Магистр ДонНТУ Орехов Алексей Александрович

Автореферат

ВСТУП
1 Актуальність теми
2 Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами
3 Мета і завдання дослідження
4 Передбачувана наукова новизна отриманих результатів
5 Огляд розробок і досліджень за темою
6. Опис отриманих і запланованих результатів роботи
6.1 Мережа зв'язку наступного покоління
6.2 Існуючі алгоритми балансування навантаження
6.3 Розробка математичної моделі
6.4 Вимоги до затримок
6.5 Критерій вибору каналу зв'язку
6.6 Алгоритм роботи моделі
6.7 Результати моделювання
7 Напрями та об'єкти подальших досліджень
ВИСНОВКИ
Список використаної літератури
Примітки

ВСТУП

Слід зазначити, що існуючі мережі зв'язку загального користування з комутацією каналів і комутацією пакетів на даний момент не відповідають перерахованим вище критеріям. А отже це перешкоджає впровадженню нових послуг. При цьому приріст обсягів і варіацій надаваних послуг зв'язку може досить негативно позначитися на показниках якості обслуговування як вже існуючий послуг так і мережі в цілому.

Все це змушує враховувати наявність мультимедійних послуг при плануванні способів розвитку традиційних мереж зв'язку в напрямку створення мереж зв'язку наступного покоління.
(до змісту)


1 Актуальність теми

Сучасні мультисервісні мережі операторів зв'язку розгортаються на все більших територіях, інтенсивно розширюють базу абонентів, запускають нові сервіси. Останнім часом популярність завойовують інтерактивні програми, які мають відмінні від традиційних послуг передачі даних вимоги до каналів зв'язку. Це все призводить до посилення вимог до якості обслуговування, і змушує переглянути існуючі підходи до побудови мережі, принципи роботи устаткування, а також впровадити нові методи контролю і управління мережею.
(до змісту)


2 Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами

Кваліфікаційна робота магістра виконана протягом 2010-2011 рр.. згідно з науковими напрямками кафедри «Автоматика і телекомунікації" Донецького національного технічного університету.
(до змісту)


3 Мета і завдання дослідження

3.1 Цілі дослідження

Цілями даного дослідження були вивчення та аналіз трафіку у мультисервісних мережах, побудова моделі маршрутизатора з можливістю балансування потоків даних та її дослідження, а також розробка алгоритмів керування трафіком і вироблення критерію оптимальності роботи системи балансування навантаження у транспортній мережі.

3.2 Ідея роботи

Ідеєю роботи є використання даних про тип трафіку і характеристик каналів зв'язку при управлінні потоками даних для оптимального розподілу навантаження на транспортну мережу при збереженні прийнятної якості обслуговування. А також використання отриманої моделі для вироблення ефективного алгоритму управління (розробка критерію і вибір методу оптимізації).

3.3 Основні завдання дослідження

Для реалізації ідеї та досягнення мети магістерської роботи поставлені і вирішуються такі завдання:

3.4. Предмет дослідження

Предметом дослідження є математична модель маршрутизатора і розроблений на її основі алгоритм балансування трафіку

3.5. Об'єкт дослідження

Об'єктом дослідження є характеристики якості обслуговування для різних видів трафіку та параметри каналів зв'язку.

3.6. Методологія і методи дослідження

У даній роботі для дослідження маршрутизатора застосовувався метод математичного моделювання.
(до змісту)


4 Передбачувана наукова новизна отриманих результатів

Новизна магістерської роботи полягає в наступному: підвищується якість обслуговування в мультисервісної мережі за рахунок вироблення алгоритму динамічного розподілу навантаження на канали зв'язку та їх оцінки поточного стану, підвищуєтсья ефективність використання наявних ресурсів мережі.
(до змісту)


5 Огляд розробок і досліджень по темі

Питання створення методики балансування навантаження в мультисервісних телекомунікаційних мережах пов'язаний із забезпеченням вимог якості обслуговування. Це питання розглядається як вітчизняними, так і зарубіжними вченими та фахівцями. Надання абоненту послуг із заявленими параметрами якості розглядалися Оліфер Н. Г., Семеновим Ю. А., Вишневським В.

Компанії-виробники телекомунікаційного обладнання CISCO Systems, Motorola, Nokia, Siemens Networks, Huawei Technologies та інші є піонерами в області впровадження нових методик та механізмів регулювання якості послуг у телекомунікаційних мережах.

Питанням забезпечення якості в мультисервісних мережах займалися такі іноземні фахівці: Шрініваса Вагешн, П. Фергюсон, Д. Хейман та інші.
(до змісту)


6 Опис отриманих і планованих результатів роботи

Робота над цією темою розпочалася з попереднього вивчення вимог до якості обслуговування в мультісерсісних мереж, роботи мережевих і транспортних протоколів передачі даних, аналізу можливості управління потоками даних; розгляду концепції NGN (New Generation Network);

6.1 Мережа зв'язку наступного покоління

Мережа зв'язку наступного покоління (NGN - Next Generation Network) - це мультисервісна мережа зв'язку, ядром якої є опорна IP-мережа, що підтримує повну або часткову інтеграцію послуг передачі голосу, даних і мультимедіа. Реалізує принцип конвергенції послуг електрозв'язку. Дана концепція побудови мереж зв'язку передбачає забезпечення надання необмеженого набору послуг з гнучкими можливостями по їх управління, персоналізації і створенню нових послуг за рахунок уніфікації мережевих рішень, передбачається реалізація універсальної транспортної мережі з розподіленою комутацією, винесення функцій надання послуг в крайові мережеві вузли та інтеграцію з традиційними мережами зв'язку. Переваги NGN мереж: Для оператора:

Для користувача

При будь-якому числі користувачів мережі ССП потрібно рішення задач з управління трафіком. За своїм задумом дана мережа передбачає одночасне існування безлічі різнотипних потоків. Кожен з таких потоків вимагає безумовного дотримання одних параметрів передачі і допускає деякі поступки по інших. Тому в періоди виникнення перевантажень мережа може для одного потоку урізати смугу пропускання, для іншого - збільшити час доставки, а для третього, наприклад, знехтувати цілісністю переданих даних. Мультисервісна мережа повинна мати більш складну систему управління порівняно з системами управління традиційними мережами. Вона повинна забезпечувати одночасне надання безлічі різноманітних мережевих послуг і передачу по мережі різнотипного трафіку. Для ефективного управління трафіком необхідно мати відповідні апаратні та програмні засобами, що дозволяють швидко і гнучко надавати користувачеві будь-яку послугу. У даній роботі буде промодельований процес управління трафіком в зовнішні мережі з даної, що має декілька способів доступу до зовнішнього світу.

6.2 Існуючі алгоритми балансування навантаження

Spillover (Алгоритм переповнення)
Один з каналів приймається за основний. Для цього каналу визначається некоторе граничне значення негрузкі. При досягненні цього навантаження за певний період (10 ~ 600 секунд) починає використовуватися наступний канал зв'язку. Як тільки завантаження основного каналу впаде, нові сесії будуть відкриватися на ньому. Приклад застосування цього алгоритму: запасний канал, більш дорогий, використовується в якості додаткового.

Weighted Round Robin (Циклічний зважений алгоритм)
Визначається коефіцієнт завантаження для всіх каналів. При цьому співвідношення визначається для кількості сесій користувачів. Наприклад, відношення канал_1: канал_2 = 3:1. Це означає, що кількість відкритих сесій через канали буде кратно 3:1 відповідно. При цьому реальний розподіл навантаження (утилізація каналу) не аналізується.

Least Load First (Правило менш завантаженою черги)
Даний алгоритм визначає завантаження вихідного потоку, вхідного і вихідного потоку або вхідного потоку в поточний момент часу, а потім - утилізацію каналу відповідно до граничної пропускної здатністі каналу. Нова сесія відкривається через менш завантажений канал.

Жоден із запропонованих алгоритмів не використовує дані про характер навантаження, що надходить. А так само, вибір маршруту визначається тільки по одному параметру - пропускної здатності, отже не може контролювати якість передачі для кожного типу трафіку.

6.3 Розробка математичної моделі

Об'єкт моделювання являє собою комп'ютерну мережу, в якій доступ до інших мереж (інтернет, віддалені корпоративні мережі) здійснюється за допомогою "прикордонного маршрутизатора". При цьому використовується кілька альтернативних маршрутів для зв'язку із зовнішнім світом. Завдання маршрутизатора - оцінивши параметри каналів зв'язку (завантаженість каналу, наскрізні затримки) і характер трафіка, вибрати найбільш вигідний варіант розподілу навантаження між напрямками при збереженні прийнятної якості обслуговування.

Кожен тип трафіку характеризується своїми вимогами до параметрів каналів зв'язку. Якщо голосовий трафік вимогливий до затримки і її відхилення, то передача даних - до спотворень і втрат пакетів. Тому для кожного типу переданих даних доцільно ввести т.з. функцію корисності, яка служить оцінкою прийнятності каналу зв'язку для передачі цього трафіку в даний момент. Для голосового трафіку залежність функції корисності u від доступної пропускної здатності b буде мати наступний вигляд (6.1)

Функціі корисності від пропускної здатності для VoIP трафіка (6.1)

де, Bmin - мінімальна пропускна здатність необхідна для роботи використовуваного кодека і протоколу голосового зв'язку.

Передача відео в реальному часі подібна за своїми характеристиками до передачі голосу, однак при використанні адаптивних методів кодування і контролю джитера затримки допускається значне зниження пропускної здатності. Аналітичний вираз функції корисності має такий вигляд (3.2):

Функціі корисності від пропускної здатності для IPTV трафіка (6.2)
(6.2) де,
(6.3)
(6.3) Bmax - максимально необхідна пропускна здатність. ε - відношення максимально необхідної пропускної здатності до мінімальної.

Найменш вимогливою до смуги пропускання є передача даних (пердач файлів, електронна пошта і т.д.). Функція корисності для даного типу трафіку виглядає так (6.4):
Функціі корисності від пропускної здатності для передачі файлів (6.1)
(6.4) Графіки залежностей функцій корисності для різних типів трафіку від пропускної здатності наведено на рис. 1, рис. 2 і рис. 3.
Графік функції корисності від пропускної здатності для голосового трафіку

Рисунок 1. Графік залежності функції корисності від пропускної здатності для VoIP трафіку.

Графік функції корисності від пропускної здатності для IPTV трафіку

Рисунок 2. Графік залежності функції корисності від пропускної здатності для IPTV трафіку.

Графік функції корисності від пропускної здатності для передачі файлів

Рисунок 3. Графік залежності функції корисності від пропускної здатності для трафіку передачі файлів.

6.4 Вимоги до затримок

Значний вплив на якість обслуговування надає затримка доставки даних. Також як і для пропускної здатності, залежність якості обслуговування від затримки у кожного типу трафіку своя. Найбільш критичними до затримок потокова передача голосу і відео (особливо при використанні алгоритмів з великим коефіцієнтом стиснення). За рекомендацією ITU-T G.114 для забезпечення якості голосового зв'язку вище середнього наскрізна затримка повинна бути менше 400мс. Для передачі відео даних прийнятна затримка становить 1000мс. Залежність функції корисності від затримки в каналі зв'язку аналітично можна описати так (6.5):

Функціі корисності від затримки для VoIP трафіка (6.5)

де,

(6.6)
(3.6)

τmax - максимально допустима затримка.
ε - відношення максимально допустимої затримки до мінімальної.
Графік залежності функції корисності від затримки наведено на рисунку 4.

Графік функції корисності від затримки для VoIP трафіку

Рисунок 4. Графік залежності функції корисності від величини наскрізний затримки для VoIP та IPTV.

Для передачі файлів затримка не така критична, тому даний параметр для цього типу трафіку не враховуємо.

6.5 Критерій вибору каналу зв'язку

Вибору каналу зв'язку для вступників даних буде здійснюватися з урахуванням функцій корисності, які описані вище. Оцінка якості для кожного вступника потоку (сесії) оцінюється критерієм:

Ксессіі = Ub (b) Uτ (τ) (6.7)

У проектованої моделі вибір каналу зв'язку здійснюється для якого Ксессіі найбільше. Оцінка якості роботи кожного каналу в даний момент часу визначається як сума оцінок сесій:

Крітерій оцінки качаства роботи канала (6.8)
Оцінка роботи всієї системи в цілому (результуючий):
Крітерій оцінки качаства роботи системи в целом (6.8)

6.6 Алгоритм роботи моделі

Алгоритм роботи моделі наведено на рисунку 5:

Блок-схема роботи моделі балансування навантаження

Рисунок 5. Блок-схема роботи моделі балансування навантаження.

Робота алгоритму починається з ініціалізації параметрів модельованої системи: а саме генерірутся випадкові послідовності для сесій ініційованих користувачами (тип переданих даних, тривалість передачі), генеруються випадкові послідовності для стану каналів зв'язку (наскрізні затримки та їх СКО, втрати, відмови в роботі). Далі проводиться розрахунок запропонованого критерію, виходячи із значення якого оцінюється робота системи. Якщо оцінка системи незадовільна, то проводиться подальша оптимізація конфігурації системи.

Запропонована модель була реалізована в середовищі програмування MatLab ( вихідний код програми версії 0.1b )

6.7 Результати моделювання

Результатом роботи запропонованої моделі стали залежності завантаженості каналів зв'язку від часу (рис. 6), сумарне значення об'єму трафику відкинутих сесій і сумарне значення результуючого критерію. У середньому значення критерію при використанні запропонованого алгоритму вище на 7,5%.

Результат роботи моделі балансування навантаження

Рисунок 6. Результат роботи моделі балансування навантаження.

На рисунку зелений і синій графіки означають поточну завантаженість 1-го і 2-го каналів зв'язку, червоний - відкинутий (ігнорований) на даний момент трафік.
(до змісту)


7 Напрями та об'єкти подальших досліджень

Надалі планується розробити математичну модель з використанням стохастичних методів оптимізації (метод мурашиних колоній, метод нейронних мереж), порівняти запропоновані методи і вибрати оптимальний. Також одним із напрямків дослідження є доповнення критерію оптимізації, для врахування більшого числа параметрів трафіку і каналів зв'язку, що дозволить побудувати більш гнучку систему балансування навантаження. Ще одним важливим етапом роботи буде розробка техніко-економічного критерію оптимізації роботи системи на основі вже створеного.
(до змісту)


ВИСНОВКИ

У ході виконання роботи було проаналізовано методичні та теоретичні матеріали щодо методів управління трафіком, методів оптимізації. Запропоновано формалізований критерій вибору каналу зв'язку на основі його параметрів і характеристик трафіку. Розроблено базовий алгоритм функціонування методики балансування, заснований на запропонованому критерії. Визначено напрямки подальших досліджень, спрямовані на адаптацію розробляється методики до практичного застосування в умовах реально існуючих мультисервісних телекомунікаційних мереж.
(до змісту)


Список використаної літератури

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
(до змісту)


Примітка

При написанні даного автореферату кваліфікаційна робота магістра ще не завершена. Дата остаточного завершення роботи: 1 грудня 2011р. Повний текст роботи та матеріали за темою роботи можуть бути отримані у автора або його наукового керівника після зазначеної дати.
(до змісту)