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

МИНИСТЕРСТВО СВЯЗИ РФ

САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИИ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ТЕЛЕКОММУНИКАЦИЙ им. проф. М. А. БОНЧ-БРУЕВИЧА

-РГБОД--

п

На правах рукописи УДК 621.391.28

Хиджазие Мохамед

АНАЛИЗ СХЕМ УПРАВЛЕНИЯ ПОТОКАМИ 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 1994

Работа выполнена ,в Санкт-Петербургском государственном университете телекоммуникаций им. проф. Л1. Л. Бонч-Брусвнча.

Научным руководитель — докто.р технических наук, Г. Г. ЯНОБСКИП

Официальные оппоненты: доктор технических паук,

проф. А. М. АЛЕКСАНДРОВ, .кандидат технических наук, ' в. и. с. Н. А. СОКОЛОВ

Ведущее предприятие — Санкт-Петербургский государственный

университет путей сообщений.

^ .

Защита состоится « Ж » . ¿^¿^^^¿'¿/^сЛ- . . . 1994 г. в ■ часов па, заседании специализированного совета

К. 118.01.01 при Са,пкт-Петербургском государственном университете телекоммуникаций им. проф. М. А. Бонч-Бруевича по адресу: 101065, Санкт-Петербург, на,б. ,реки Мойки, 61.

С диссертацией можно ознакомиться .в библиотеке университета.

Отзыв направлять по вышеуказанному адресу на имя ученого секретаря специализированного сосзета., ^

Автореферат разослан « ^^ » 1994 г.

Ученый секретарь специализированного совета К 118.01.01

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. В настоящее время во многих странах проводятся исследования и экспериментальная проверка принципов широкополосных цифровых сетей интегрального обслуживания, ШЦСИО.

Главными свойствами, характеризующими ШЦСИО в соответствии с рекомендациями МККТТ, являются: поддержание широкого диапазона служб, включающих речевые службы, ПД и изображений в одной сети, а также использование ограниченного числа многоцелевых интерфейсов "пользователь-сеть". Наиболее важным положением рекомендации 1.121 с точки зрения создания технических средств, используемых в ШЦСИО для транспортировки информации, является введение Асинхронного Режима Доставки, АРД, как основного транспортного механизма ШЦСИО, определяющего процессы выше физического уровня до сетевого включительно.

Новая техника доставки АРД базируется на принципе асинхронного временного разделения ресурсов, при котором множество виртуальных соединений с различными скоростями передачи и характеристиками пачечности трафика асинхронно мультиплексируются в едином физическом канале связи. В качестве протокольной единицы. АРД используется короткий пакет фиксированной длины (включающий в себя заголовок и информационное поле), называемый пакетом АРД. Благодаря принципу асинхронного временного разделения, ВР, происходит мультиплексирование всех видов виртуальных соединений -синхронных, асинхронных, с произвольными скоростями, постоянными или меняющимися во время соединения.

Имеется ряд важных факторов, приводящих к принципиально новым проблемам при проектировании ШЦСИО. Среди них - построение сети на основе волоконно-оптических систем связи и применение методов статистического разделения сетевых ресурсов в частности, метода АРД.

Применение новой технологии передачи и коммутации - катода АРД, определяет ряд новых задач, связанных с разработкой методов анализа и синтеза алгоритмов динамического распределения ресурсов между различными службами и созданием аналитических и ■ Имитационных моделей тля получения вероятностно-временных характеристик, ВВХ.

Недостаточная степень научной проработки ряда вопросов по принципам построения ШЦСИО находит свое отражение и в документах МККТТ, где, в частности, определены наиболее'актуальные вопросы,

требующие дальнейшего изучения, ' в том числе в первую очере? динамическое управление потоками и борьба с перегрузками.

В связи с этим, тематика работы, посвященной анализу сх управления потоками, является актуальной.

Цель раб о. ты и задачи исследс в а н и я. Настоящая работа посвящена анализу и моделирован систем динамического управления потоками и детальному изучен ВЕХ таких систем.

Учитывая новизну вопросов построения широкополосных цифров сетей интегрального обслуживания, в первом разделе деталь рассматриваются общие принципы построения ШЦСИО, дается характ ристика архитектуры процессов и соответствующих протоколов в н вых ёетях, описываются принципы асинхронного мультиплексоров ния.

Для того, чтобы гарантировать каждому абоненту ШЦСИО требу* мне показатели качества обслуживания, в сетях связи .вводит: система динамического управления потоками. Управление потоками ШЦСИО имеет более сложный характер дго сравнению с классически! сетями или сетями типа УЦСИО.

Поэтому для сетей типа ШЦСИО разрабатываются новые алгории контроля потоков и борьбы с перегрузками, '*основанные на управж нии входящим потоком. Одним изч важных направлений здесь являет! разработка семейства алгоритмов с частичным ограничением вход; щего потока, развитых в раде работ, проводимых на кафедре Í1J СПб ГУТ им. проф. М. А. Бонч-Бруеви^а.

Вместе с тем, детальное исследование ВВХ таких алгоритме остается открытым. В частности, не проводилось детальное иссле дование влияния параметров схем Ограничения - нагрузки на произве дительность, вероятность блокировки и вероятность своевреыеннс доставки. Решение указанных задач составляет содержание вторе главы диссертационной работы.

Основной задачей третьей главы диссертации является paspa ботка - имитационных моделей с целью исследования ВВХ схем дина мического управления потоками при более общих исходных предполс жениях. В этом разделе разработана имитационная модель коммута тора баньянного типа, в алгоритм которого вводится механизм час тичного ограничейия входящего потока.

Методы исследования. Решение поставленны задач осуществлялось на базе теории вероятностей, теории массо зого обслуживания, исследования операций, вариационного анализа имитационного моделирования.

Состояние вопроса. Фундаментальную теоре

ческую базу для решения поставленных в диссертационной работе цач разработали отечественные й зарубежные ученые в области гей связи: Г.П. Захаров, В.Г. Лазарев, И.А. Мизин, Г И. Самой-яко, Д.. Еертсекас, Р. Галагер, Л. Клейнрок, М. Швар~, др.

Для определения направления дальнейших исследовании схем уп-вления потоками и, в основном, с частичным, ограничением каг-зки,отметим, что исследования базируются на основе результа-в, полученных в работав Г.Г. Яновского и его аспирантов, где пи рассмотрены основные ВВХ этих схем. Однако ряд вопросов, в зтности, оценка производительности, детальное исследование ияния параметров схем ограничения,. нагрузки и т.д. на ВВХ,ос-этся открытым.

Научная новизна и основные р е -Мчат работы

1. В результате анализа принципов структурного построения 310 показано, что создание сетей ЩСИО базируется на переходе новым диапазонам скоростей (155; 622 Мбит/с), широком примене-и ВОЛС и новых технологиях транспортировки информации (методы нхронной цифровой иерархии, СЦИ, асинхронный режим доставки, Ц, быстрая коммутация пакетов, БКП). Определены особенности афика ШЦСИО и показана необходимость введения новых методов равления потоками, основанных на.ограничении входящего потока.

2. Разработана методика исследования ВВХ схем ограничения грузки, ОН, в частности производительности схем СН с учетом ханизма частичного ограничения.

3. Проведено детальное исследование влияния параметров схем частичным ОН на ВВХ системы управления потоками.

4. Показано, что производительность системы ОН мсгпет быть гимизирована путем выбора параметров схем ОН, и определены ди-азоны значений порогов ограничения, в которых достигается мак-бальное значение производительности схемы.ОН.

5. Разработаны имитационные модели элементов ЩСИО, ' в том зле., схем с полным и частичным ограничением нагрузки и комму-гора баньянного типа.

6. Алгоритмы и программы моделирования, реализованные на sks GPSS-V, позволяют получить оценки ВВХ элементов ЩСИО при пее общих предположениях о процессах обслуживания и входящих гоках по сравнению с аналитическим моделированием.

Практическая ценность работы.

На основе разработанных аналитических методов даны оценки К для схем управления потоками и приведены результаты инженер? оасчетоэ ВЕХ лля этих схем:

С помощью полученных расчетов ЕВХ для схем ограничения нагрузки можно определить значение порога в буфере, при котором производительность достигает максимального значения;

На основе разработанного пакета программ для Имитационного моделирования схем управления потоками в ШЦСИО можно, не прибегая к аналитическому методу, исследовать полученные ВВХ этих схем, чтобы оценить их влияние на качество обслуживания сети;

Разработана имитационная модель быстрого коммутатора пакетов баньянного типа, с помощью которой можно получить ВВХ такого коммутатора.

Апробация результатов работы Основные материалы диссертационной работы докладывались на научно-технической конференции профессорско-преподавательского состава СПбГУТ им. проф. М. А. Бонч-Бруевича(1992 г.), на международной школе-семинаре по вычислительным сетям ( Алма-Ата, 1992 г. ), на научных семинарах кафедры ПДС СПбГУТ (19901994 гг.).

Публикации, йо результатам проведенных исследований опубликованы.З печатные работы.

Объем работы. Диссертация состой: ле введения, трех глав, заключения, списка литературы, приложения. Работа содержит страниц машинописного текста, рисунков, таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность исследования, сформулированы цели и задачи работы, перечислены основные научные результаты диссертации, определена практическая ценность работы, приведены сведения об апробации работы, представлены основные положения, выносимые на защиту.

В первом разделе детально рассматриваются общие принципы построения ШЦСИО, дается характеристика архитектуры процессов и соответствующих протоколов в новых сетях, описываются принципы асинхронного мультиплексирования, дается краткий анализ принципов системы динамического управления потоками и рассматриваются с общих позиций ее возможности для повышения показателей качества' обслуживания в сетях связи.'

Вторая глава посвящена исследованию аналитических моделей систем ограничения нагрузки с различными механизмами ограничения.

- 5 -

В этом раздела исследовались:

1. Система управления входящий потоком с конечный буфором и злнш ограничением входящего потока, описывается СМО вида Wl/m. В число основных ВВХ, исследованных в работе, входят: фОЯТНОСТЬ блокировки Рц:

1 - Ро

Рв = 1---------,

Р

це р a \/\i ,

А - интенсивность входящего потока,

И - интенсивность обслуживания. . р0- вероятность отсутствия требований

m - размер буфера; роизводитедьность системы при условии, ременной доставки 0сД г 1 :

Авых - (1 ~ Ра)

2. .Системы управления входящим потоком, в которых реализован еханизм частичного одноуровневого ограничения входящего потока, уть одноуровневого ограничения входного потока заключается в ледующем: непрерывно контролируется число пакетов в буфере СЫО; ак только число пакетов в очереди превысит некоторое значение , определенная часть входного потока "отсекается". При этом начение интенсивности входного потока Xi (реким 1) мгновенно меньшается до некоторой величины Xg = c(Ai (реям 2), где а -араметр ограничения 0 < а < 1 , в результате чего длина очере-и начинает уменьшаться. Как только число пакетов в очереди ста-овится меньше величины L, на-вход буфера вновь начинает посту-ать весь входной поток. т.е. восстанавливается значение з»х S Ai.

3. Система управления входящим потоком, в которой действуем еханизм двухстороннего ограничения нагрузки (гистерезисное уп-авление).

Также, как в случае одноуровневого управления, при гистере-исном управлении осуществляется непрерывный контроль числа па-етов в буфере. Эта величина сравнивается ко с одним, а с двумя1 ороговыми значениями: верхним 1_г и нижним Li. При достижении чередью порога L¿ часть входного потока "отсекается" и на вход уфера поступает поток с интенсивностью Прежний уровень ин-

в системе.

что вероятность свое'

тенсиввости Х1 восстанавливается, как только число пахитов в буфере становится меньше величины 1,1.

Анализ ВЕХ указанных систем проводится в предположении < том, что система находится в стационарном, режиме, входящий пото! является простейшим, обслуживание - экспоненциальное с интенсивностью д.

Результаты исследования ВВХ. Система одноуровневого частичного ОН с бесконечным буфером. Иссле-

довались. следующие ВВХ:

1. Вероятность блокировки, Рв:

В

о

_ 1 - р где ро = —

1 -

1 - ар

1--------0ь+1

Из результатов анализа вероятности блокировки было определе но, что основное влияние на Рв однолинейной- СМО с бесконечны буфером оказывает только загрузка системы р и величина порога 1. влияние параметра ограничения нагрузки будет заметно при а > 0. и при р < 0.7 . Зависимости Рв приведены на рис. 1; 2.

2. Вероятность своевременной доставки Осд. Вероятность своевременной доставки пакета для исследуемой СМО ограничением входного потока равна

Осд = НоуМ'Ь(ч) ; ^(у) > О ,

где ноу (v) - преобразование Лапласа-Стилтьеса функции распреде ления времени ожидания с учетом механизма одноуровневого ограни чения входного потока, - преобразование Лапласа-Стилтьее

функции распределения времени обслуживания, V - интенсивное! старения. Вероятность Осд была определена с помощью аппарат производящих функций с использованием известной связи между прс изводящей функцией числа требований, поступивших в систему г некоторый период времени, и преобразованием Лапласа-Стилтьес полного времени пребывания требования в системе, и с учетом тс го, что производящая функции стандартного распределения длш-

очереди имеет вид

т

| 1 - (рг)ь (рг)ь 1

Р(г) с Е Р(ч±1) 2Ч = Ро I----------+--------- I.

4-0 | 1 - Р2 (1 - арг) |

I. J

С учетом того, что

?(г) г Ноу(Х - \г)-Нл ~ >-2) ,

и что 2=1

была получена следующая формула, которая в диссертации исполь: ется для исследуемой СЮ.

| 1 - (р - б)ь (р - Б)ь |

Осд = Го < "—..........+ ........... > ,

| 1-р-5 1 - а + аб |

V 1

где 5 = »/и ~ относительная интенсивность старения по отноше! к интенсивности обслуживания. Зависимости Осд приведены вис. 3.

3. Производительность системы с одноуровневым ограничен] входного потока (бесконечный буфер):

?-вых г ~ Рп) Осд.

На рис. 4. представлены качественные зависимости Хвых> рв, ( от порога Ь. С учетом полученных в работе выражений проиэво; тельность Япых

г • , 1 | 1 - (р - б)1-' (р - |

Хвьк = (1,- Ро«рь+1)-| --------------+------------ | Ро

! 1-р + 5 1 - а + «5 |

Для простоты полагаем ■

В диссертации показано, что ХВЫх = Г С1-) имеет экстремум пр определенном значении порога Ь, который модно найти путем диффе ренцирования выражения для Лвих- На рис. 5 приведена зависимост Хвих = Г(Ь) для определенных значений,параметров р, «.

Рис. £

Система одноуровневого частичного Ж"с конечным буфером. Исследовались следующие ВВХ:

1. Вероятность блокировки Рв.

Р1Ь_1 [р - «р + (йр)1"-^1 (1 - р)3 (т.)

р» 5---------------------------------Ро ,

(1 - ар)

<ш)

Где Ро =

(1 - р)(1 - ар)

1 - ар - (р - огр) - рь (ер)1"*1-1, (1 - р)

- 11 -

2. Вероятность своевременной доставки Осд

М I 1 - (р - 5)ь (р - 5)ь С1 - (ар - б)т_ь+1

Осд = I--------------+ —-----------------------

|1- (р - 5) 1 - ар - 5

I

э I 0.0

Ре

3. Производительность системы с одноуровневым ограничением входного потока (конечный буфер)

Ст) | рЬ"1 [р - ар + (арГ"ь+1 (1 - Р)] («)| Хвых »1 1 " -----------------------------------I X

1 - ар

J

( \

I г п I

II 1 - (р - 5)ь (р - 5)ь [1 - (ар - 5)т'ь+1] |

х и --------------+ ----------------------------- I РоК

11 1 - (р - 2) 1 - («р - 5) | |

I1- J I

V V

Система двухуровневого частичного ОН с бесконечным буфером. Исследовались следующие ВЕл:

1. Вероятность блокировки Рв

1 - р

(1 --р)(1 - а) (ЛЬ +1) !------------------------рЬ,+ЛЬ+1

(1 - ар)(1 - рдь+1)

рцчдь+1 х

[ .'(1 - р) С1 - (ар)^+13 |

х | ------------------------аЧ+ЛЬ | _

| (1 - ар)(1 - I

I л

2. Вероятность своевременной доставки Цсд

I - г п

| 1 | р^Ср - 5)ь1+1(1 - Р)С1 - (1 - р|

Осд»<-----------И------------------------------------—— 1 +

I 1 - р - Б | (1 - рАЬ+1)(5) I

II..- л

РАЬ (1 - Р)(«Р - 5) (р - б)ьЩ - (1 - I

+...............—----------------------------- > X.

(1 - рАЬ+1)(1 - ар + 5)6 |

I

1 - р

! (1 - Р)(1 - «)(ЛЬ+1) |

| !------------------------р1"1 +ДЬ+1 |

* I (1 - ар) (1 - р^+1) |

с J

3. Ероизводительность системы с двухуровневым ограничением входного потока (бесконечный буфер)*

( г

^вих » {1

< 1 " Р

| -------------------------------------1

I (1 - р)(1 - а)(ДЬ+1) | I 1------------------------рь<+АЬ+1|

(1 - ар) (1 - р^+1) /

рц+дь+1 х

г (1 - р) (1 - (ар)^+1) а^"^ х | | х | ------------------------------- | п х

^ (1 - ар) (1 - р^+1) , | |

-1 I

/

- аз -

( <

И Г 1

| ! 1 | р^Ср - 5)ь<+1(1 - р)С1 - (1 - 5)дь+13 р|

{ <-----------И---------------------------.и.------------| +

I I 1 - р + 5 |

II L

(1 - р4^1) 5

I

р^ (1 - р)(ар - 6)(р - 5)4 [1 - (1 -(1 - р^+1) (1 - ар + 5) 5

> X

I I

1 - р

(1 - р) (1 - а) (ЛЬ +1) а . -----------------------р^+АЬ+1

(1 - ар) (1 - р^1)

/

\1

где р1 -----; Р2 г----; Р2 = с£р! - ар; р1 - р; \г = «Ль

Д р.

В третьей главе на основе : имитационного мо-елирования исследовались характеристики двух элементов схем ЦСИО и быстрого коммутатора пакетов. В частности, разработаны труктурные схемы алгоритмов функционирования к программы моде-ирования на языке БРИБ-У и получены ВВХ при более общих предпо-:ожениях для:

а) схемы с полным ограничением нагрузки;

б) схемы с частичным ограничением нагрузки. Сопоставление результатов моделирования с аналитическими резуль-•атами показывает, что расхождение между расчетными и экспери-[ентальными результатами не превышает 10 - 12 %.

Были также разработаны алгоритм и программа моделирования ¡хемы быстрого коммутатора пакетов баньянного типа, поскольку [ля таких схем достаточно слодно построить аналитиче ¡кие модели.

Для исследуемой коммутационной схемы были получи, и вероят-юсть блокировки Рв -и время задержи 1э в зависимости от емкости

+

I.

1

>

I

буфера N при различных значениях загрузки р. Также была проведе на оценка- точности результатов моделирования схемы баньяна путе: повторных прогонов. Этот метод предусматривает вычисление на 1-1 прогоне значения случайной величины хь затем прогоны повторяют ся и находится значение величины

В приложении приведены тексты программ расчето: ВЕХ, а также тексты программ иммитационйЫх моделей схем управле чия входящим потоком и быстрого коммутатора пакетов.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Исследования, выполненные а диссертационной работе, позволяют сформулировать следующие основные выводы и результаты.

В результате анализа принципов структурного построения ШЦОТ показано, что создание сетей ЩСИО базируется на переходе к новым диапазонам скоростей (155; 622 Ыбит/с), широком применение ВОЛС и новых технологиях транспортировки информации (метод! синхронной цифровой иерархии, СЦИ, асинхронный режим доставки АРД, быстрая коммутация пакетов,. ЕКП). Определены осоСенност; трафика ЩСИО и показана необходимость введения новых методо: управления потоками, ' основанных на ограничении входящего потока

Проведено детальное исследование ВВХ схем с частичным ОН i определено влияние параметров этих схем на ВВХ системы управления потоками.

Показано, что производительность системы ОН может быть оптимизирована путем выбора параметров схем ОН, и определены диапазоны значений порогов ограничения, в которых достигается максимальное значение производительности схем ОН.

Получены численные значения для загрузки р, параметра orpâ-ничения а, порогов L, Li и Lz, при которых обеспечиваются оптимальные значения производительности схем управления входящим потоком.

Разработаны имитационные модели элементов ЩСИО, в том числе, схем с полным и частичным ОН и коммутаторов баньянного типа.

Алгоритмы и программы моделирования, реализованные на языкг GPSS-V, позволяют получить оценки ВВХ элементов ЩСИО при более сСцих предположениях-о процессах обслуживания и входящих потоказ по сравнению с аналитическим моделированием.

ПУБЛИКАЦИИ

1'. Яновский Г.Г., Хидяазие'Ы. Алгоритм ограничена нагрузки высокоскоростных сетях передачи данных //17 международная шко-:а-семинар по вычислительным сетям?-, Тез. докл. /НС РАН "Кибернэ-ика". -11. -Алма-Ата, 1992. 4.2, 1Й6-139.

2. Яновский Г.Г.,. Хйдяазие 11. Анализ характеристик систем граничения нагрузки, с управляемой интенсивностью входящего по-ока //Обработка сигналов в системах связи. СО. научных трудов НС /ЛЗИС. -СПб.', 1992. Вып. 156, 138-142;-:

3. Яновский Г.Г., Хиджазие 11. Протокол передачи кадров для высокоскоростных сетей с ког*мутацкей пакетов //45 научно-техни-:еская конференция/ СПбГУТ, 1992, с. ¿ц.