автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.13, диссертация на тему:Модели и методы расчета буферного пространства АТМ коммутатора

Введение

Глава 1. Основы расчета буферного пространства

ATM коммутатора

1.1. Аналитический обзор технологий ATM

1.1.1. Особенности технологии ATM

1.1.2. Коммутационное оборудование ATM

1.1.3. Управление трафиком

1.2. Методы расчета

1.2.1. Основные аспекты теории телетрафика в ATM сетях

1.2.2. Теория массового обслуживания при анализе ATM сети

1.2.3. Модели ATM трафика

Актуальность проблемы. Мировые объемы информации, передаваемой по сетям телекоммуникаций, постоянно возрастут, что потребует принципиального изменения структуры телекоммуникационных сетей, способов обработки и доставки информации. Главным признаком этого роста является применение широкополосных цифровых сетей интегрального обслуживания с применением технологии ATM.

Технология ATM позволяет решить многие сложные задачи, неразрешимые или трудно разрешимые в сетях традиционного типа. Из всех реально существующих на сегодняшний день сетевых технологий только ATM представляет собой принципиально новый подход к построению сетей, и именно это фундаментальное отличие позволяет создавать на ее основе сети, удовлетворяющие требованиям не только сегодняшнего, но и завтрашнего дня [27, 30-35, 45, 61].

Основным отличием ATM от других технологий передачи информации является возможность переносить любые ее виды за счет использования ячеек фиксированной длины и ориентация на современные высокоскоростные системы передачи, что позволяет упростить традиционные протоколы передачи коммутации пакетов и снизить требования по защите от ошибок пользователя (в части обнаружения и исправления ошибок ATM опирается на протоколы высших уровней). Кроме того, за счет применения специальных механизмов управления перегрузками ATM значительно повышает устойчивость соединений к так называемым пиковым нагрузкам [33, 68, 72].

ATM имеет неоспоримые потенциальные преимущества перед другими технологиями сетей, особенно таких, в которых значительная доля трафика создается мультимедийными приложениями.

Описанные выше свойства и механизмы управления трафиком в режиме ATM, безусловно, не даются даром, за них приходится платить сложностью алгоритмов программного обеспечения коммутаторов, высокой стоимостью обслуживания оборудования, потенциальными проблемами совместимости устройств различных производителей и т.п.

Особенностью настоящего времени является то, что, с одной стороны, преимущества и большие возможности технологии ATM стали очевидны и доказаны на практике, область применения ATM постоянно расширяется, потребность пользователей в мультисервисном обслуживании растут. С другой стороны, телекоммуникационный рынок уже насыщен ATM оборудованием. Поэтому на первое место выходят вопросы эффективного использования имеющего оборудования и оптимального проектирования широкополосных ATM сетей [9-11].

Основные исследования в широкополосных цифровых сетях интегрального обслуживания на технологии ATM до последнего времени были сконцентрированы преимущественно в области управления входящими потоками, анализа модели статических мультиплексоров, исследования ВВХ механизмов адаптаций, исследование ВВХ механизмов управления мультимедийной нагрузкой, сигнализации, режимы работ в перегрузках и др. Однако, модели и методы расчета буферного пространства недостаточно изучены.

Эффективность работы ATM сетей существенным образом зависит от их коммутационного оборудования, в том числе от буферного пространства. При одновременном соревновании ячеек двух и более логических каналов за один временной интервал, естественно, возникает ситуация состязания. Она может быть решена путем организации и ведение очередей из ATM ячеек. Поэтому изучение теоретической основы организации очередей в ATM коммутаторе является одним из основных принципов при создании, управлении и достижении эффективности ATM сетей [30-35].

В связи с этим решаемые в реферируемой диссертационной работе задачи исследования и разработки модели и методы расчета буферного пространства ATM коммутатора являются актуальными и своевременными.

Цели и задачи диссертации. Цель диссертационной работы состоит в разработке моделей и методов расчета буферного пространства ATM коммутатора, обеспечивающей требуемые качества обслуживания и эффективное использование сетевых ресурсов.

Поэтому с учетом сформулированной цели работы в реферируемой диссертации поставлены и решены следующие задачи:

1. Сформулированы характерные особенности и основные требования, предъявляемые к буферному пространству ATM коммутатора. Доказана необходимость представления буферного пространства как некоторого самостоятельного блока сети, имеющего свои принципы проектирования, разработки и анализ.

2. Рассматривается точный анализ ATM коммутатора с помощью балансного уравнения, основанное на вероятности состояний очереди буферного пространства.

3. Проведено исследование режимов организации очереди буферного пространства, основывающиеся во временных масштабах входящего потока (на уровне ячеек и на уровне пачек), определена возможность их применения при анализе буферного пространства ATM коммутатора.

4. Получены приближенные математические модели расчета буферного пространства при режиме организации очереди на уровне ячеек, когда суммарная скорость входящего потока близка скорости обслуживания.

5. Получена математическая модель расчета вероятности потери ячейки с избыточной скоростью одного ON/OFF источника как сглаженного потока (fluid-flow).

6. Предложен ряд алгоритмов управления доступом в сеть (САС) по максимальной допустимой нагрузке на основе применения полученных приближенных анализов.

Методы исследования. При решении поставленных в диссертационной работе задач применялись теория телетрафика, теория вероятностей, теория случайных процессов и теория массового обслуживания. При проведении расчетов и моделировании использовались новые версии профессионального пакета для математических расчетов в науке и технике, в частности MathCAD 2001, Microsoft Excel 97 и др.

Научная новизна. Основными результатами диссертационной работы, обладающими научной новизной, являются:

-математическая модель расчета буферного пространства на уровне ячеек, -математическая модель расчета вероятности потери ячейки с избыточной скоростью одного ON/OFF источника при дискретном анализе.

-алгоритмы управления доступом в сеть по максимальной допустимой нагрузке на основе применения полученных приближенных анализов.

Практическая ценность. Полученные формулы, методы и алгоритмы позволяют решить проблему построения оптимальной структуры ATM коммутатора, повышения эффективности использования имеющегося оборудования, следовательно, качественных параметров сети в целом. Предложенная методика позволяет сократить сроки проектирования и оперативно корректировать выбранную стратегию управления буфером в процессе эксплуатации при расширении дополнительных видов обслуживания, изменениях в составе сетевых ресурсов (пропускной способности цифровых трактов передачи, мощности коммутационного оборудования и емкость их буферных пространств).

Реализация и внедрение результатов работы Результаты работы могут быть использованы научно-исследовательскими, производственными и эксплуатационными организациями при разработке новых и развитии существующих ATM коммутаторов.

Апробация работы и публикация. Результаты диссертации были представлены в форме докладов научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава научных сотрудников и аспирантов СПбГУТ. По результатам выполненных исследований автором в научных журналах, сборниках опубликованы 6 печатных работ. Основные публикации приведены в конце автореферата.

Личный вклад автора. Основные результаты, составляющие содержание диссертационной работы, получены автором самостоятельно.

Структура и объем диссертации. Реферируемая работа состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы. Работа содержит 131 страниц машинописного текста, 46 рисунков, 8 таблиц и список литературы из 78 наименований.

Основные результаты и выводы по четвертой главе

В процессе проведенных в четвертой главе диссертационной работы исследований проанализированы применения точных и приближенных анализов расчета буферного пространства ATM коммутатора для управления доступом в сеть (САС), получены следующие результаты:

1. Проведен аналитический обзор алгоритмов управления доступом в ATM сети, на основе которого сделан выводы о том, что число параметров пропускной способности в соглашении по трафику тесно связано со сложностью алгоритма управления доступом в сеть и характера организации очереди.

2. Предложен ряд алгоритмов управления доступом в сеть (САС) по максимальной допустимой нагрузке на уровне ячеек на основе полученных приближенных расчетов и сравнивает с точными расчетами.

3. Предложен ряд алгоритмов управления доступом в сеть (САС) по максимальной допустимой нагрузке на уровне пачек на основе полученных приближенных расчетов и сравнивает с точными расчетами

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

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

1.Сформулированы характерные особенности и основные требования, предъявляемые к буферному пространству ATM коммутатора. Доказана необходимость представления буферного пространства как некоторого самостоятельного блока сети, имеющего свои принципы проектирования, разработки и анализ.

2. Приводится более обширный анализ модели ATM трафика, даны их необходимые характеристики для динамического распределения емкости буфера, влияние на задержки или потери ячеек при прохождении ими через буферы сети.

3. Рассматривается точный анализ ATM коммутатора с помощью балансного уравнения, основанное на вероятности состояний очереди буферного пространства. Решение сводится к построению систем уравнений для буфера и последующему определению вероятности потери ячеек. При исследовании коммутатора с выходной буферизацией с помощью точного анализа получили интересующие нас основные параметры: вероятности состояний, вероятность потери ячеек; и вероятности времени задержки ячеек. Результаты показывают, что имеет место экспоненциальное соотношение между вероятностью потери ячеек и размером буфера, распределения вероятности потери ячеек частично зависят от распределения входящего потока.

4. Проведено исследование режимов организации очереди буферного пространства, основывающиеся на временных масштабах входящего потока (на уровне ячеек и на уровне пачек), определена возможность их применения при анализе буферного пространства ATM коммутатора.

5. Получены приближенные математические модели расчета буферного пространства при режиме организации очереди на уровне ячеек, когда суммарная скорость входящего потока близка скорости обслуживания. Для анализа буфера использовано приближение Кингмана-Кёллерстрёма для распределения времени ожидания при большой нагрузке в СМО G/G/m. Сравнение результата для СМО М/D/l и СМО ND/D/1 с точным анализом показывает, что имеется линейно логарифмическое соотношение между вероятностью потери ячеек и размером буфера.

6. Получена математическая модель расчета вероятности потери избыточно-скоростных ячеек одного ON/OFF источника как сглаженного потока (fluid-flow) на уровне пачек с помощью дискретного анализа.

7. Исследованы приближенные анализы расчета буферного пространства при N ON/OFF источниках. При этом для фактора потери пачек точным анализ определяется биномиальным распределением. Показано, что можно аппроксимировать пуассоновским распределением, когда число источников N становится больше, и получена более простая формула.

8. Предложен ряд алгоритмов управления доступом в сеть (САС) по максимальной допустимой нагрузке на основе применения полученных приближенных и точных анализов.

В заключение отметим, что исследование анализа буферного пространства ATM коммутатора, проведенное в данной диссертационной работе, привело к созданию моделей для анализа буферного пространства и разработке алгоритмов управления доступом в сеть.

1. Алленов О. М., Управление трафиком ATM. http://www.isl.ru/about/articles.

2. Башарин Г. П., Бочаров П. П., Коган Я. А., Анализ очередей в вычислительных сетях. -М.: Наука. 1989.

3. Буассо М., Деманж М., Мюнье Ж. М., Введение в технологию ATM. М.: Радио и связь, 1997. -128с.

4. Вентцель Е. С., Теория вероятностей. М.: Наука, 1969, 576с.

5. Гнеденко Б. В., Курс теории вероятности изд. 2-е ГТТИ, 1954.

6. Гольдштейн Б. С., Сигнализация в сетях связи, М.: Радио и связь, 2001, -292с.

7. Гольдштейн Б. С., Протоколы сети доступа, М.: Радио и связь, 2001, -292с.

8. Гольдштейн Б. С., Пинчук А. В., Суховицкий A. JL, IP Телефония, М.: Радио и связь, 2001,

9. Ершов В. А., Ершова Э.Б., ATM основа эффективных мультисервисных сетей связи // Электросвязь. 2001, N9, с.21.

10. Ершов В. А., Ершова Э.Б., Метод расчета пропускной способности звена передачи ШЦСИС с технологии ATM при мультисервисном обслуживании. // Электросвязь. 2000, N3, с.20-24

11. Ершов В. А., Ершова Э.Б., ШЦСИС и ATM в концепции развития телекоммуникации XXI века. // Электросвязь. 2000, N3, с. 14-14.

12. Ефимушин В., Ледовских Т., Коммутация в сетях ATM. Часть 1 Cera//Network World, 12/1999. http://www.osp.ru.

13. Ефимушин В., Ледовских Т., Коммутация в сетях ATM. Часть II Принципы проектирования коммутаторов. Сети/Network World, 1/2000. http://www.osp.ru.

14. Захаров Г. П., Методы исследования сетей передачи данных. -М.: Радио и связь, 1982.

15. Захаров Г. П., Арипов М. Н., Малиновский С. Т., Яновский Г. Г., Проектирование и техническая эксплуатация сетей передачи дискретных сообщений. -М.: Радио и связь, 1988.

16. Захаров Г. П., Яновский Г. Г., Широкополосные цифровые сети интегрального обслуживания. -М.: Радио и связь, 1994., 360с.

17. Зелигер Н. Б., Чугреев О. С., Яновский Г. Г., Проектирование систем и сетей передачи дискретных сообщений. -М.: Радио и связь, 1984.

18. Казаков В. А., Введение в теорию марковских процессов и некоторые радиотехнические задачи. -М.: Советское радио, 1973., 323с.

19. Карлин С., Основы теории случайных процессов. -М.: Мир, 1971, 536с.

20. Клейнрок JL, Теория массового обслуживания. -М.: Машиностроение, 1979.

21. Клейнрок JL, Вычислительные системы с очередями. -М. Мир, 1979.

22. Коваленко И. Н., Гнеденко Б. В., Введению в теории массового обслуживания. -М.: Наука, 1987.

23. Конторович М. И., Операционное исчисление и процессы в электрических цепях. -М.: Наука, 1964.-328с.

24. Крылов В.И., Скобля Н.С., Методы приближенного преобразования Фурье и обращение преобразования Лапласа. -М.: Наука, 1974.-224с.

25. Кузин Ф. А., Кандидатская диссертация: методика написания, правила оформления и порядок защиты. -М.: Ось-89, 1999. -208с.

26. Кульгин М. А., Введение в систему управления трафиком. //LAN, 1998, №11//

27. Кучерявый Е. А., Исследование вероятностно-временных характеристик механизмов управления мультимедийной нагрузкой в сетях ATM. дисс. на соиск. учен. степ. канд. тех. наук. СПбГУТ, 1999. -168 с.

28. Левин Б. Р., Теория случайных процессов и ее применение в радиотехнике. -М.: Советское радио, 1957. 496с.

29. Лившиц Б. С., Пшеничников А. П., Харкевич А. Д., Теория телетрафика. М.: Связь, 1979.

30. Мошик Н. Н., Основы проектирования сетей ATM. 4.1. Архитектура сети ATM: Учебное пособие/СПбГУТ. -СПб, 2002.

31. Назаров А. Н., Модели и методы расчета структурно-сетевых параметров сетей ATM. М., Горячая линия Телесом, 2002, -256с.

32. Назаров А. Н., Разживин И. А., Симонов М. В., ATM: Технические решения создания сетей, М., Горячая линия Телесом, 2001, -372с.

33. Назаров А. Н., Симонов М. В., ATM: технология высокоскоростных сетей, 2-ое изд., М., ЭКО ТРЕНДЗ, 1999, 252с.

34. Олифер В. Г., Олифер Н. А., Компьютерные сети. Принципы, технологии, протоколы, СПб: Питер, 2000, 672с.

35. Олифер В. Г., Олифер Н. А., Новые технологии и оборудование IP сетей. СПб.: Cbhv, 2001, 512с.

36. Олифер В. Г., Олифер Н. А., Сетевые операционные системы. СПб.: Питер, 2001,-544с.

37. Пантелеев А. В., Якимова А. С. Теория комплексного переменного и операционное исчисление в примерах и задачах. М.: Высш. шк., 2001.-445с.

38. Порцкий С., Моделирования алгоритма маршрутизации транспортной ATM сети, // Электросвязь, 2000, № 10, с. 16-20.

39. Прабху Н., Методы теории массового обслуживания и управления запасами. М.: Машиностроение, 1969.-356с.

40. Пумпянский A. JL, Чтение и перевод английской научной и технической литературы. М., АН СССР, 1963, 447с.

41. Риордан Дж., Вероятностные системы обслуживания. М.: Связь, 1966, 184с.

42. Розенберг В. Я., Прохоров А. И., Что такое теория массового обслуживания. М., Советское радио, 1965, 256 стр.

43. Саати Т. JI., Элементы теории массового обслуживания и ее приложения. М.: Советское радио, 1971, 520с.

44. Сигорскин И. П., Математический аппарат инженера. Киев, 1977, 766с.

45. Соколов Н. А., Сети абонентского доступа. Принципы построения. 1999.-254с.

46. Суховицкий А. Л., Исследование вероятностно-временных характеристик механизмов адаптаций в сетях ATM. дисс. на соиск. учен. степ. канд. тех. наук. СПбГУТ, 1999. -132с.

47. Такач JL, Комбинаторные методы в теории случайных процессов. М.: Мир, 1971, 264с.

48. Хинчин А.Я., Работы по математической теории массового обслуживания. М., Физматгиз, 1963, 236стр.

49. Яновский Г. Г., Методы и модели управления сетевыми ресурсами в цифровых сетях интегрального обслуживания, дисс. на соиск. учен. степ, док. тех. наук. СПбГУТ, 1994. -270с.

50. ATM Forum, AF-TM-0121.000, Traffic Management Specification, Version 4.1, March 1999.

51. Chuck Semeria, Traffic Engineering for the New Public Network, Juniper Networks, Inc. www.iuniper.net

52. Clark M. P., ATM networks: Principles and Use. -Wiley-Tuebner, 1996.- 232p.

53. Gilberto Mayor, John Silvester, Time Scale Analysis of an ATM Queueing System with Long-Range Dependent Traffic, 8186-7780-5/97 1997 ШЕЕ.

54. Golway Thomas W., Minoli D., et Planning and Managing ATM Networks. 1997. -321p.

55. Harleman Thijs An overview of effective bandwidth methods. Nokia. Presentation date: Oct 18, 1999. thijs.harleman@nokia.com

56. ITU Recommendatiion 1.371, Traffic control and congestion control in B-ISDN, August, 1996.

57. Key P. В., Connection admission control in ATM networks, ВТ Technol J Vol 13 No 3 July 1995

58. Kalevi Kilkki, Traffic Characterisation and Connection Admission Control in ATM Networks, Dissertation for the Degree of Doctor of Technology, the Helsinki University of Technology, Finland, December, 1994.

59. Lindberger K., "Analytical methods for the traffical problems with statistical multiplexing in ATM networks," Proceedings of 13th International Teletraffic Congress, Copenhagen, 1991.

60. Marko Luoma, Mika Ilvesmaki, Simplified management of ATM traffic. Helsinki University of Technology, Laboratory of Telecommunications Technology, Otakaari 5A, 02150 Espoo, Finland

61. Martin de Prycker, Asynchronous transfer mode: solution for broadband ISDN. Second edition published by Ellis Horwood Limited, 1997, -333p.

62. Matthieu Verdier, David Griffin, Dynamic Bandwidth Management in ATM Networks. Department of Electronic and Electrical Engineering, University College London, Torrington Place, London WC1E 7JE, UK.

63. Norros I., Roberts J. W., Simonian A., and Virtamo J. Т., The superposition of variable bit rate sources in an ATM multiplexer, IEEE Journal on Selected Areas in Communications, Vol. 9, No. 3, April 1991, pp. 378-387.

64. Nguyen Due Thuy., Pham Minh Ha., Bandwidth Allocation Based on Declared UPC Parameters in ATM Networks, Posts & Telecommunications Institute of Technology (PTIT), Hanoi, Vietnam.

65. Onvural R., Asynchronous Transfer Mode Networks: Performance Issues, Artech House, 1995.

66. Othmar Kyas, ATM Networks. International Thomson Computer Press, Second edition printed, 1996, -433p.

67. Pandya A. S., Sen E., ATM technology for Broadband Telecommunications Networks. CRC Press, 1999. -282p.

68. Pitts J. M., Schormans J. A., Introduction to ATM Design and Performance With Applications Analysis Software, by John Wiley & Sons, 1996.

69. Roberts J., Traffic theory and Internet traffic engineering, ITC 17, 2 Dec 2001.

70. Roberts J. and Virtamo J. Т., "The superposition of periodic cell arrival processes in an ATM multiplexer," IEEE Transactions on Communications, Vol. 39, No. 2, February 1991, pp. 298-303

71. Schormans J. A., Pitts J. M. and Cuthbert L. G., "Exact fluid-flow analysis of single on/off source feeding an ATM buffer," Electronics Letters, Vol. 30, No. 14, July 1994, pp. 1116-1117.

72. Sexton M., Reid A. Broadband Networking : ATM, SDH and SONET. Artech House, 1997. -589 p.

73. Stefan Bodamer, Joachim Charzinski, Evaluation of Effective Bandwidth Schemes for Self-Similar Traffic, Proceedings of the 13th ITC Specialist Seminar on IP Measurement, Modeling and Management, Monterey, CA, September 2000, pp. 21-1-21-10

74. Stefan Bodamer, Thomas Renger, Traffic Management in an ATM MultiService Switch for Workgroups, Proceedings of IFIP TC6 / WG6.2 Fourth International Conference on Broadband Communications (ВС '98), Stuttgart, April 1998, pp. 341-355.

75. Virtamo J., S-38.145 Introduction to Teletraffic Theory, Telecommunications Technology laboratory Helsinki University of Technology, http://keskus .hut. fi/opetus/s38145/2000/lectures. shtml

76. Virtamo J., S-38.141 Teletraffic Theory, Telecommunications Technology laboratory, Helsinki University of Technology, http://keskus.hut.fi/opetus/s38141/2000/lectures.shtml

77. Virtamo J., S-38.143 Queueing Theory, Telecommunications Technology laboratory Helsinki University of Technology, http://keskus.hut.fi/opetus/s38143/2000/lectures.shtml

78. William A., Frames, packets and cells in broadband networking, Published by Telecom. Library Inc, 1991.

79. РОССИЙСКАЯ госудд- : 7 БИБЛИОТЕКА'