автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.14, диссертация на тему:Исследование вероятностно-временных характеристик механизмов адаптации в сетях АТМ

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ.

ВВЕДЕНИЕ

РАЗДЕЛ 1. ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ МОДЕЛИ МЕХАНИЗМОВ АДАПТАЦИИ В СЕТЯХ ATM.

1.1. Классификация механизмов адаптации ATM.

1.2. Качественный анализ механизмов адаптации ATM.

1.2.1. Уровень адаптации ATM типа 1.

1.2.2. Уровень адаптации ATM типа 2.

1.2.3. Уровень адаптации ATM типа 3/4.

1.2.4. Уровень адаптации ATM типа 5.

1.3. Функциональные модели механизмов адаптации ATM.

1.3.1. Функциональная модель уровня адаптации ATM типа 1.

1.3.2. Функциональная модель уровня адаптации ATM типа 2.

1.3.3. Функциональная модель уровня адаптации ATM типа 3/4.

1.3.4. Функциональная модель уровня адаптации ATM типа 5.

Актуальность проблемы. Процесс интенсивной информатизации различных видов деятельности человека является одним из наиболее важных в современном обществе. Главным признаком этого процесса является широкое применение сетевых технологий в общественном и деловом секторах, сопровождаемое появлением новых технологий передачи и распределения информации, базирующихся на последних достижениях в микроэлектронике, волоконно-оптических системах и программном обеспечении.

Концепция широкого внедрения сетевых технологий получила наиболее полное отражение при создании широкополосных цифровых сетей интегрального обслуживания (ШЦСИО) на базе технологии асинхронной доставки информации (ATM - Asynchronous Transfer Mode), обеспечивающей объединение речевых служб, служб передачи данных и изображений в рамках одной сети [16].

На рисунке 1. приведена эталонная модель протоколов ШЦСИО, определенная в Рекомендации Международного Союза Электросвязи (МСЭ) 1.321 [41]. Плоскость / Плоскость управления/пользователя,

Плоскость менеджме] v\

Управление плоскостями

Управление уровнями

Верхние Верхние уровни уровни

Уровень адаптации ATM

Физический уровень

Уровень ATM

Рисунок 1. Эталонная модель протоколов ШЦСИО

Модель включает в свой состав 3 плоскости: пользователя, управления и менеджмента.

Плоскость пользователя обеспечивает транспортировку потоков информации в совокупности с соответствующими процедурами контроля, такими, как защита от ошибок, контроль потоков, ограничение нагрузки и др.

Плоскость управления определяет процедуры установления, поддержки и разрушения соединений пользователей.

Плоскость менеджмента включает в свой состав два типа функций. Функции управления плоскостями обеспечивают координацию между всеми "гранями" модели протоколов и относятся в целом ко всей системе, описывающей ШЦСИО. Функции управления уровнями связаны с распределением сетевых ресурсов, согласованием их с параметрами трафика, обработкой служебной информации (информации контроля, управления и обслуживания) сети. К этой же группе функций относятся процедуры метасигнализации - процедуры установления, поддержки и разрушения сигнальных соединений.

Рекомендация МСЭ 1.321 определяет функции уровней эталонной модели протоколов. В настоящее время детально определены функции только первых трех уровней модели, представленной на рисунке 1.

На физическом уровне реализуется две группы функций: функции, зависящие от типа физической среды, и функции преобразования ячеек ATM в последовательность единичных элементов. В первую группу входят функции, обеспечивающие передачу двоичных сигналов, тактовую синхронизацию и электронно-оптические преобразования. Во вторую группу функций входят: генерация и восстановление кадров, состоящих из множества ячеек ATM; структурирование кадров в соответствии с выбранным принципом цифровой передачи; структурирование ячеек ATM, обеспечивающее определение границ ячеек на приемной стороне; определение циклической последовательности для защиты заголовка ячейки от ошибок (на передающей стороне), проверка и исправление ошибок или удаление ячеек ATM с пораженным заголовком (на приемной стороне); согласование скоростей ячеек ATM, состоящее во вставке и подавлении "пустых" ячеек, используемых для согласования свойств потока ячеек и передающей системы.

На уровне ATM реализуются следующие функции: мультиплексирование и демультиплексирование ячеек ATM - в направлении передачи ячейки ATM объединяются в общий поток на основе асинхронного временного разделения, и при приеме ячейки распределяются по соответствующим виртуальным путям (ВП) и виртуальным каналам (ВК); преобразование идентификаторов ВП и ВК, которое производится в коммутаторах ATM путем отображения значений входящих идентификаторов ВП и ВК в исходящие; генерация/выделение заголовка пакета ATM - эта функция предполагает генерацию (в направлении передачи) полного заголовка за исключением поля защиты от ошибок, поле заголовка генерируется на основе информации, поступающей с верхнего уровня, при приеме заголовок ячейки удаляется; общее управление потоком.

Переносить информацию, характеризуемую различными вероятностными характеристиками: речевые сигналы, видеосигналы и данные, транспортной технологии ATM позволяет наличие уровня адаптации информации для асинхронной доставки (AAL - ATM Adaptation Layer, в дальнейшем - уровень адаптации ATM или AAL). В отличие от уровня ATM функции уровня адаптации ATM зависят от вида службы, поддерживаемой в ШЦСИО. Основная функция уровня на передающей стороне состоит в разделении (сегментации) информационных блоков, поступающих с верхних уровней. Поступающие блоки, называемые служебными блоками данных, преобразуется в протокольные блоки данных, размер которых соответствует стандартизированному для уровня ATM значению -48 байт. Для следующего уровня протокольные блоки данных выступают вновь в качестве служебных, к которым добавляется управляющая информация этого уровня. На приемной стороне процедура преобразования информации происходит в обратной последовательности.

Основной особенностью ШЦСИО, базирующихся на транспортной технологии ATM, является гарантированное качество обслуживания, обеспечиваемое для каждого соединения. В связи с этим весьма важной становится оценка показателей качества обслуживания на этапе проектирования сети. В основу существующих методов оценки показателей качества обслуживания ШЦСИО положены исследования вероятностно-временных характеристик (ВВХ) механизмов асинхронной доставки информации, результаты которых представлены в работах Г.П. Захарова, В.Г. Лазарева, М.В. Симонова, О.С. Чугреева, С.А. Яковлева, Г.Г. Яновского, Н. Akimaru, P.J. Kuhn, Н. Saito и ряда других авторов [15, 19, 27, 29, 51, 56]. Основное внимание в большинстве работ уделено анализу влияния уровня ATM на показатели качества обслуживания ШЦСИО. Вместе с тем функциональный анализ механизмов адаптации в сетях ATM позволяет сделать вывод о том, что на уровне адаптации ATM пользовательская информация может задерживаться и блокироваться вследствие асинхронного мультиплексирования множества соединений уровней адаптации ATM в одном соединении уровней ATM.

Необходимость более детального исследования ВВХ механизмов асинхронной доставки информации и определяет актуальность исследования ВВХ механизмов адаптации в сетях ATM.

Цели и задачи диссертации. Целью диссертационной работы является разработка функциональных и адекватных им математических моделей механизмов адаптации в сетях ATM и исследование их ВВХ.

Поставленная цель достигается путем решения в работе ряда задач, среди которых выделим следующие:

1. Классификация и качественный анализ механизмов адаптации в сетях ATM, разработка обобщенных функциональных моделей этих механизмов.

2. Исследование возможности применения распределений фазового типа (РН-распределений) для анализа процессов в сетях ATM:

• для описания входящих потоков требований,

• для приближенного анализа поведения сложных систем массового обслуживания (СМО) на основе аппроксимации распределений, не являющихся распределениями фазового типа.

3. Построение математических моделей механизмов адаптации на основе их функциональных моделей с учетом вероятностных характеристик входящих потоков требований, описываемых с помощью РН-распределений.

4. Исследование ВВХ механизмов адаптации ATM и оценка их влияния на показатели качества обслуживания ШЦСИО.

Методы исследования. Проводимые исследования базируются на теории вероятностей, теории массового обслуживания, операционном исчислении и методах линейной алгебры.

Научная новизна. Основными результатами диссертации, обладающими научной новизной, являются:

- обобщенные функциональные модели механизмов адаптации в сетях ATM, адекватно отражающие особенности преобразования различных видов информации в единый поток ячеек ATM;

- обоснование возможности применения распределений фазового типа для описания входящих потоков требований в сетях ATM и анализа поведения сложных СМО, описывающих процессы в сетях ATM; математические модели механизмов адаптации ATM, построенные на основе их функциональных моделей с учетом вероятностных характеристик входящих потоков требований, описываемых РН-распределениями;

- функциональная и математическая модели мультиплексора доступа с интегральным обслуживанием на уровне адаптации ATM трафика, чувствительного к потерям, и трафика, чувствительного к задержкам.

Практическая ценность. Использование результатов работы на этапе проектирования оборудования доступа ШЦСИО позволяет выбрать оптимальный объем буферного накопителя, необходимый канальный ресурс и улучшить показатели качества обслуживания ШЦСИО.

Реализация результатов работы. Основные теоретические и практические результаты диссертационной работы внедрены в промышленности и учебном процессе, имеются соответствующие документы.

Апробация работы и публикации. Результаты диссертации были представлены в форме докладов на научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава СПбГУТ [22-24, 26] и опубликованы в "Трудах учебных заведений связи" [25].

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложений.

4.4. Основные результаты и выводы по четвертому разделу

В процессе проведенных в четвертом разделе диссертационной работы исследований получены следующие основные результаты:

1. Разработана функциональная модель мультиплексора доступа с интегральным обслуживанием на уровне адаптации ATM трафика, чувствительного к задержкам и трафика, чувствительного к потерям.

119

2. На основе функциональной модели мультиплексора доступа с учетом вероятностных характеристик входящих потоков требований разработана математическая модель мультиплексора доступа

3. Определена эффективность использования мультиплексора доступа на уровне адаптации ATM по двум критериям: средней задержке и вероятности блокировки требований.

4. Проведенный анализ вероятностно-временных характеристик мультиплексора доступа подтверждает известный из теории массового обслуживания результат о том, что объединенная система обслуживания является более эффективной чем система с раздельным обслуживанием. Однако следует иметь в виду, что увеличение числа объединяемых потоков ведет к росту аппаратной и программной сложности механизмов адаптации ATM. Поэтому при проектировании оборудования ШЦСИО необходимо выбрать компромиссное решение, удовлетворяющее определенным технико-экономическим требованиям

120

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В процессе проведенных в диссертационной работе исследований получены следующие основные результаты:

1. Предложена классификация механизмов адаптации в сетях ATM. В качестве классификационных признаков были выбраны следующие характеристики: поддерживаемые классы служб и категории услуг, типы обрабатываемого трафика и максимальный размер блока пользовательской информации, реализация или отсутствие механизмов асинхронного мультиплексирования множества соединений уровней адаптации ATM в одном соединении уровней ATM и восстановления таковой частоты источника информации на приемном конце.

2. Проведен функциональный анализ механизмов адаптации в сетях ATM. Основная функция уровней адаптации ATM на передающей стороне состоит в сегментации информации, поступающей с верхних уровней, на блоки, размер которых определен стандартом уровня ATM, и в сборке информационных блоков из ячеек ATM на приемной стороне. На уровнях адаптации ATM 1 и 2 типов также обеспечивается восстановление тактовой частоты источника информации на приемной стороне и регулируется задержка ячеек ATM. Показано, что данные функции не оказывают существенного влияния на показатели качества обслуживания ШЦСИО.

3. На уровнях адаптации ATM 2, 3/4 и 5 типов реализуется механизм асинхронного мультиплексирования множества соединений уровней адаптации ATM в одном соединении уровней ATM. Это означает, что на уровне адаптации ATM возможны задержки и потери пользовательской информации.

4. На основании проведенного анализа разработаны обобщенные функциональные модели механизмов адаптации в сетях ATM, адекватно отражающие особенности преобразования различных видов информации на уровне адаптации ATM в единый поток ячеек ATM.

5. Проанализированы свойства распределений фазового типа, изучены матрично-геометрические методы анализа поведения сложных систем массового обслуживания. Определена возможность применения распределений фазового типа для анализа процессов в сетях ATM:

• для описания входящих потоков требований в сетях ATM,

• для расчета сложных СМО на основе аппроксимации распределений входящего потока требований и длительностей обслуживания, не являющихся распределениями фазового типа, по двум первым моментам этих распределений при изменении С коэффициента вариации PH-распределений в пределах от 0 до

6. Решена задача отыскания общего вида вероятностно-временных характеристик механизмов адаптации в сетях ATM путем моделирования стандартизированных МСЭ механизмов адаптации ATM (с учетом того, что количество механизмов адаптации ATM может увеличиваться в связи с появлением в ШЦСИО новых служб) СМО вида РН/РН/1 ¡г.

7. Аналитические модели конкретных механизмов адаптации в сетях ATM получаются путем подставления параметров конкретных законов распределения входящего потока требований и длительностей обслуживания в СМО вида РН/РН/1 /г.

8. Разработаны математические модели механизмов адаптации в сетях ATM на основе их функциональных моделей с учетом вероятностных характеристик входящих потоков требований. С помощью разработанных математических моделей для каждого типа уровня адаптации ATM выбран необходимый объем буферного накопителя, при котором вероятность потери заявок удовлетворяет заданным требованиям.

9. Проведено исследование ВВХ стандартизованных МСЭ механизмов адаптации ATM и определены диапазоны рабочих значений нагрузки, при которых вероятность потери и средняя задержка на уровне адаптации ATM не превышают допустимых значений. Эти диапазоны составляют 0 0,9 Эрланга для уровня адаптации ATM типа 1; 0 0,2 Эрланга для уровня адаптации ATM типа 2; 0 н- 0,7 Эрланга для уровней адаптации ATM типов 3/4 и 5.

10. Разработана функциональная модель мультиплексора доступа с интегральным обслуживанием на уровне адаптации ATM трафика, чувствительного к задержкам и трафика, чувствительного к потерям.

11. На основе функциональной модели мультиплексора доступа с учетом вероятностных характеристик входящих потоков требований разработана математическая модель мультиплексора доступа

12. Определена эффективность использования мультиплексора доступа на уровне адаптации ATM по двум критериям: средней задержке и вероятности блокировки требований.

123

13. Проведенный анализ вероятностно-временных характеристик мультиплексора доступа подтверждает известный из теории массового обслуживания результат о том, что объединенная система обслуживания является более эффективной чем система с раздельным обслуживанием. Однако следует иметь в виду, что увеличение числа объединяемых потоков ведет к росту аппаратной и программной сложности механизмов адаптации ATM. Поэтому при проектировании оборудования ШЦСИО необходимо выбрать компромиссное решение, удовлетворяющее определенным технико-экономическим требованиям.

14. В целом, проведенное исследование ВВХ механизмов адаптации ATM показывает, что при проектировании оборудования ШЦСИО: терминального оборудования, мультиплексоров и коммутаторов доступа, необходимо учитывать вклад уровня адаптации ATM в вероятностно-временные характеристики сети.

124

1. Авен О. И., Турин H.H., Коган Я. А. Оценка качества и оптимизация вычислительных систем. - М.: Наука, 1982.

2. Башарин Т.П. О расчете буферной памяти в вычислительных системах с несколькими входящими информационными потоками// Системы управления и коммутации М.: Наука, 1965. - с. 24-41.

3. Башарин Г.П., Богусловский Л.Б., Самуйлов К.Е. О методах расчета пропускной способности сетей связи ЭВМ// Итоги науки и техники. Электросвязь. М.: ВИНИТИ, 1983. - Т.13. - с. 32-106.

4. Башарин Т.П., Бочаров П.П., Коган Я.А. Анализ очередей в вычислительных сетях. Теория и методы расчета. М.: Наука, 1986.

5. Башарин Г.П., Бочаров П.П., Спесивов С.С. Об алгоритмическом и программном обеспечении методов аналитического моделирования информационно-вычислительных систем и их компонентов// Препринт ИСКАН СССР М.: ВИНИТИ, 1983.

6. Башарин Т.П., Самуйлов К.Е. Об оптимальной структуре буферной памяти в сетях передачи данных с коммутацией пакетов// Препринт НСК АН СССР М.: ВИНИТИ, 1982.

7. Башарин Т.Н., Харкевич А. Д., Шнепс М.А. Массовое обслуживание в телефонии М.: Наука, 1968.

8. Беллман Р. Введение в теорию матриц. М.: Физматгиз, 1969.

9. Бочаров П.П. Однолинейные системы обслуживания конечной емкости М.: Университет дружбы народов, 1985.

10. Бочаров П.П., Литвин В.Г. Методы анализа и расчета систем массового обслуживания с распределениями фазового типа. //Автоматика и телемеханика. 1986. - №5. - с. 5-23.

11. Бочаров П.П., Спесивов С.С. Таблицы стационарных характеристик однолинейной системы обслуживания конечной емкости М.: Университет дружбы народов, 1986.

12. Воеводин В.В., Кузнецов Ю.А. Матрицы и вычисления. М.: Наука, 1984.

13. Жожикашвили В.А., Вишневский В.М., Винарский М.Г. Буферная память узлов коммутации в сетях ЭВМ (анализ и методы расчета)// Препринт ИПУ АН СССР, 1986.

14. Захаров Т.П., Яновский Г.Г. Широкополосные цифровые сети интегрального обслуживания//СПбГУТ. СПб, 1994.

15. Зелигер Н.Б., Чугреев О.С., Яновский Г.Г. Проектирование сетей и систем передачи дискретных сообщений: Учебное пособие для ВУЗов. М.: Радио и связь, 1984.

16. Кофман А. Крюон Р. Массовое обслуживание. Теория и приложения М.: Мир, 1965.

17. Ланкастер. Теория матриц. М.: Наука, 1978.

18. Назаров А.Н., Симонов М.В. ATM: технология высокоскоростных сетей. М.: ЭКОТРЕНДЗ, 1997.

19. Наумов В.А. Об однолинейной системе с ограниченным накопителем и заявками нескольких видов//Модели систем распределения информации и их анализ. М.: Наука, 1982. - с. 7782.

20. Наумов В.А. Численные методы анализа марковских систем. М.: Университет дружбы народов, 1985.

21. Суховицкий A.JI. Функциональные модели механизмов адаптации в сетях ATM// 52-я НТК: тез. докл. / СПбГУТ. СПб, 1999.

22. Суховицкий А.Л. Универсальный механизм адаптации в сетях ATM и исследование его ВВХ// 52-я НТК: тез. докл. /СПбГУТ. -СПб, 1999.

23. Суховицкий А.Л. Математическое моделирование механизмов адаптации в сетях ATM// 52-я НТК: тез. докл. /СПбГУТ. СПб, 1999.

24. Суховицкий А.Л. Применение распределений фазового типа для исследования ВВХ механизмов адаптации в сетях ATM// Труды учебных заведений связи / СПбГУТ. СПб, 1998. - №164. - С. 1215.

25. Суховицкий А.Л., Яновский Г.Г. Распределения фазового типа и возможность их применения для анализа процессов в сетях ATM// 52-я НТК: тез. докл. / СПбГУТ. СПб, 1999.

26. Яновский Г. Г. Методы и модели управления сетевыми ресурсами в цифровых сетях интегрального обслуживания//Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук 1994/ СПбГУТ.-СПб, 1994.

27. Яновский Г.Г. Современные сети передачи данных// В сб.: Итоги науки и техники , Элетросвязь, т.6. М.: ВИНИТИ, 1976, с. 5-54.

28. Akimaru Н., Kawashima К. Teletraffic. Theory and Application. -Berlin, Heidelberg, New York: Springer-Verlag, 1993.

29. Bocharov P.P. The analysis of queue length and output flow in single server with finite waiting room and plase type distributions//Problems of Control and Information Theory. 1987. - V. 16, №3. - P. 211-233.

30. Bocharov P.P., Naumov V.A. Matrix-geometric stationary distribution for the PH/PH/l/r queue. Le Chesnay: INRIA, 1984. - №304.

31. Bocharov P.P., Naumov V.A. Matrix-geometric stationary distribution for the PH/PH/l/r queue//EIK. 1986. - V. 22, -№4. - P. 179-186.

32. Bruel S.C., Balbo G. Gomputational algorithms for closed queueing networks. N.Y., Oxford: North Holland, 1980.

33. Computer performance modelling Handbook/S.S. Lavenberg (Ed.) -Akademie Press, 1983.

34. Cox D.R. A use of complex probabilities in the theory of stochastic processes//Proc. Camb. Phil. 1955. - V. 51. - P. 313-319.

35. Erlang A.K. Solution of some problems in the theory probabilities of significance in automatic telephone exchanges// The Post Office Electrical Engineers Journal:. 1917-18. - V. 10. - P. 189-197.

36. Handbuch der Bedienungsteorie I. Grundlagen und Methoden/Gnedenko B.W., Konig D. (Red.). Berlin: Akademie -Yerlug, 1983.

37. Handbuch der Bedienungsteorie II. Formeln und andere Ergebnisse/Gnedenko B.W., Konig D. (Red.). Berlin: Akademie -Verlug, 1983.

38. ITU-T Recommendation G. 702. Digital hierarchy bit rates, 1993.

39. ITU-T Recommendation 1.231. Circuit-mode bearer service categories circuit-mode 64 kbit/s unrestricted, 8 kHz structured bearer service, 1993.

40. ITU-T Recommendation 1.321. B-ISDN protocol reference model and its application, 1991.

41. ITU-T Recommendation 1.362. B-ISDN ATM adaptation layer (AAL) functional description, 1993.

42. ITU-T Recommendation 1.363.1. B-ISDN ATM Adaptation Layer specification: Type 1 AAL, 1996.

43. ITU-T Recommendation 1.363.2. B-ISDN ATM Adaptation Layer specification: Type 2 AAL, 1997.

44. ITU-T Recommendation 1.363.3. B-ISDN ATM Adaptation Layer specification: Type 3/4 AAL, 1996.

45. ITU-T Recommendation 1.363.5. B-ISDN ATM Adaptation Layer specification: Type 5 AAL, 1996.

46. ITU-T Recommendation 1.364. Support of the broadband connectionless data bearer service by the B-ISDN, 1995.

47. ITU-T Recommendation 1.365.1. Frame relaying service specific convergence sublayer (FR-SSCS), 1993.

48. ITU-T Recommendation 1.365.2. B-ISDN ATM adaptation layer sublayers: Service specific coordination function to provide the connection oriented network service, 1995.

49. ITU-T Recommendation 1.365.3. B-ISDN ATM adaptation layer sublayers: service specific coordination function to provide the connection oriented transport service, 1995.

50. Kuhn P.J. Evolution of New Services and Networking Technologies: Future Challenges for Traffic Management and Engineering// St. Petersburg Regional International Teletraffic Seminar / LONIIS. St. Petersburg, 1998.

51. Marie R., Pellaumail J. Steady-state probabilities for a queue with a general service distribution and state dependent arrivals//IEEE JSE. -1983. -V. SE-9, №1. P. 109-113.

52. Morse P.M. Queues, inventories and maintenance. N.Y.: John Wiley and Sons, 1958.

53. Neuts M.F. Computational uses of the method of phases in the theory of queues//Computers and Math, with Appl. 1975. - V.l. P. 151-166.

54. Neuts M.F. Matrix-geometrie solutions in stochstic models Baltimore and London: The Johns Hopkins Univ. Press, 1981.

55. Saito H. Teletraffic Issues in ATM Network. London: Artech House, 1994.

56. Suchs E., Jaskson P.E. Estimates of distributions of random variables for certain computer communications traffic models. //Communs ACM, 1970, 13,-№12, 752-757.129