоставления неограниченного набора услуг с гибкими возможностями по их управлению, персонализации и созданию новых услуг за счет унификации сетевых решений, предполагается реализация универсальной транспортной сети с распределенной коммутацией, вынесение функций предоставления услуг в оконечные сетевые узлы и интеграцию с традиционными сетями связи. Преимущества NGN сетей: Для оператора:
- построение одной универсальной сети;
- повышение доходности за счёт увеличения количества дополнительных мультимедийных услуг;
- оптимальное использование существующих ресурсов за счёт распределения нагрузки между узлами сети;
- возможность гибко изменять конфигурацию, наращивать мощности и модернизировать;
- более простые развёртывание и управление за счёт универсальности;
Для пользователя
- независимость от технологий передачи;
- гибкое варьирование набора, объема и качества предоставляемых услуг;
- мобильность получения услуг.
При любом числе пользователей сети ССП требуется решение задач по управлению трафиком. По своему замыслу данная сеть предполагает одновременное существование множества разнотипных потоков. Каждый из таких потоков требует безусловного соблюдения одних параметров передачи и допускает некоторые уступки по другим. Поэтому в периоды возникновения перегрузок сеть может для одного потока урезать полосу пропускания, для другого – увеличить время доставки, а для третьего, например, пренебречь целостностью передаваемых данных. Мультисервисная сеть должна обладать более сложной системой управления по сравнению с системами управления традиционными сетями. Она должна обеспечивать одновременное предоставление множества разнообразных сетевых услуг и передачу по сети разнотипного трафика. Для эффективного управления трафиком необходимо располагать соответствующими аппаратными и программными средствами, позволяющими быстро и гибко предоставлять пользователю любую услугу. В данной работе будет промоделирован процесс управления трафиком во внешние сети из данной, имеющей несколько способов доступа к внешнему миру.
6.2 Существующие алгоритмы балансировки нагрузки
Spillover (Алгоритм переполнения)
Один из каналов принимается за основной. Для этого канала определяется некоторе предельное значение негрузки. При достижении этой нагрузки за определённый период (10~600 секунд) начинает использоваться следующий канал связи. Как только загрузка основного канала упадет, новые сессии будут открываться на нем.
Пример применения этого алгоритма: запасной канал, более дорогой, используется в качестве дополнительного.
Weighted Round Robin (Циклический взвешенный алгоритм)
Определяется коэффициент загрузки для всех каналов. При этом соотношение определяется для количества сессий пользователей.
Например, отношение канал_1:канал_2 = 3:1. Это означает, что количество открытых сессий через каналы будет кратно 3:1 соответственно. При этом реальное распределение нагрузки (утилизация канала) не анализируется.
Least Load First (Правило менее загруженной очереди)
Данный алгоритм определяет загрузку исходящего потока, входящего и исходящего потока или входящего потока в текущий момент времени, а затем - утилизацию канала в соответствии с предельной пропускной способностью канала. Новая сессия открывается через менее загруженный канал.
Ни один из предложенных алгоритмов не использует данные о характере поступающей нагрузки. А так же, выбор маршрута определяется только по одному параметру - пропускной способности, следовательно не может контролировать качество передачи для каждого типа трафика.
6.3 Разработка математической модели
Объект моделирования представляет собой компьютерную сеть, в которой доступ к другим сетям (интернет, удалённые корпоративные сети) осуществляется посредством “пограничного маршрутизатора”. При этом используется несколько альтернативных маршрутов для связи с внешним миром. Задача маршрутизатора - оценив параметры каналов связи (загруженность канала, сквозные задержки) и характер трафика, выбрать наиболее выгодный вариант распределения нагрузки между направлениями при сохранении приемлемого качества обслуживания.
Каждый тип трафика характеризуется своими требованиями к параметрам каналов связи. Если голосовой трафик требователен к задержке и её отклонению, то передача данных - к искажениям и потерям пакетов. Поэтому для каждого типа передаваемых данных целесообразно ввести т.н. функцию полезности, которая служит оценкой приемлемости канала связи для передачи этого трафика в данный момент.
Для голосового трафика зависимость функции полезности u от доступной пропускной способности b будет иметь следующий вид (6.1)
(6.1)где, Bmin - минимальная пропускная способность необходимая для работы используемого кодека и протокола голосовой связи.
Передача видео в реальном времени подобна по своим характеристикам к передаче голоса, однако при использовании адаптивных методов кодирования и контроле джиттера задержки допускается значительное снижение пропускной способности. Аналитическое выражение функции полезности имеет следующий вид (3.2):
(6.2)
(6.3)
(6.1)
Рисунок 1. График зависимости функции полезности от пропускной способности для VoIP трафика.
Рисунок 2. График зависимости функции полезности от пропускной способности для IPTV трафика.
Рисунок 3. График зависимости функции полезности от пропускной способности для трафика передачи файлов.
6.4 Требования к задержкам
Значительное влияние на качество обслуживания оказывает задержка доставки данных. Также как и для пропускной способности, зависимость качества обслуживания от задержки у каждого типа трафика своя. Наиболее критичными к задержкам потоковая передача голоса и видео (особенно при использовании алгоритмов с большим коэффициентом сжатия). По рекомендации ITU-T G.114 для обеспечения качества голосовой связи выше среднего сквозная задержка должна быть меньше 400мс. Для передачи видео данных приемлемая задержка составляет 1000мс. Зависимость функции полезности от задержки в канале связи аналитически можно описать так (6.5):
(6.5)где,
(6.6)τmax - максимально допустимая задержка.
ε - отношение максимально допустимой задержки к минимальной.
График зависимости функции полезности от задержки приведен на рисунке 4.
Рисунок 4. График зависимости функции полезности от величины сквозной задержки для VoIP и IPTV.
Для передачи файлов задержка не столь критична, поэтому данный параметр для этого типа трафика не учитываем.
6.5 Критерий выбора канала связи
Выбора канала связи для поступающих данных будет осуществляться с учётом функций полезности, которые описаны выше. Оценка качества для каждого поступающего потока (сессии) оценивается критерием:
В проектируемой модели выбор канала связи осуществляется для которого Ксессии наибольшее. Оценка качества работы каждого канала в данный момент времени определяется как сумма оценок сессий:
(6.8)
(6.8)6.6 Алгоритм работы модели
Алгоритм работы модели приведен на рисунке 5:
Рисунок 5. Блок-схема работы модели балансировки нагрузки.
Работа алгоритма начинается с инициализации параметров моделируемой системы: а именно генерирутся случайные последовательности для сессий инициируемых пользователями (тип передаваемых данных, продолжительность передачи), генерируются случайные последовательности для состояния каналов связи (сквозные задержки и их СКО, потери, отказы в работе). Далее производится расчёт предложенного критерия, исходя из значения которого оценивается работа системы. Если оценка системы неудовлетворительна, то производится дальнейшая оптимизация конфигурации системы.
Предложенная модель была реализованна в среде программирования MatLab (исходный код программы версии 0.1b)
6.7 Результаты моделирования
Результатом работы предложенной модели стали зависимости загруженности каналов связи от времени (рис. 6), суммарное значение отброшенных сессий и суммарное значение результирующего критерия. В среднем значение критерия при использовании предложенного алгоритма выше на 7,5%.
Рисунок 6. Результат работы модели балансировки нагрузки.
На рисунке зеленый и синий графики означают текущую загруженность 1-го и 2-го каналов связи, красный - отброшенный (игнорируемый) на данный момент трафик.
(к содержанию)
7 Направления и объекты дальнейших исследований
В дальнейшем планируется разработать математическую модель с использованием стохастических методов оптимизации (метод муравьиных колоний, метод нейронных сетей), сравнить предложенные методы и выбрать оптимальный
Также одним из направлений исследования есть дополнение критерия оптимизации, для учёта большего числа параметров трафика и каналов связи, что позволит построить более гибкую систему балансировки нагрузки.
Еще одним немаловажным этапом работы будет разработка технико-экономического критерия оптимизации работы системы на основе уже созданного.
(к содержанию)
ВЫВОДЫ
В ходе выполнения работы были проанализированы методические и теоретические материалы по методам управления трафиком, методам оптимизации.
Предложен формализированный критерий выбора канала связи на основе его параметров и характеристик трафика. Разработан базовый алгоритм функционирования методики балансировки, основанный на предложенном критерии.
Определены направления дальнейших исследований, направленные на адаптацию разрабатываемой методики к практическому применению в условиях реально существующих мультисервисных телекоммуникационных сетей.
(к содержанию)
Список использованной литературы
1. Крылов В.В. Теория телетрафика и ее приложения./ В.В. Крылов, С.С. Самохвалова. – СПб.: БХВ-Петербург. –2005. – 288 c
2. Vegesna S. IP Quality of Service./ Srinivas Vegesna. – Cisco Press. – 2001. – 368 p
3. Норенков И.П. Основы автоматизированного проектирования: Учеб. для вузов./ И.П.Норенков – М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2000. –360 с.
4. ITU-T Recommendation Y.1540/Y.1541. Network perfomance objectives for IP-based services. Geneva: International Telecommunication Union.[Электронный ресурс] – 2006./ - Режим доступа к статье: http://www.itu.int/rec/dologin~type=items
5. Олифер Н., Олифер В. Базовые технологии локальных сетей./Н.Олифер, В.Олифер – Центр Информационных Технологий, 1999
6. Семенов Ю.А. Telecommunication technologies - телекоммуникационные технологии (v3.3, 10 мая 2010 года) [Электронный ресурс]/Ю.А. Семенов./ - Режим доступа к статье: http://book.itep.ru
7. Type of Service in the Internet Protocol Suite; RFC-1349, July 1992 [Электронный ресурс]/P. Almquist./ - Режим доступа к статье: http://www.ietf.org/rfc/rfc1349.txt
8. Definition of the Differentiated Services Field (DS Field)in the IPv4 and IPv6 Headers; RFC-2474, December 1998 [Электронный ресурс]/K. Nichols./ - Режим доступа к статье: http://www.ietf.org/rfc/rfc2474.txt
9. Internet Protocol, Version 6 (IPv6); RFC-1883, December 1995 [Электронный ресурс]/S. Deering, R. Hinden./ - Режим доступа к статье: http://www.ietf.org/rfc/rfc1883.txt
10. Internet Protocol, Version 6 (IPv6); RFC-2460, December 1998 [Электронный ресурс]/S. Deering, R. Hinden./ - Режим доступа к статье: http://www.ietf.org/rfc/rfc2460.txt
(к содержанию)
Примечание
При написании данного автореферата квалификационная работа магистра еще не завершена. Дата окончательного завершения работы: 1 декабря 2011 г. Полный текст работы и материалы по теме работы могут быть получены у автора или его научного руководителя после указанной даты.
(к содержанию)