автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.14, диссертация на тему:Анализ механизмов управления потоками и методов распределения ресурсов в широкополосных цифровых сетях интегрального обслуживания

На правах рукописи

АНАЛИЗ МЕХАНИЗМОВ УПРАВЛЕНИЯ ПОТОКАМИ И МЕТОДОВ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ РЕСУРСОВ В ШИРОКОПОЛОСНЫХ ЦИФРОВЫХ СЕТЯХ ИНТЕГРАЛЬНОГО ОБСЛУЖИВАНИЯ

Специальность 05.12.14 — Сети, узлы связи и распределение информации

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

САНКТ-ПЕТЕРБУРГ 1996

Работа выполнена в Санкт-Петербургском государственном университете телекоммуникаций им. проф. М. А. Бояч-Бруевича

Научный руководитель — д. т. н., проф. Г. Г. ЯНОВСКИЙ

Официальные оппоненты: д. т. п., проф. Б. С. ГОЛЬДЩТЕИН, к. т. ,н„ доц. В. Д. САФРОНОВ

Ведущее предприятие — Самкт-Петарбургский государственный университет путей, сообщения

За итога состоится <Р<М. ». . . 199"^ г.

в час. на заседании диесертащшнного совета К 118.01.01 при

Санкт-Петербургском государственном университете телекоммуникаций мм. проф. М. А. Бсич-Бруевича по адресу: 191186, Санкт-Петербург, наб. реки Мойки, 61.

С диасертацией можно ознакомиться в библиотеке университета.

Отзыв .на автореферат в двух экземпля^рах, заверенный печатью учреждения, просим направлять по вышеуказаяному адресу на имя учедого секретаря диссертационного совета.

Автореферат разослан «....» . . .... 1996 г.

Ученый секретарь специализированного совета к. т. «., доцент

' X. ХАРИТОНОВ

Подписано к печати 28.11.96 г. ЛР 020475 от 10.03.92 г. Объем 1 печ. л. Тираж 60 экз. За,к. 449.

Тип. СПбГУТ. 198320, СПб, ул. Свободы, 31

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. В настоящее время во многих странах проводятся исследования и экспериментальная проверка принципов проектирования, построения и эксплуатации широкополосных цифровых сетей интегрального обслуживания (ШЦСПО).

Главными свойствами, характеризующими ШЦСИО п соответсвни с рекомендациями ITU-T (International Telecommunications Union - Telecommunications Standartization Sector), являются: поддержание широкого диапазона служб, включающих речевые службы, передачу данных, текстов и изображений в одной сети, и использование ограниченного числа многоцелевых интерфейсов "пользователь-сеть". Наиболее важным положением рекомендаций по ШЦСИО с точки зрения создания технических средств для транспортировки информации является введение Асинхронного Режима Доставки (Asynchronous Transfer Mods, ATM), кап. основного механизма ШЦСИО, определяющего процессы выше физического уровня до сетевого уровня включительно.

Технология ATM базируется на принципе асинхронного временного разделения ресурсов, при котором множество виртуальных соединений с различными скоростями передачи а существенно отличающимися характеристиками информационных потоков асинхронно мультиплексируются в едином, физическом канале связи. В качестве протокольной единицы ATM пспользуются короткий пикет фиксированной длины, нз-додемый ячейкой (cdF) игги пакетом ATM .

Применен«« технологии перздгчй и коммутаций на метода Д'ГМ определяет ряд новых задач, в тон числе н а области управления сетями. Решение этих задач требует разработки методов, протоколов и алгоритмов динамического распределения ресурсов между различны га службами и создания моделей для оценки соответствующих вероятн-оепп-временных характеристик (ВВХ).

Недостаточная степень научной проработки ряда вопросов по принципам построения ШЦСИО находит свое отражение в документах ITU-T, где, в частности, определены наиболее актуальные вопросы, требующие дальнейшего изучения. В число этих вопросов входят динамическое управление трафиком, bopuGa с перегрузками, а также методы распределения ресурсов в реальном масштабе времени. В ряде работ рассматривались вопросы эффгктмвности рамичных методов и алгоритмов динамического управления, таких, как управление входящим потоком, ограничение нагрузки, статическое и динамическое распределение канальных и коммутационных ресурсов, (Т.П.Захаров, В.Г. Лазарев, Г.Г. Яновский, Л. Клейнрок, М. Шварц и др). Однако, целый ряд вопросов, связанных с возможностью применения предложенных алгоритмов в сетях ATM, их сравнительный анализ и определение условий их наиболее эффективного использования, остаются открытыми. В данной работе решается часть перечисленных пыше зада"?, чго и определяет ее актуальность.

Цепь работы и задачи исследования Целью диссертационной работы является сравнительный анализ схем управления потоками, исследование возможностей применения методов распределения ресурсов в сетях ATM, а также разработка новых методов управления для таких сетей. Пост*аленная цель обусловила необходимость решения основных задач, перечисленных ниже;

• детальный анализ механизмов управления потоками в сетях ATM,

етрздглакиых Рекомендюигй ITU-T L371,

- сравнительный анализ двух широко распространенных механизмов управления входящим потоком • Статического Leaky Bucket (C-LB) и Диншиеского Leaky Bucket (Д-LB);

- разработка ряда новых механизмов управления входящим потохом,

учитьваощнх спсцифжу фунирюгафования сетей ATM;

исследование ВВХ различных методов распределения ресурсов с

учетом классов трафика ATM

Методы исследования. Решение поставленных задач осуществлялось на Сазе теории вероятностей, теории массового обслуживания, теории сетей очередей, исследования оперший.

Научная новизна и основные результаты работы.

1. Получены сравнительные оценки основных ВВХ - вероятности блокировки контрольного буфера и средней задержки пакетов для методов C-LB иД-LB.

2. Предложен новый механизм управления входящим потоком, основанный на изменении частоты дискретизации источника в зависимости or состояния контрольного буфера (multi-sampling techniques). Получена рекуррентная формула для расчета емкости контрольного буфера предложенной схемы управления входящим потоком.

3. Предложен алгоритм определения необходимого суммарного сетевого ресурса для трафика двух типов - с неопределимой скоростью перьдачи (TJBR - unspecified bit rate traffic) и доступной скоростью передачи (ЛВК - available bit rate traffic).

4. Проведено детальное исследование и срэвнение по ВВХ различных методов распределения ресурсов (РР), таких, kik полное статическое и динамическое РГ, частичное РР, полное РР с ограничением на длину очереди, частичное РР с учетом приоритетов

5. Предложен алгоритм параллельного занятия ресурсов на фгзе установления соединения являющийся развитием известною алгоритма, используемого в системе ОКС#7. Показано, что применение алгоритма позволяет уменьшить время, необходимое для установления соедн ней«.

_j_

Практическая ценность работы. Разработанные а диссертации методы управления потоками и борьбы с перегрузками позволяют увеличить эффективность использования ресурсов сетей ATM. Предложенные модели лля оценки ВВХ дают возможность определить параметры схем управления потоками и распределения ресурсов, которые могут вмгь ¡кпользованы при решении задет проектирования ШДСИО.

Основные положения, выносимые на защиту.

Алгоритм управления входящим готском, основанный на изменении частоты дискретизации источника; алгоритм обеспечивает повышение эффективности использования канальных ресурсов для источников с ифешяюй к неопределенной скоростями передачи;

- Алгоритм определения суммарного необходимого канального ресурса для трафика двух классов - с неопределенной и доступной скоростями передачи;

- Алгоритм параллельного занятия сетевых ресурсов в сети ATM на фазе установления соединения, позволяющий уменьшить время установления соединения по сравнению с соответствующим алгоритмом системы ОКС#7;

- Аналитические модели методов управления входящим потоком к распределения сетевых ресурсов, позволяйте оценить эффективность известных методов и провести сравнение этих методов с предложенными в диссертационной работе.

Апробация результатов работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались на научно-технической конференции профессорско-преподавательского состава СПб. Госуниверситет» Телекоммуникаций (1995 г.), на Международном семинаре по телетрафике (Санкт-Петербург, 1995 г.), на Международной конференции по программированию и его применению /Львов. Украина, 1995

г.), на Международной конференции ШЕЕ по системам связи и цифровой обработке сигналов (Сингапур, 1996 г.)..

Публикации. До результатам проведенных исследований опубликован шастыкяггных работ.

Личный вклад автора. Основные научные положения, теоретические выводы и рекомендации, содержащиеся в диссертационной работе, получены автором самостоятеа>но.

Структура и обьви работы. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения и списка литературы. Работа сдержит lío спаниц машинописного текста, 49 рисунков и 5 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы исследования, сформулированы цели и задачи работы, перечислены основные результаты диссертации, определены практическая ценность и область применения результатов, приведены сведения об апробации работы и представлены основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе диссертации детально рассматриваются общие принципы построения ШЦСИО, их зволюция, дается характеристика архитектуры процессов и соответствующих протоколов в новых сетях, рассматриваются проблемы эволюции от У-ЦСЯО к Ш-ЦСИО, описываются принципы асинхронного мультиплексирования, дается детальная характеристика методов управления потоками. Рассматрив-

¡... гея принципы кета-сигнализации, архитектура и характеристики ко-нмуто1Ионных систем на базе ATM.

60 второй главе дается сравнительный анализ механизмов статического и динамического ограничения входного потока основанного на алгоритме Leaky Bucket (LB). В число основных ВВХ, оценивающих механизм LB н исследованных в работе, входят вероятность блокировки пакетов Р„ и время задержки пакета. Для получения основных ВВХ был использован аппарат потоковой аппроксимаций (fluid flow approximation). Для схемы Стоического LB Р определяется выражением:

где - 1/(1) (Ь-а ,), Я2=1Ла , = ——1—— и Х>-1 •

' (Л-<«!+«;)) да,

Ь-пиковая скорость источника,

Ь-джгельность гожа,

к- длительность периода ижшыюста,

а = а, + »2 - скорость передачи,-определяемая пропускной способностью канала

М- емкость контрольного буфера и Е-емкость вторичного контрольного буф^к.

Динамический Ш отличается от статического LB тем, что скорость генерации разрешающих импульсов (кредитов) зависит от актшиюагй источника. Например кредиты генерируются со скодаоыо > период

активности и ^в период неактивности. Средняя скорость .-генерации

кредитов равна ГЛк

Тогда нагрузка системы определяется; ¿Ь 'Л Вероятность блокировки пакетов Р„ для схемы динамического ЬВ имеет вид:

рв =

1 _ ~ 1 + у ~ г1 ~ РЧ ! ^

г Р^,

ХШ + Х)

где X определяется выражением:

А =

>^(1 - />0 ) + ~ ) «-О-ГХр, " Г)

(3)

Ь-число генерируемых пакетов в период активности, К-еыкость буффа. Средняя длина очереди в буфере гадзздглягтея выражением:

К О

Задержка в буффе оределягтея кяс

(5)

На рисунках 1-3 представлено сравнение ВВХ для статического и динамического ив.

s

Рис.1. Зшвшюль "в от h.

P/tc.2. Зависимость

Рд от Ь.

м

Рис.3. Зависимость средней задержки от М

В результате сравнения двух механизмов статического ЬВ и динамического 1ЛЗ получены оценки выигрыша по вероятности ошибки и средней задержке при использовании динамического 1В.

В этой же главе описан новый механизм управления входящим потоком, который основан на изменении частоты дискретизации источника в зависимости от состояния контрольного буфера. Получена рекуррентная формула на базе дискретного преобразование Фурье. Эта формула может быть использована для оценки емкости контрольного буфера.

Предложен новый алгоритм определения необходимых канальных ресурсов для трафика двух типов: с неопределенной скоростью передачи (иВЯ), и с доступной скоростью Передачи (АВЛ), позволяющий получить оценку необходимой пропускной способности на выходе мультиплексора доступа при поступлении потоков от источников с неопределенными скоростями передачи

Получены также оценки вариации межконцевой средней эадеожки * тракте АТМ с несколькими транзиими.

Основной задачей третьей главы диссертации является исследование различных методов распределения ресурсов. Проведено детальное исследованием сравнение по ВВХ различных методов распределения ресурсов (РР). таких, как полное статическое и динамическое РР, частичное РР, полное РР с ограничением на длину очереди, частичное РР с учетом приоритетов. Для оценки ВВХ бьши использованы результаты теории замкнутых сетей очередей.

Для всех указанных моделей получены оценки основных ВВХ, таких как вероятность блокировки Рв и средняя задержка пакета в узле доступа сети ATM (мултиплексор доступа или первая станция). Приведем некоторые для результаты схемы статического разделения ресурсов. При условии, что на вход узла доступа поступает трафик

класса i, средняя длина очереди в узле доступа л,- для механизма полного динамического ресурсов без ограничения (ПДР-БО), определена как:

'J±\\-p?-n)Gln)

N р.

П/ № = 2 r,p{ni = /?) = ~- •-J,--(5)

й=1 yi V

где Ы- число 'часшых ресурсов,на которые делится общий ресурс, 0(п)-сетесне коиетатьт, опрсд-змзьше иг осаоьз теории замкнутых сетей

очередей.

Требуемый оесурс пропускаем способности для каждого класса <

У* Л I г

<?)

Коэффициент использования ресурса равен: Время задержки:

г'= гГк 'рдЩ (9)

Также были получены формулы дляВВХ в систем ПДР с ограничением (ПДР-СО). На рис.4 приведены результаты расчетов для систем ПДР-БОиПДР-СО

г№

о 01 о.г о.г о.4 о.5 е е о.7 о.в 1

Р

РнсД Знаисимость г,/'0 от р

Р

Рис.5. Зависимость Рд от р для методов ПДР-БО и ПСР

В диссертации также проведен анализ и получены выражения для ВВХ остальных систем разделения ресурсов. На рис.3, 6 приведены результаты численных расчетов вероятности блокировки для методов ПДР-БО и полного статического разделения (ПСР).

р

Рис.6. Зписиность Рд от р

Далее в главе 3 описывается модификация механизма сигнализации, основанная на параллельной подаче управляющей инфврнации по всем узлам сети ATM. Получены основнц; ВЬХ для предложенного метода и проведено сравнение с известным методой CS #7. Ре»ультаты сравнения представлены на рнс.7

число вызовов Рис.7. Занятость вреияи зкдердки от число вызоаоа

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Исследований выполненные в диссертационной работе, позволяют сфорыуяирозпь следующие осшшыевыводы и результат

- Проведен сравнительный анализ схем статического и динамического ЬВ н показано, что динамический ЬВ обеспечивает лучшие ВВХ (вврояшость блокировки и среднее время задержки) по сравнению со статическим ЬВ. Полученные оценки ВВХ позволяют определить эффективность применения того или иного алгоритма в сетях ШЦСЙО в зсг.иажосш и поргк'Лроа трагик».

- Предложен новый механизм управления входящим потоком (multi-sampling techniques) для сетей ATM, учитывающий состояние буфера схемы контроля числа пакетов, поступающих на вход сети. Соответствующая аналитическая модель используется для расчета характеристики схемы контроля и может применяться при гфоеиировании ШИСИО.

- Введение новых классов трафика - с неопределенной скоростью передачи (UBR) и доступной скоростью передачи (AHR), требует новых подходов к решению задачи распределения ресурсов в сетях ATM. В диссертации предложен метод определения необходимого суммарного ресурса доя трафика ухазкзых классов.

- Проведен детальный анялиз методов распределения ресурсов применительно к задаче управления ресурсами в сетях ATM. Полученные оцйнки основных ВВХ позволяют выбрать соответствующий метод в ззкисимости от параметров график» и крактерисг.к cent

ПУБЛИКАЦИИ

1. Плея Б.М. Механизмы управления перегрузкой в ШЦСИО //48 НТК: Тез. Докл. /СПбГУТ. - СПб, 1995.

2. NIeya В.М, Yanaovsky G.G. Static and dynamic Leaky Bucket mechanisms: Performance comparisons II Proceedings of the FTC's St Petersburg Internationa! Tdetraffic Seminar "Mew Telecommunication Services for Dsvelcpy^g Networks", 25 June- 2 July 1995. - St Petersburg, 1995. - p. 324-332.

3 NIeya В. M, Yannovsky G.G. Services end trails policing mechanisms in B-ISDN networks //Pre-print IC/95/348, UNESCO IntenvdionsI Certire for Thacretkd Physics. -Miranare-Trieste, Italy, 1995-17p.

4. N.eya B. M. Software algorithms for traffic control in ATM networks //Proceedings of the EE-Lyvov Polytechnic Conference on software tools and applications.- Lyvov Polytechnic, Ukraine. 18-20 September t995. - Lyvov, Ukraine, 1995. - pp. 129-141.

5. Nleya B.M. A Non-cell discarding traffic control algorithm for ATM networks //Proceedings of the EEE Singapore International Conference on Communication Systsms/lntemabonal Workshop on Intelligent Signal Processing and Communications Systems. 25- 29 November, 19S6, Singapore. - Singapore, 1996. -5p.

6. Nleya B. M. Asynchronous COMA u satellite transmission', transponder utilisation //Proceedings of the EEE Singapore Internationa! Conference on Communication Systems/International Workshop on Intelligent Signal Processing and Communications Systems. 25- 29 November, 1996. Singapore. - Singapore, 1996. -5p.

h